遗传信息表达调控

1、关于遗传信息表达的调控第一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月基因表达（gene expression）是指基因组中结构基因经过转录、翻译等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能的全过程。第四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月RNA 的合成4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶转录单位：结构基因、启动子、终止子按碱基配对原则, 沿5-3方向真核生物有三型RNA聚合酶分为起始阶段、延长阶级和终止阶段转录后的产物经加工成为成熟的RNA第五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月蛋白质的合

2、成合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、MgmRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机核糖体循环：起始、肽链延长和终止翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合第六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Transcription5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3 coding (= non-template) strand3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5 template strand5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3 mRNA 第

3、七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月基因表达及其调控的特点管家基因（housekeeping gene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。第八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月诱导表达（induction expression）有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。阻遏表达（repression expression）在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。第九张，P

4、PT共九十九页，创作于2022年6月时间特异性（temporal specificity）在多细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。空间特异性（spatial specificity）在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。第十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月协调表达（coordinated expression）功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。又称协调调节（coordinated regulation）第十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月基因表达的调控（gene expression regul

5、ation ）是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。第十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 组织特异性表达和时相性Tissue-specific gene expressionmultiple organ/tissue pattern (sonic hedgehog gene)Specific tissue, cell lineage or cell typeIndividual cells (TCR)Intracellular distribution第十三张，PPT共九十九页，创作

6、于2022年6月 组织特异性表达和时相性 (Cont)Temporal restriction of gene expressionCell cycle stageDevelopmental stageDifferentiation stageInducible expression第十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月基因表达调控的生理意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化第十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因转录激活调节基本因素特异DNA序列调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶第十六张，PPT共九

7、十九页，创作于2022年6月第一节原核生物基因表达的调控第十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月一 转录水平的调控（一）影响转录的因素启动子因子阻遏蛋白正调控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰减子第十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月操纵子（operon）调控区信息区启动子操纵基因第十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月启 动 子决定转录方向及模板链： E. coli的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。起始部位（initiation site） 1结合部位（binding site） -10bp，RNA聚合酶与之结合 T80A95T45A60A50T96识别

8、部位（recognition site） -35bp，因子与之结合 T82G78A65C54A95第二十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月因子不同的因子可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化可由到产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor）与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。第二十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月正调控蛋白与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。CAP蛋白(catabolic gene activator protein，CAP) 分解代谢物基因活化蛋白ntrC蛋白 是大肠杆菌氮代谢基因激

9、活蛋白，其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节第二十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月consensusTATA (Pribnow) boxE. coli Promoters 第二十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。衰减子（attenuator）又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。第二十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月RNA聚合酶抑制物细菌在

10、缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止这种现象称为严谨反应（stringent response）第二十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Positive vs. Negative Regulation 第二十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Allosteric EffectorsBinding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator.第二十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（二） 转录的调控

11、机制乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制第二十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1.乳糖操纵子（lac operon）结构特点三个结构基因Z、Y、A，分别编码-半乳糖苷酶(-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase)其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O）启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点第二十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Organization of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiation

12、第三十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Regulation of Gene ExpressionIPTG also induces Splits lactose lactosetransport?（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖第三十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第三十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月cAMPAMPACAdenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of LacAdenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (

13、cAMP) from ATPHigh glucose adenylate cyclase is inhibited (indirectly, via a catabolic product)Therefore cAMP levels are LOWAbsence of glucose adenylate cyclase is NOT repressedTherefore cAMP levels are HIGHcAMP forms a complex with the CAP protein, which allows it to then bind to the CAP site upstr

14、eam of the Lac operon. Binding of the CAP protein is required to allow RNA polymerase to bind to the lac promoter and turn on transcription. In the absence of CAP binding, there is no (or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose.glucose第三十三张，PPT共九十九页，创作于2022年

15、6月CAP Binding Bends DNAvThis DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding第三十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月CAP mediates glucose repression of LacPromotes transcription第三十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调控机制I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏

16、蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。第三十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Lactose Glucose- +- -+ -+ +LacICAP-cAMPFour States of the Lac Operon第三十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）结构特点结构基因 B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖调控区 由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成第三十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月CAP第三十九

17、张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调控机制C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC， AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。第四十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月The Arabinose Operon This loop prevents RNA transcription (NOT true for all loops)No Arabinose present, operon OFFArabinose present, Gluco

18、se absent, operon ON第四十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调控作用有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放第四十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.色氨酸操纵子（trp operon）结构特点E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸，上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成R基因编码阻遏蛋白第四十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第四十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Genomic Organization of the Trp Ope

19、ron 第四十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调控机制阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。调控作用将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。第四十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Control of Gene Expression in the Trp OperonThe enzyme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by

20、Trp (feedback control).In the presence of Trp, a repressor protein binds to an operator upstream of the Trp operon and shuts off transcriptionAttenuation. There is a 160 base pair region in the Trp mRNA that causes transcription to terminate prematurely if Trp is present. 第四十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Tr

21、ranscriptional Control第四十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Attenuation Control第四十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月二 翻译水平的调控SD序列（Shine-Dalgarno sequence）原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于起始密码子上游SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用第五十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月mRNA的稳定性mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关第五十一张，PPT共九十

22、九页，创作于2022年6月翻译产物对自身翻译的影响核糖体蛋白 50种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合翻译终止因子RF2调节自身的翻译 前25个密码子与后315个密码子间的UGAC在无RF2时框移第五十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月小分子RNA的调控作用调整基因表达产物的类型 mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA，micRNA） 低水平表达基因的调控 小分子RNA阻遏物在翻译水平严格控制低水平基因表达第五十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第二节 真核

23、基因的表达调控的特点第五十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月真核基因的表达的特点基因组庞大、结构复杂、大量重复序列断裂基因 （内含子和外显子）单顺反子 （monocistron）核小体为单位的染色体结构转录和翻译在时间和空间上分开第五十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月一 DNA水平的调控染色质丢失 低等生物及动物红细胞，不可逆基因扩增基因重排 基因片段改变原衔接顺序，重排为完整的转录单位第五十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月DNA甲基化 与基因的表达成反比关系直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合5端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合D

24、Nase高敏感区为去甲基化的标志染色质结构改变 组蛋白与DNA结合与解离非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对基因表达的抑制第五十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Epigenetics第五十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Epigenetic inheritance is defined as cellular information, other than the DNA sequence itself, that is heritable during cell division. There are three main, inter-related typ

25、es of epigenetic inheritance: DNA methylation, genomic imprinting and histone modification第五十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Box 1 | The three main types of epigenetic information Cytosine DNA methylation is a covalent modification of DNA, in which a methyl group is transferred from S-

26、adenosylmethionine to the C-5 position of cytosine by a family of cytosine (DNA-5)-methyltransferases. DNA methylation occurs almost exclusively at CpG nucleotides and has an important contributing role in the regulation of gene expression and the silencing of repeat elements in the genome. Genomic

27、imprinting is parent-of-origin-specific allele silencing, or relative silencing of one parental allele compared with the other parental allele. It is maintained, in part, by differentially methylated regions within or near imprinted genes, and it is normally reprogrammed in the germline. Histone mod

28、ifications including acetylation, methylation and phosphorylation are important in transcriptional regulation and many are stably maintained during cell division, although the mechanism for this epigenetic inheritance is not yet well understood. Proteins that mediate these modifications are often as

29、sociated within the same complexes as those that regulate DNA methylation.第六十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月5-aza-2-deoxycytidine(5-azaCdR), an inhibitor of DNA methylation,第六十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Hypomethyla

30、tion of DNA has mechanisticimplicationsFirst, it can lead to gene activation.Second, a cellular methylator phenotype has been linked to mismatch repair, first by Lengauer and colleagues, who showed that cancer cells that are deficient in DNA mismatch repair silenced retroviral construct promoters by

31、 DNA methylation.Third, Ehrlich and colleagues recently linked tumour hypomethylation in cancer to chromosomal instabilityFourth, hypomethylation is a mechanism of drug, toxin and viral effects in cancer. A common polymorphism of methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR), which is involved in bios

32、ynthesis of the methylationprecursor S-adenosylmethionine第六十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月First, ATP-dependent DNA helicases of the SNF2 family the catalytic components of SWI/SNF chromatin-remodelling complexes are essential for maintaining normal DNA methylation. Individuals with the develop mental disord

33、er ATRX (-thalassaemia,myelodysplasia) have mutations in the ATRXgene, which encodes a SNF2-family helicase.A second chromatin protein that has been linked to hypomethylation and cancer was recently identified by Muegge and colleagues, who found that Lsh, a SNF2-familymember, is required for mainten

34、ance of normal methylation.第六十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Box 2 | An X connectionIn the background of the discoveries that link CpG-island methylation and gene inactivation is a large body of important correlative and mechanistic data that are related to X chromosome inactivation. For example, an early cl

35、ue to a role in gene silencing came from studies of Mohandas et al.,who showed in 1981 that 5-aza-2-deoxycytidine (5-azaCdR), an inhibitor of DNA methylation could reactivate the inactive X chromosome176. The discovery of the functional significance of what are now termed CpG islands also came from

36、studies of the Xchromosome.Wolf,Migeon and colleagues showed in 1984 that clusters of CpG dinucleotidesare specifically methylated on the inactive X chromosome and reactivated with 5-azaCdR177.These were later extensively characterized and termed CpG islands by Adrian Bird and colleagues,who found t

37、hat they were common in the promoters of autosomal genes178. Studies from the Gartler laboratory showed that gene reactivation on the inactive X chromosome is associated with large regions of promoter demethylation after 5-azaCdR treatment, indicating a causal relationship between methylation and ge

38、ne silencing on the inactive X chromosome. Incidentally, a peculiarity of the DNA methylation literature is the term CpG: what else connects the two sugars but a phosphate? After all, we dont say TpApTpA box! The connection between epigenetic gene silencing and chromatin modifications, another theme

39、 that is increasingly important in the progress of cancer epigenetics, was also highlighted early on in studies of X inactivation with memorable images of 45 human chromosomes intensely stained by an antibody specific for acetylated histone H4,with the lone inactive X chromosome globally deacetylate

40、d and unstained.第六十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月a CpG-island methylator phenotype termed CIMP in human cancer第七十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Loss of imprinting in cancerhydatidiform moles and ovarian teratomas,from two neurodevelopmental disorders, PraderWilli syndrome (PWS) and Angelman syndrome(AS).parent-of-ori

41、gin bias in LOH for chromosome 11p15 alleles in Wilms tumours and embryonal rhabdomyosarcomas,with invariable loss of maternal and duplication of paternal alleles67BeckwithWiedemann syndrome (BWS), which causes prenatal overgrowth, birth defects (including a large tongue, ear creases and abdominal-w

42、all closure defects) and predisposition to various embryonal tumours of childhood including Wilms tumour.第七十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第七十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第七十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月二 转录水平的调控 (一) 转录起始复合物的形成:真核生物的RNA聚合酶识别的不是单纯的DNA序列，而是由一个通用转录因子（transcription factor,TF）与DNA形成的蛋白质-DNA复合物TFIID结合TATA盒RNA聚合

43、酶结合TFD，形成闭合的复合物其它TF与RNA聚合酶形成开放的复合物第七十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（二）反式作用因子真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：DNA结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域第七十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月DNA Structure Major and Minor Grooves第七十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月DNA结合域（DNA-binding domain）锌指结构（Zinc finger motif）同源结构域（Homoedomain）亮氨酸

44、拉链（Leucine zipper）螺旋环螺旋(Helix-loop-helix structure)碱性 螺旋（Alkaline -helix）第七十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Zinc Finger Motif第七十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Helix-Turn-Helix Motif第七十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Leucine Zipper第八十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Leucine ZipperZipper: every 7th residue is a Leu Hydrophobic interface第八十一张

45、，PPT共九十九页，创作于2022年6月H-Bonding in a Protein-DNA Interaction第八十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月转录活化结构域（transcriptional activation domain）酸性-螺旋结构域（acidic helix domain）富含谷氨酰胺结构域（glutamine-rich domain）富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）第八十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（三）转录起始的调控反式作用因子的活性调节表达式调节 合成后即有活性，不能积累共价修饰 磷酸化、去磷酸化，糖基化配体结合 激素受体蛋白质与蛋白质相互作用 复合物的解离与形成第八十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子的作用方式成环扭曲滑动Oozing反式作用因子的组合式调控作用组合式基因调控（conbinatorial gene regulation）几种反式作用因子组合而发挥特定作用第八十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 三. 转录后水平的调控加帽和加尾的调控意义选择剪接的调