发育及环境应答的基因表达调控

发育及环境应答

的基因表达调控概述

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主要内容

什么是基因表达调控？基因表达调控的层次原核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控基因表达调控的生物学意义当前2页，总共60页。

基因表达

是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。

基因表达调控对这个过程的调节。当前3页，总共60页。基因表达的特异性和表达方式

时间特异性空间特异性组成性表达诱导和阻遏表达协调表达

当前4页，总共60页。基因表达的多级调控

基因结构活化

DNA水平

转录起始转录后加工转录后水平转录产物的转运翻译调控翻译水平翻译后加工当前5页，总共60页。原核生物的基因表达调控DNA水平的调控

☆DNA重组☆启动子序列转录水平的调控

☆转录起始阶段：不同的σ因子、操纵子模型☆转录终止阶段：抗终止作用、RNA开关翻译水平的调控☆反义RNA的正负调控☆翻译控制☆自体调控☆mRNA的稳定性☆应急反应6当前6页，总共60页。在DNA水平的调控DNA重组

DNA重组可以改变控制基因与受控基因之间的距离和方向，因而可以调控基因表达。启动子序列：不同类型的启动子与基因表达的关系组成型启动子弱启动子强启动子一般与一致序列相同或相近缺乏一个或多个一致序列元件与一致序列相同或接近恒定的转录速率低转录速率高转录速率可能不受其它形式的调控经常需要激活蛋白经常受到阻遏7当前7页，总共60页。转录起始阶段的调控不同σ因子的选择使用例一：几个热激基因的转录例二：SPO1噬菌体在不同时期基因表达操纵子模型乳糖操纵子色氨酸操纵子8当前8页，总共60页。σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控9当前9页，总共60页。σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系10当前10页，总共60页。

乳糖操纵子调节机制控制区信息区结构基因(S)操纵序列（O）启动序列（P）调节基因（I）CPA当前11页，总共60页。（一）阻遏蛋白的负性调节作用I阻遏蛋白

无乳糖存在时，结构基因受阻遏当前12页，总共60页。

有乳糖存在时，结构基因表达当前13页，总共60页。2CAPCAP位点

阻遏蛋白

操纵序列RNA聚合酶无葡萄糖，无乳糖②无葡萄糖有乳糖③有葡萄糖，无乳糖④有葡萄糖，有乳糖

启动序列cAMPmRNA5'（二）CAP的正性调节作用③①②④当前14页，总共60页。当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时

细胞中cAMP浓度降低

缺乏乳糖与阻遏蛋白结合

CAP失活

阻遏蛋白与操纵基因结合

CAP及RNA聚合酶不能与启动基因结合

基因转录被阻遏

阻遏蛋白的负性调节当前15页，总共60页。

当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时

细胞中cAMP浓度升高

乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合

cAMP与CRP结合并使之激合

促使阻抑蛋白与操纵基因分离

CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合

基因转录激活

CAP的正性调节当前16页，总共60页。O阻遏蛋白（无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导trpL衰减子

结构基因

调控区色氨酸操纵子的调节机制

色氨酸合成的酶蛋白当前17页，总共60页。转录终止阶段的调控RNA开关许多细菌内存在一些特殊的双功能mRNA，在非编码区含有特定代谢物的特异性结合位点，充当基因表达的开关，代谢物的结合会改变mRNA的构象：

-提高转录的终止效率

-降低翻译的效率

-影响到mRNA的后加工从而改变一个基因的表达。RNA开关（也称核开关）就是指这一类特殊的mRNA。18当前18页，总共60页。核酶核开关的调控机制19当前19页，总共60页。转录终止阶段的调控抗终止子转录的终止依赖于终止子，不同终止子的作用有强弱之分。有的蛋白质因子能作用于终止子序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用，这些蛋白因子就称为抗终止因子；也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。两种情况都可以用来调节基因的表达。20当前20页，总共60页。BglG蛋白的抗终止作用21当前21页，总共60页。翻译水平上的调控反义RNA的正负调控翻译控制自体调控mRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控SOS反应22当前22页，总共60页。反义RNA的负调控和正调控

23当前23页，总共60页。翻译控制

翻译控制是指转录产物本身的结构控制其翻译的过程mRNA的二级结构和稳定性mRNA是翻译的模板，延长它的稳定性也必然会使翻译的效率提高24当前24页，总共60页。自体调控自体调控是指一个基因产物对自己的基因表达产生激活或抑制的现象。它既可以在转录水平上，也可以在翻译水平上进行。25当前25页，总共60页。应急反应细菌细胞在氨基酸饥饿的时候，胞内发生各种变化：rRNA和tRNA合成量的急剧下降（10倍-20倍）；mRNA合成下降（约3倍）；蛋白质降解加强；核苷酸、碳水化合物和脂的合成下降。应急反应的意义在于使细胞“勒紧裤带”，节省能量，以渡过难关。26当前26页，总共60页。原核生物基因表达调控的特点

主要在转录水平进行调节1）σ因子的特异启动作用

2）操纵子调控机制具有普遍性3）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性27当前27页，总共60页。

真核生物的基因表达调控RegulationofGeneExpressioninEukaryotes28当前28页，总共60页。真核生物与原核生物在

调控机制上的主要差异调控的原因调控的层次：调控的手段：29当前29页，总共60页。真核生物基因表达调控的特点真核生物表达调控与原核生物的不同：（1）染色体结构不同,存在特有的染色质水平调节；（2）真核生物目前已知的主要是正调控；（3）真核生物的转录和翻译在时空上是分开的；（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。30当前30页，总共60页。多层次调控31当前31页，总共60页。染色体水平的调控

一个基因在表达前后，其所在位置的染色质结构会发生重塑或重建。

组蛋白调控非组蛋白调控基因缺失基因扩增基因重排32当前32页，总共60页。组蛋白对基因活性的影响机制占先模型（pre-emptivemodel）动态模型（dynamicmodel）33当前33页，总共60页。34当前34页，总共60页。组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系

35当前35页，总共60页。组蛋白的乙酰化-去乙酰化的生物功能：组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信号”，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应的启动子上，促进转录前起始复合物的装配；36当前36页，总共60页。非组蛋白（NHP)

非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。37当前37页，总共60页。基因的丢失：不可逆某些真核生物随细胞的分化丢失了染色体上的某些DNA片段的现象称为基因丢失，基因扩增：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体。药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加。基因重排(generearrangement)：如免疫球蛋白基因重排，多样性。38当前38页，总共60页。DNA水平上的调控DNA甲基化（DNAMethylation)启动子的选择使用DNA印记

39当前39页，总共60页。DNA甲基化与转录抑制甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的调控能力越强。去甲基化(undermethylated)：基因转录激活40当前40页，总共60页。甲基化以两种方式调控基因的表达（1）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白质之间的相互作用；例如活性基因和管家基因CpG岛的区别（2）甲基化改变DNA的正常构型。

例如DNA甲基化与X染色体失活41当前41页，总共60页。42当前42页，总共60页。启动子的选择使用某些真核生物的基因不止一个启动子，例如，抗肌营养不良蛋白有8个启动子，通过使用不同的启动子可转录出不同长度的mRNA，它们经过翻译可产生不同性质或功能的蛋白质产物。43当前43页，总共60页。DNA印记基因组印记：哺乳动物的某些等位基因性状的表达由于基因的来源不同而呈现出差异，甚至只表达单一亲系来源（父源或母源）的基因版本。如人类的亨延顿氏舞蹈病，其基因突变是来自父源或母源基因的甲基化。44当前44页，总共60页。真核基因转录水平的调控

顺式作用元件(cis-actingelement）

反式作用因子(trans-actingFactor)45当前45页，总共60页。46当前46页，总共60页。真核生物在转录水平进行基因表达调控的主要方式47当前47页，总共60页。反式作用因子的结构与功能（1）通用或基本转录因子—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。如：TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等。（2）特异转录因子(specialtranscriptionfactors)—个别基因转录所必需的转录因子.如：OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。48当前48页，总共60页。反式作用因子的结构特点（1）三个功能结构域：DNA结合结构域(DNA-bindingdomain)；转录激活结构域(transcriptionalactivationdomain)；二聚化结构域。（2）能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)（3）正调控与负调控49当前49页，总共60页。选择性加尾可变剪接(alternativesplicing)RNA干扰真核基因转录后水平的调控

50当前50页，总共60页。选择性加尾很多真核生物基因的3′-端含有2个或2个以上的加尾信号，使用不同的加尾信号将导致产生不同长度或不同性质的mRNA。选择性加尾可能会改变编码区的长度，也可能会保留或去除位于3′-UTR内影响mRNA稳定性的特定信号。前一种情形是导致一个基因编码不同的多肽产物的另外一种途径，有时它与选择性剪接组合使用可进一步扩大蛋白质的多样性。生物信息学研究表明，高等生物约25%的基因可能发生选择性加尾。51当前51页，总共60页。可变剪接它是指一种mRNA前体在剪接反应中某些区段的序列可能被保留，也可能被排除，从而得到几种不同成熟mRNA产物的过程，它是高等真核生物蛋白质多样性产生的重要来源。选择性剪接可能是组成型的，也可能是受到调控的。四种方式：（1）外显子跳过（2）内含子保留（3）可变的3′-剪接位点的使用