核酸的生物学功能课件

第第1616章章 基因表达的调节基因表达的调节 （一）基本概念及原理（一）基本概念及原理 （二）原核生物基因表达的调节（二）原核生物基因表达的调节 （三）真核生物基因表达的调节（三）真核生物基因表达的调节第16章 基因表达的调节1 （一）基本概念及原理（一）基本概念及原理 1.1.基本概念基本概念 2.2.基因表达的规律基因表达的规律 3.3.基因表达的方式基因表达的方式 4.4.基因表达调节的基本原理基因表达调节的基本原理 （一）基本概念及原理 2 1.1.基本概念基本概念 基因（基因（genegene）指一段编码蛋白质多肽链指一段编码蛋白质多肽链或功能或功能 RNA RNA 的的 DNA DNA。基因表达基因表达（gene expressiongene expression）指在某指在某一基因指导下，合成蛋白质的过程。一基因指导下，合成蛋白质的过程。基因表达调节基因表达调节（regulation of gene regulation of gene expressionexpression）指对基因表达过程的调节。指对基因表达过程的调节。1.基本概念 基因（gene）指一段编码3 2.2.基因表达的规律基因表达的规律 一种生物含有大量的基因，基因表达表一种生物含有大量的基因，基因表达表现为现为严格的规律性严格的规律性，即，即：时间特异性时间特异性 这些基因在生命活动过程中这些基因在生命活动过程中并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，并不都是一齐开放表达，而是在有些时候，一些基因进行表达，另一些基因则关闭。一些基因进行表达，另一些基因则关闭。空间特异性空间特异性 在同一时间，不同的组织在同一时间，不同的组织器官，有些基因表达，而有些基因关闭。器官，有些基因表达，而有些基因关闭。2.基因表达的规律 一种生物含有大量的基因，基4 例如，母牛只有在例如，母牛只有在分娩分娩小牛后开始泌小牛后开始泌乳时，乳时，乳腺乳腺中的各种蛋白质基因才开始表中的各种蛋白质基因才开始表达，产生各种乳蛋白。达，产生各种乳蛋白。核酸的生物学功能课件5 3.3.基因表达的方式基因表达的方式 （1 1）组成性表达）组成性表达 （2 2）诱导和阻遏表达）诱导和阻遏表达 3.基因表达的方式6 （1 1）组成性表达）组成性表达 有些基因的表达产物，在生命活动的全过有些基因的表达产物，在生命活动的全过程中都是必需的，程中都是必需的，通常把一个生物个体整个生通常把一个生物个体整个生命过程中几乎所有组织细胞中都持续表达的基命过程中几乎所有组织细胞中都持续表达的基因称为因称为管家基因（管家基因（housekeeping genehousekeeping gene）。管家。管家基因的表达很少受环境变化影响，基因的表达很少受环境变化影响，这类基因的这类基因的表达方式称为表达方式称为组成性基因表达（组成性基因表达（constitutive constitutive gene expressiongene expression）。（1）组成性表达 有些基因的表达产7 （2 2）诱导和阻遏表达）诱导和阻遏表达 与持家基因不同，有一些基因的表达，极易受环与持家基因不同，有一些基因的表达，极易受环境变化的影响，境变化的影响，在在特定环境信号特定环境信号刺激下，这类基因刺激下，这类基因表达水平，可呈现升高或降低的现象表达水平，可呈现升高或降低的现象。诱导表达（诱导表达（induction expressioninduction expression）基因激基因激活，基因表达产物增加。活，基因表达产物增加。阻遏表达（阻遏表达（repression expressionrepression expression）基因关闭基因关闭或表达下降，表达产物减少。或表达下降，表达产物减少。生物体内一般为功能相关基因的生物体内一般为功能相关基因的协调表达协调表达（coordinance expressioncoordinance expression）。（2）诱导和阻遏表达 与持家基因不同，8 4.4.基因表达调节的基本原理基因表达调节的基本原理 （1 1）特异）特异DNADNA序列作用序列作用 对对基基因因转转录录激激活活的的调调节节，如如增增强强子子（enhancerenhancer）、沉默子（沉默子（silencersilencer）。（2 2）调节蛋白的作用）调节蛋白的作用 有有特特异异因因子子（specific specific factorfactor,如如转转录录启启始始因因子子）、阻阻 遏遏 蛋蛋 白白（reoressorreoressor）和和 激激 活活 蛋蛋 白白（activatoractivator）对对转转录录起起始始的的调调节节、影影响响RNARNA聚聚合合酶酶活性等。活性等。4.基因表达调节的基本原理 （1）特异9 基因水平基因水平基因活化；基因活化；转录水平转录水平转录起始；转录起始；转转录录后后水水平平转转录录后后加加工工、mRNA mRNA 降降解解速度；速度；翻译水平翻译水平蛋白质的翻译；蛋白质的翻译；翻翻译译后后水水平平翻翻译译后后加加工工修修饰饰、蛋蛋白白质质降解。降解。可以在几个水平上进行调节可以在几个水平上进行调节 基因水平基因活化；可以在几个水平上10 （1 1）转录水平的调节）转录水平的调节 控制从控制从DNADNA模板上转录模板上转录mRNAmRNA的速度的速度,减少减少合成蛋白所需各种材料的浪费，十分经济。合成蛋白所需各种材料的浪费，十分经济。（2 2）翻译水平的调节）翻译水平的调节 控制从控制从mRNAmRNA翻译成多肽链的速度。翻译成多肽链的速度。大多数生物大多数生物多采用转录水平的调节多采用转录水平的调节，翻译，翻译水平调节较少。水平调节较少。最为有效的调节表现在两个层次上最为有效的调节表现在两个层次上 （1）转录水平的调节 最为有效的调节表现在11 （二）原核生物基因表达的调节（二）原核生物基因表达的调节 1.1.乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制转录水平转录水平 2.2.色氨酸操纵子调节机制色氨酸操纵子调节机制转录水平转录水平 3.3.翻译水平调节翻译水平调节 （二）原核生物基因表达的调节12 操纵子调节模式操纵子调节模式 操纵子（操纵子（operon）是原核生物基因组的一个是原核生物基因组的一个表达调控序表达调控序列列。它包括参与同一代谢途径几个酶基因编码在一起形成的它包括参与同一代谢途径几个酶基因编码在一起形成的结构基因（结构基因（structural gene）、结构基因前面的、结构基因前面的调节基因调节基因（regulatory gene，R）、操纵基因（操纵基因（operator，O）和和启启动基因（动基因（promoter，P）。imRNA-半乳糖苷酶 透酶 转乙酰基酶ipzyao mRNA 操纵子调节模式13imRNA-半乳糖苷酶透酶转乙酰基酶ipzyao mRNA 乳糖操纵子（乳糖操纵子（lac operon）的结构）的结构 1.1.乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制imRNA-半乳糖苷酶透酶转乙酰基酶ipzyao mRNA14 （1 1）乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节）乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节 imRNA阻遏物与 操纵基因结合,阻止了和的转录zya,ipzya 没有乳糖时，不需要降解乳糖的酶没有乳糖时，不需要降解乳糖的酶 imRNA阻遏物与操纵基因结合,阻止了和的转录zya,i15 乳糖操纵子的诱导表达乳糖操纵子的诱导表达imRNA-半乳糖苷酶透酶转乙酰基酶阻遏物诱导剂复合物ipzyao lacmRNA 乳糖 有乳糖时，需要降解利用乳糖的酶有乳糖时，需要降解利用乳糖的酶（诱导剂）（诱导剂）imRNA-半乳糖苷酶透酶转乙酰基酶阻遏物诱导剂复合16 操纵子的作用操纵子的作用 当代谢需要结构基因表达酶时当代谢需要结构基因表达酶时，操纵子，操纵子开放，结构基因转录生成开放，结构基因转录生成 mRNA mRNA，并表达生，并表达生成相关酶参加代谢。成相关酶参加代谢。当代谢不需要结构基因表达酶时当代谢不需要结构基因表达酶时，结构基，结构基因不被转录，或以代谢以很低的速度进行。因不被转录，或以代谢以很低的速度进行。这是一个这是一个典型的转录水平调节模式典型的转录水平调节模式。操纵子的作17 2.2.色氨酸操纵子的调节机制色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（Trp operonTrp operon）的的阻遏物阻遏物是由距是由距色氨酸操纵子较远的色氨酸操纵子较远的调节基因调节基因合成的一个合成的一个58Ku58Ku的蛋的蛋白质，色氨酸白质，色氨酸为为辅阻遏物（辅阻遏物（corepressorcorepressor）。当机体当机体色氨酸色氨酸不足时，不足时，阻遏物阻遏物游离存在，不能游离存在，不能与操纵基因结合，与操纵基因结合，5 5个结构基因得以转录和表达，编个结构基因得以转录和表达，编码的码的3 3种酶催化生成色氨酸。种酶催化生成色氨酸。当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏物形当机体生成的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏物形成成复合物复合物，此复合物可结合，此复合物可结合操纵基因操纵基因，阻止结构基，阻止结构基因的转录。因的转录。2.色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸操纵子（T18 反馈阻遏反馈阻遏 这种以终产物阻止该产物基因这种以终产物阻止该产物基因转录的机理称为转录的机理称为反馈阻遏反馈阻遏。此终产物（色氨。此终产物（色氨酸）称为酸）称为辅阻遏物（辅阻遏物（corepressorcorepressor）。反馈阻遏的优点反馈阻遏的优点 造成在色氨酸充足时，造成在色氨酸充足时，完全阻断转录；在色氨酸水平下降到很低完全阻断转录；在色氨酸水平下降到很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡定。样易于保持细菌细胞中色氨酸水平的衡定。反馈阻遏 这种以终产物阻止该产物基因19 3.3.翻翻译水平的水平的调节 反义反义RNARNA（antisence RNAantisence RNA）是一种与是一种与mRNAmRNA互补的互补的RNARNA分子，它与分子，它与mRNAmRNA结合后即阻断结合后即阻断mRNAmRNA的翻译，从而调节基因的表达。的翻译，从而调节基因的表达。3.翻译水平的调节 20 反义反义RNARNA的应用的应用 反义反义RNARNA调控的特点是调控的特点是高度特异性高度特异性，一种一种反义反义RNARNA抑制一种抑制一种mRNAmRNA。可人工设计合成反义可人工设计合成反义RNARNA，抑制靶基因的，抑制靶基因的表达，从而达到治疗疾病的目的，即表达，从而达到治疗疾病的目的，即基因治基因治疗疗。如乙肝病毒、爱滋病病毒（如乙肝病毒、爱滋病病毒（HIVHIV）等都是）等都是单链单链RNARNA病毒，可利用病毒，可利用反义反义RNARNA抑制其在体内抑制其在体内的复制。再如可用反义的复制。再如可用反义RNARNA抑制抑制癌蛋白癌蛋白的表达。的表达。反义RNA的应用 反义RNA调控21 1.真核生物基因组的结构特点真核生物基因组的结构特点 （1 1）真核生物基因组约占全部）真核生物基因组约占全部DNADNA序列的序列的2 2 此外尚有此外尚有5 5-10-10的的rRNArRNA等重复基因，其余等重复基因，其余8080-90-90的哺乳类的哺乳类DNADNA序列可能没有直接的遗传学序列可能没有直接的遗传学功能。功能。（三）真核生物基因表达的调节（三）真核生物基因表达的调节 1.真核生物基因组的结构特点 （1）真22 组蛋白组蛋白与与 DNA DNA 结合，结合，可保护可保护DNADNA免受损伤，维持免受损伤，维持基因组稳定性，抑制基因的表达，去除组蛋白则基基因组稳定性，抑制基因的表达，去除组蛋白则基因转录活性增高。因转录活性增高。组蛋白的许多侧链可以被乙酰化、甲基化、磷组蛋白的许多侧链可以被乙酰化、甲基化、磷酸化修饰酸化修饰 ，改变组蛋白的电荷性质，改变染色体，改变组蛋白的电荷性质，改变染色体的基因结构，进而影响的基因结构，进而影响DNADNA的复制和转录的机会。的复制和转录的机会。这种组蛋白与这种组蛋白与DNADNA结合与解离是真核生物基因表结合与解离是真核生物基因表达调节的重要机制之一。达调节的重要机制之一。（2 2）染色质的独特结构）染色质的独特结构核小体核小体结构结构 组蛋白与 DNA 结合，可保护DNA免受损伤，维持（223 2.真核生物基因表达调节的特点真核生物基因表达调节的特点 （1 1）为多级调节系统）为多级调节系统 基因表达的调节基因表达的调节可以发生在可以发生在DNADNA水平（转录前水平）、转录水水平（转录前水平）、转录水平、平、转录后水平、翻译水平、翻译后水平；转录后水平、翻译水平、翻译后水平；（2 2）正性调节占主导）正性调节占主导 采用采用正性调节正性调节机机制更有效制更有效 ，采用，采用负性调节负性调节不经济。不经济。2.真核生物基因表达调节的特点 （124 3.3.真核基因转录起始的调节真核基因转录起始的调节 转录水平的调节转录水平的调节是真核生物基因表达调节是真核生物基因表达调节中最重要的环节中最重要的环节。调节作用：调节作用：主要主要通过通过调控蛋白与调控蛋白与DNADNA调控调控序列序列、调控蛋白与调控蛋白与RNARNA聚合酶聚合酶、调控蛋白与调控蛋白与调控蛋白调控蛋白的相互作用来完成的相互作用来完成。3.真核基因转录起始的调节 转录水平的调节是真25 （1 1）顺式作用元件）顺式作用元件 为为DNADNA分子上的调节序列，主要有：分子上的调节序列，主要有：启动子（启动子（promoterpromoter）增强子（增强子（enhancerenhancer）沉默子沉默子（silencersilencer），当其结合特异，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（1）顺式作用元件 为DNA分子上的调节26 （2 2）反式作用因子）反式作用因子 反式作用因子的主要特点反式作用因子的主要特点 A.A.为能识别并结合为能识别并结合DNADNA顺式作用元件的调顺式作用元件的调控蛋白；控蛋白；B.B.激活和阻遏基因的表达；激活和阻遏基因的表达；C.C.可能还要通过与可能还要通过与RNARNA聚合酶结合或其它聚合酶结合或其它反式因子共同作用。反式因子共同作用。（2）反式作用因子 反式作用因27 反式作用因子结构域模式反式作用因子结构域模式 A.DNA A.DNA结合域结合域 B.B.蛋白质结合域蛋白质结合域 C.C.转录活性域转录活性域 反式作用因子结构域模式28 A.反式作用因子与顺式作用元件的结合反式作用因子与顺式作用元件的结合 反式反式作用因子的作用因子的DNADNA结合域结合域模式模式主要有：主要有：锌指锌指和和螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋 。A.反式作用因子与顺式作用元件的结合 反式29 锌指（锌指（zinc fingerzinc finger）是在保守的半胱氨酸和组氨酸残基形成的是在保守的半胱氨酸和组氨酸残基形成的四面体结构中镶着一个锌原子。四面体结构中镶着一个锌原子。约约2323个氨基酸组成。通常成串重复个氨基酸组成。通常成串重复排列。锌指间排列。锌指间7-87-8氨基酸，不同蛋白质的锌指数目不同。含有锌指氨基酸，不同蛋白质的锌指数目不同。含有锌指的调控蛋白在与的调控蛋白在与DNADNA结合时，是结合时，是锌指的尖端进入到锌指的尖端进入到DNADNA的大沟或小沟，的大沟或小沟，以识别它特异结合的以识别它特异结合的DNADNA序列并与之结合序列并与之结合。迄今仅在真核生物中发迄今仅在真核生物中发现有锌指蛋白现有锌指蛋白，在原核中尚未发现。，在原核中尚未发现。锌指（zinc finger）是在保守的半胱氨酸和组氨30 与其他蛋白质结合与其他蛋白质结合（RNARNA聚合酶、其它调聚合酶、其它调控蛋白）控蛋白）的的蛋白质结合域模式蛋白质结合域模式。这种与蛋白质结合的结构域也有几种，这种与蛋白质结合的结构域也有几种，比较清楚的有比较清楚的有亮氨酸拉链亮氨酸拉链和和螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋两两种。种。B.调控蛋白与蛋白质结合的结构域调控蛋白与蛋白质结合的结构域 与其他蛋白质结合（RNA聚合酶、其它调控蛋白）的蛋白31 在蛋白质的在蛋白质的-螺旋一侧集中了许多疏水氨基螺旋一侧集中了许多疏水氨基酸，一般约每酸，一般约每7 7个氨基酸残基出现一个亮氨酸。即个氨基酸残基出现一个亮氨酸。即亮氨酸都出现在亮氨酸都出现在-螺旋的疏水一侧，呈直线排列。螺旋的疏水一侧，呈直线排列。当当蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用时两个时两个-螺旋的亮氨酸螺旋的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来犹如拉链，因而称为残基是肩并肩地排列起来犹如拉链，因而称为亮氨亮氨酸拉链（酸拉链（leucine zipperleucine zipper，P298P298 ）。亮氨酸拉链亮氨酸拉链广泛地存在于真核生物调节蛋白中广泛地存在于真核生物调节蛋白中，原核生物中也，原核生物中也有发现。有发现。亮亮 氨氨 酸酸 拉拉 链链 在蛋白质的-螺旋一侧集中了许多疏水氨基 32核酸的生物学功能课件33