基因表达的调控-制ppt课件

1、 第五章第五章 基因表达的调基因表达的调控控 ( Regulation and ( Regulation and control control of gene of gene expression )expression )主讲：陈慧勇主讲：陈慧勇遗传信息传送中心法那遗传信息传送中心法那么么DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表达基因表达 ( gene ( gene expression)expression) 生物基因组中构造基因所携带的遗生物基因组中构造基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应

2、合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。的蛋白质的全过程。一、基因表达的概念一、基因表达的概念rRNA与与tRNA编码基因转录产生编码基因转录产生RNA的的过程也属于基因表达过程也属于基因表达二、基因表达的特点二、基因表达的特点一时间特异性一时间特异性 二空间特异性二空间特异性 按对刺激的反响性分为两大类：按对刺激的反响性分为两大类：一根本组成性表达一根本组成性表达 基因较少受环境要素影响，而是在个基因较少受环境要素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中继续表达，或变化很小。如管家基因。中继续表达，或变化很小。如管家基因。三、基因

3、表达的方式三、基因表达的方式管家基因管家基因(housekeeping gene)某些基因在一个个体的几乎一切某些基因在一个个体的几乎一切细胞中继续表达。细胞中继续表达。二诱导和阻遏表达二诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达(induction expression)(induction expression)阻遏表达阻遏表达(repression expression)(repression expression)协调表达协调表达(coordinance (coordinance expression)expression)在一定机制下，功能相关的一组基在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，

4、共同表达。因，协调一致，共同表达。四、基因表达的调控因子：四、基因表达的调控因子： 蛋白质蛋白质 ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些环节某些环节 )五、基因表达的调控程度五、基因表达的调控程度v 基因组基因组v 转录转录v 转录后转录后v 翻译翻译v 翻译后翻译后 第一节第一节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 原核生物基因表达调控主要在转录原核生物基因表达调控主要在转录程度，其次是翻译程度。程度，其次是翻译程度。 本节主要以大肠杆菌为例引见原核生本节主要以大肠杆菌为例引见原核生物基因表达的调控。物基因表达的调控。一、原核生物基因表达的特点一、原核生物基因表达的特点 1

5、.1.只需一种只需一种RNARNA聚合酶。聚合酶。2.2.基因表达以支配子为根本单位。基因表达以支配子为根本单位。支配子支配子operonoperon 一个多顺反子转录单位与其调控序一个多顺反子转录单位与其调控序列列 即构成支配子。即构成支配子。 P114 P114支配子支配子(operon)(operon)模型模型ppromoter调理序列调理序列构造基因：多个串联构造基因：多个串联ayzstructural genePromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNATranscriptionmRNA31235TranslationProteins123原核生物的

6、原核生物的mRNA是多顺反子是多顺反子mRNA3.3.转录和翻译偶联进展：转录和翻译偶联进展：4.mRNA4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序翻译起始部位有特殊的碱基序列列-SD-SD序列。序列。 共有序列为共有序列为AGGAGGAGGAGG 5.5.原核生物基因表达的调控主要在转原核生物基因表达的调控主要在转录程度，即对录程度，即对RNARNA合成的调控。合成的调控。 通常有两种方式：通常有两种方式： (1) (1) 起始调控，即启动子调控；起始调控，即启动子调控； (2) (2) 终止调控终止调控( (衰减子调控衰减子调控) )。二、原核生物基因表达的调控机制二、原核生物基因表达的调控机

7、制 ( (一一) )转录起始的调控转录起始的调控 ( (二二) )转录终止的调控转录终止的调控 ( (三三) )翻译程度的调控翻译程度的调控 ( (一一) )转录起始的调控转录起始的调控 1.因子与转录起始的调控因子与转录起始的调控 中心酶中心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 调控调控RNARNA聚合酶与特异聚合酶与特异DNADNA区域结合：区域结合： 确保确保RNA RNA 聚合酶与特异启动聚合酶与特异启动序列稳定结合，而不是与其它位点结序列稳定结合，而不是与其它位点结合。合。(1) (1) 因子因子 不同的不同的因子决议因子决议RNARNA聚合酶对聚合酶对一

8、个或一套启动序列的特异性识别一个或一套启动序列的特异性识别和结合才干。和结合才干。最早发现的最早发现的因子为因子为70新发现：新发现： 32、 54 、28P114(2)(2)启动序列启动序列promoterpromoterRNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列 共有序列决议启动序列的转录活共有序列决议启动序列的转录活性

9、强弱。性强弱。某些特异因子蛋白质决议某些特异因子蛋白质决议RNARNA聚合酶对一个或一套启动序列的聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合才干。特异性识别和结合才干。 2.2.转录起始的负调控转录起始的负调控 乳糖支配子乳糖支配子lactose operon,laclactose operon,lac是原核生物基因转录负调控的最典是原核生物基因转录负调控的最典型方式。型方式。 乳糖支配子乳糖支配子(lac operon)的构造的构造 构造基因构造基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 调控区调控区CAP结合位点结合位点 启动子启动子支配元件支配元件ZY

10、AOPDNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调理阻遏蛋白的负性调理阻遏基因阻遏基因 支配元件在支配子的位置是从支配元件在支配子的位置是从-7至至+28，RNA聚合聚合酶所占的区域是从酶所占的区域是从-35至至+20，两者有部分重叠，因此阻，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和遏蛋白和RNA聚合酶与聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。的结合是相互排斥的。 mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖别乳糖别乳糖负调控的突破负调控的突破诱导剂诱导剂inducerinducer 乳糖乳糖 1

11、,6-1,6-别乳糖体内生理别乳糖体内生理 异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷IPTGIPTG，体，体外实验外实验转录活性提高转录活性提高5050倍倍无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时乳糖支配子中乳糖支配子中CAP的正性调理的正性调理ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3.3.转录起始的正调控转录起始的正调控 cAMPcAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖与葡萄糖相关性：葡萄糖，cAMPcAMP 葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMPcAMP:cAMP:环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 CAPCAP：分解代谢基因激活蛋白质：分解代谢基因激活蛋白质

12、(catabolite gene activator protein(catabolite gene activator protein，CAP) CAP) CAPCAP的活性依赖的活性依赖cAMPcAMP， 构成构成cAMP-CAPcAMP-CAP复合复合物，促进多种支配子的转录起始。物，促进多种支配子的转录起始。 4 4转录起始的复合调控转录起始的复合调控 在大肠杆菌的许多支配子中，基因的转在大肠杆菌的许多支配子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是经过负调控录不是由单一因子调控的，而是经过负调控因子和正调控因子进展复合调控。典型例子：因子和正调控因子进展复合调控。典型例子：糖代谢有关的

13、支配子，如糖代谢有关的支配子，如lac 支配子。支配子。 mRNA没有乳糖没有乳糖有乳糖有乳糖 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOmRNA 当阻遏蛋白封锁转录时，当阻遏蛋白封锁转录时，CAP对该系统不对该系统不能发扬作用；能发扬作用；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；假设有葡萄糖或葡萄糖假设有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 支配子的阻遏作用称分解代谢支配子的阻遏作用称分解代谢阻遏阻遏(catabolic repr

14、ession)。 二转录终止的调控二转录终止的调控转录终止调控方式分两大类：转录终止调控方式分两大类：A.A.依赖依赖因子的终止调控；因子的终止调控；A T P 例例:色氨酸支配子表达的调控色氨酸支配子表达的调控 1.经过阻遏蛋白的负调控经过阻遏蛋白的负调控 2.经过衰减子作用经过衰减子作用 B.不依赖不依赖因子的终止调控。因子的终止调控。Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调理区调理区 构造基因构造基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 转录衰减的调控转录衰减的调控色氨酸支配子色氨酸支配子UUUUUUUU调理区调理区 构造基因构造基因 tr

15、pROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子构造衰减子构造 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: : 包含序列包含序列1 1 构成发夹构造才干构成发夹构造才干: : 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUU34UUUU 334 核糖体核糖体前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子构造衰减子构造可使转录可使转

16、录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 构造基因构造基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关构造基因被转录构造基因被转录 序列序列3 3、4 4不能构成衰减子构造不能构成衰减子构造 (三) 翻译程度的调控 翻译普通在起始和终止阶段遭到调理。翻译普通在起始和终止阶段遭到调理。 调理分子调理分子:RNA:RNA、蛋白质、蛋白质 调理分子可直接或间接决议翻译起始位调理分子可直接或间接决议翻译

17、起始位点能否为核蛋白体所利用。点能否为核蛋白体所利用。 1.1.反义反义RNARNA的调控作用的调控作用 反义反义RNARNA 能与特定能与特定mRNAmRNA互补结合的互补结合的RNARNA片段，由反义基因转录而来。天片段，由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义然的具有功能的反义RNARNA分子普通在分子普通在200200个碱基以下。个碱基以下。 反义反义RNA调控调控Tn10转位酶基因的表达表示图转位酶基因的表达表示图2. RNA2. RNA的稳定性与调控的关系的稳定性与调控的关系mRNAmRNA的稳定性与其序列和构造有关。的稳定性与其序列和构造有关。 3. 3.蛋白质合成中的本身调控蛋

18、白质合成中的本身调控 如：核糖体蛋白如：核糖体蛋白第二节第二节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控根本一样。和原核生物表达的调控根本一样。 多细胞真核生物，遗传信息从多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组细胞核的基因组DNADNA传送到基因编码传送到基因编码的蛋白质均遭到多层次的调控。的蛋白质均遭到多层次的调控。真核基因表达的特点真核基因表达的特点 6.部分基因多拷贝部分基因多拷贝5.不存在超基因式支配子构造不存在超基因式支配子构造4.初级转录产物要经过转录后加工修饰初级转录产物要经过转录

19、后加工修饰3.转录和翻译分开进展转录和翻译分开进展2.基因表达的时间性和空间性基因表达的时间性和空间性1.细胞的全能性细胞的全能性TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene35单顺反子单顺反子mRNA (monocistronic mRNA)真核生物基因表达的多级调控真核生物基因表达的多级调控一、一、DNADNA程度程度二、转录程度二、转录程度三、转录后程度三、转录后程度四、翻译程度四、翻译程度五、翻译后程度五、翻译后程度一、一、DNADNA程度的调控程度的调控1.1.染色质的丧失：不可逆的调控；染色质的丧失：不可逆的调控；2.2.基因

20、扩增：添加基因的拷贝数；基因扩增：添加基因的拷贝数；3.3.基因重排：调理表达产物多样性；基因重排：调理表达产物多样性；VJCVJCVJCIgGIgG的基因重排的基因重排4.4.基因的甲基化修饰：基因的甲基化修饰： 甲基化程度高，基因表达降甲基化程度高，基因表达降低；低； 早基化程度低，基因表达添加。早基化程度低，基因表达添加。5.5.染色质构造：染色质构造： 组蛋白与组蛋白与DNADNA结合，抑制基因转结合，抑制基因转录，非组蛋白与录，非组蛋白与DNADNA结合促进基因转结合促进基因转录。录。二、转录程度的调控二、转录程度的调控1. 1. 转录起始复合物构成的调控转录起始复合物构成的调控 转

21、录因子结合到转录因子结合到DNADNA上，形胜利能性启上，形胜利能性启动子，才干被动子，才干被RNARNA聚合酶识别和结合。聚合酶识别和结合。TFD TFA TFBRNA poly/TFFTFEDTATABFEDNAARNA polyTATA转录因子转录因子(transcription factor(transcription factor，TF )TF ) 是是RNARNA合成起始所必需的因子，合成起始所必需的因子，TFTF不依赖不依赖RNARNA聚合酶而独立地结合聚合酶而独立地结合DNADNA，并且在转录过程中促使并且在转录过程中促使RNARNA聚合酶分子与聚合酶分子与启动子结合。启动子结

22、合。2. 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) 指某些能影响基因表达但不编码新的指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和蛋白质和RNA的的DNA序列，按照功能分为序列，按照功能分为启动子、加强子、负调控元件沉默子启动子、加强子、负调控元件沉默子等。等。 1启动子启动子(promoter) RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。上的功能组件。 TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒决议决议RNARNA聚合酶聚合酶转录起始点和转录频率的转录起始点和转录频率

23、的一关键元件。一关键元件。 中心启动子中心启动子(core promoter)(core promoter)上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter (upstream promoter element, UPE)element, UPE)上游上游-25-30bp处，又称处，又称TATA盒盒TATAAAA上游上游-30-110bp处，包括处，包括GC盒盒GGGCGG和和 CAAT盒盒GCCAAT TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 加强子加强子 顺式作用元件顺式作用元件 构造基因构造基因-CAAT-GCGC-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子

24、保守序列3. 3. 反式作用因子反式作用因子 2 2具有三个功能构造域：具有三个功能构造域：DNADNA结合构造域、转录活化域、蛋白结合结合构造域、转录活化域、蛋白结合域域1 1指能直接或间接地识别或结合在指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件各顺式作用元件8 812bp12bp中心序列上，中心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。质。3.3.反式作用因子构造域的构造方式反式作用因子构造域的构造方式1 1DNADNA结合域的构造方式结合域的构造方式1 1锌指构造锌指构造2 2同源构造域同源构造域3 3碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链5 5碱性碱性-螺旋构造

25、螺旋构造4 4螺旋螺旋- -环环- -螺旋构造螺旋构造 F L C H Z n C H N H2 Y C O O H 锌 指 结 构1 1锌指构造锌指构造2 2同源构造域：螺旋同源构造域：螺旋- -转角转角- -螺旋构造螺旋构造3 3亮氨酸拉链构造：亮氨酸拉链构造： 两个单体结合构成两个单体结合构成DNADNA结合域结合域4 4螺旋螺旋- -环环- -螺旋构造：螺旋构造：2 2转录活化构造域：转录激活区转录活化构造域：转录激活区1 1酸性酸性-螺旋构造域螺旋构造域2 2富含谷氨酰胺构造域富含谷氨酰胺构造域3 3富含脯氨酰胺构造域富含脯氨酰胺构造域4. 4. 转录程度的调控机制转录程度的调控机制

26、1 1反式作用因子的激活反式作用因子的激活1 1表达式调理：反式因子合表达式调理：反式因子合 成出来就具有活性成出来就具有活性2 2共价修饰调理：共价修饰调理： 磷酸化磷酸化- -去磷酸化，糖基化去磷酸化，糖基化3 3配体结合配体结合4 4蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用2 2反式作用因子作用方式反式作用因子作用方式连锁反响：转录因子与连锁反响：转录因子与DNADNA结合后促结合后促 进另一转录因子的结合进另一转录因子的结合DNADNA扭曲：改动扭曲：改动DNADNA构型构型滑滑 动：沿动：沿DNADNA滑动到另一特异滑动到另一特异 序列发扬作用序列发扬作用PromoterEnha

27、ncerGENEDNADNA成环：成环：使相应位点接近而发扬作用使相应位点接近而发扬作用Upstream enhancerTranscription initiation siteUpstream promoter element3 3反式作用因子的组合式调控反式作用因子的组合式调控三、转录后程度的调控三、转录后程度的调控一一55端加帽和端加帽和33端多聚腺苷酸化端多聚腺苷酸化维护维护mRNAmRNA在转录过程中不被降解在转录过程中不被降解二二mRNAmRNA的选择性剪接的选择性剪接选择性剪接：不同的剪接方式可以在同一选择性剪接：不同的剪接方式可以在同一 段段DNADNA中构成不同的基因中构成

28、不同的基因果蝇的性别决议基因的选择性剪接果蝇的性别决议基因的选择性剪接二二mRNAmRNA的选择性剪接的选择性剪接复习题复习题一、名词解释：一、名词解释： 基因表达基因表达 多顺反子多顺反子 反式作用因子反式作用因子 顺式作用元件顺式作用元件二、简答题：二、简答题： 1.乳糖支配子的构造有哪些？乳糖支配子的构造有哪些？ 2.乳糖支配子在有乳糖没有葡萄糖时如何进展调控？乳糖支配子在有乳糖没有葡萄糖时如何进展调控？三、判别题：三、判别题： (对的打对的打“，错的打，错的打“X) 一切基因的表达产物都是蛋白质。一切基因的表达产物都是蛋白质。 四、选择题：四、选择题： 大多数原核基因转录单位为：大多数原核基因转录单位为： A.多顺反子多顺反子 B.单顺反子单顺反子 C.支配基因支配基因 D.反式作用因子反式作用因子 1 基因表达的产物可以是基因表达的产物可以是A DNAB tRNAC mRNAD rRNAE 蛋白质蛋白质F hnRNA2 基因表达调控可以发生在基因表达调控可以发生在A 转录起始程度转录起始程度B 转录程度转录程度C 转录后加工程度转录后加工程度D 翻译起始程度翻译起始程度E 翻译程度翻译程度F 翻译后加工