基因表达的调控课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十五章,基因表达的调控,第十五章基因表达的调控,1,基因表达(真核),基因的活化转录转录后加工mRNA转运到细胞质翻译翻译后加工,基因表达的调控,适应环境、维持生长和发育需要,主要是,转录,水平的调控,基因表达(真核),2,第一节,原核生物基因表达的调控,第一节原核生物基因表达的调控,3,适应外界条件的变化,方式：,诱导合成,(正调控)或,阻遏合成,(负调控)一些相应的蛋白质,特点：,转录与翻译偶联,，快速,调控机制,操纵子,乳糖操纵子可诱导操纵子，负、正调控,转录起始的调控,色氨酸操纵子可阻遏操纵子，负调控,转录起始、终止的调控,适应外界条件的变化,4,操纵子,(operon),结构基因,启动基因,(promoter),操纵基因,(operator),其他调控基因,原核生物中一些成簇排列、相互协同的基因所组,成的单位。,一个操纵子结构基因(26)启动基因操纵基,因(其他调控基因),操纵子(operon)结构基因启动基因操纵基因其他调控基因,5,I,P,O,Z,Y,a,控制位点,结构基因,DNA,阻遏物,启动子,操纵基因,-半乳糖苷酶,通透酶,转乙酰基酶,1.乳糖操纵子的结构和诱导剂,RNA聚合酶,结合位点,调控基因,一、乳糖操纵子,Lac操纵子,IPOZYa控制位点 结构基因DNA阻遏物启动子,6,乳糖操纵子的发现：,细菌可以以葡萄糖、,乳糖作为碳源,葡萄糖充分时：,与葡萄糖代谢有关的酶基因表达,与其他糖代谢有关的酶基因关闭,葡萄糖耗尽、乳糖存在时(培养基)：,与乳糖代谢有关的酶基因表达,与葡萄糖代谢有关的酶基因关闭,乳糖操纵子的发现：细菌可以以葡萄糖、,7,-半乳糖苷酶对乳糖的作用,-半乳糖苷酶对乳糖的作用,8,2.Lac阻遏物的作用,Lac阻遏物由基因,I,编码,结构特点：,具有4个相同亚基，每个亚基中都有,一个与诱导剂结合的位点,调控机制：,负调控,无诱导剂时,：Lac阻遏物与,O,基因结合，结构基因关闭,有诱导剂时,：Lac阻遏物与诱导剂结合，阻遏物构象改,变，从,O,基因上解离，结构基因开放，RNA,聚合酶结合，转录开始,2.Lac阻遏物的作用Lac阻遏物由基因I编码,9,mRNA,阻遏物,I,DNA,Z,Y,a,O,P,RNA-pol,没有诱导剂存在时,调控基因,mRNA阻遏物IDNAZYaOPRNA-pol没有诱导剂存在,10,mRNA,阻遏物,I,DNA,Z,Y,a,O,P,RNA,-pol,启动转录,mRNA,别位乳糖或IPTG,有诱导剂(别位乳糖或IPTG)存在时,mRNA阻遏物IDNAZYaOPRNA启动转录mRNA别位乳,11,生理性诱导剂：别位乳糖,(allo-lactose),实验常用诱导剂：异丙基硫代半乳糖,(IPTG),Lac操纵子诱导剂,生理性诱导剂：别位乳糖(allo-lactose)Lac操,12,葡萄糖存在时：,优先利用葡萄糖作为能源,分解物阻遏作用,(catabolite repression),葡萄糖的分解产物对其他酶的抑制效应，与,cAMP,有关,葡萄糖,cAMP乳糖操纵子,加入外源cAMP,乳糖操纵子,3.CAP与cAMP复合物在乳糖操纵子表 达中的作用,(-),(+),葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源3.CAP与cAMP复,13,CAP-cAMP复合物的激活作用,CAP,(catabolite gene activator protein)：,有两个相同亚基的蛋白质，都具有与DNA结合的结构域和与cAMP结合的结构域,cAMPCAPCAP-cAMP复合物乳糖操纵子,调控机制：,正调控,(+),CAP-cAMP复合物的激活作用(+),14,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正性调节,Z,Y,a,O,P,CAP位,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,+转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cA,15,mRNA,低乳糖,高乳糖,低葡萄糖,高cAMP,高葡萄糖,低cAMP,RNA-pol,O,O,O,O,P,葡萄糖和乳糖在乳糖操纵子基因表达中的,联系效应,mRNA低乳糖高乳糖低葡萄糖高葡萄糖RNA-polOOOOP,16,原核生物基因(乳糖操纵子)表达调控的一般情况,环境条件的变化是相关基因表达的外界信号,葡萄糖、乳糖浓度的变化,基因表达的,负调控,(negative regulation),Lac,阻遏物与操纵基因,O,结合后抑制了结构基因的表达,基因表达的,正调控,(positive regulation),CAP-cAMP复合物与相应的DNA序列结合后促进基因的表达,原核生物基因(乳糖操纵子)表达调控的一般情况环境条件的变化是,17,二、色氨酸操纵子,P,L,结构基因,前导序列,E,D,C,B,A,O,衰减子区域,二、色氨酸操纵子PL结构基因前导序列EDCBAO衰减子区域,18,Trp,E,D,C,B,A,O,P,RNA聚,合酶,1.阻遏物对色氨酸操纵子的调控,P,L,Trp阻遏物,Trp EDCBAOPRNA聚1.阻遏物对色氨酸操纵子的调,19,衰减子,(attenuator),L,基因5端部分的140核苷酸序列，离,E,基因5端约3060bp,无或低Trp时：转录出全长序列的多顺反子mRNA,高Trp时：衰减子起作用，只有,L,基因5端的140nt的转录产物生成，转录终止,通过,衰减子转录物形成,(转录终止结构),使转录终止,2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控,衰减子(attenuator)2.衰减作用对色氨酸操纵子的,20,前导mRNA,高Trp,低Trp,mRNA,E,D,C,B,A,O,P,RNA聚,合酶,色氨酸操纵子及相应的转录产物,P,L,衰减子,140nt,AUG,6720nt,前导mRNA高Trp低TrpmRNAEDCBAOP RNA聚,21,衰减作用,的基础,转录终止结构,衰减作用转录终止结构,22,终止子结构,UUUU,P,L,前导序列,E,D,C,B,A,O,衰减子区域,前导mRNA,1,2,3,4,Trp密码子,UUUU,UUUU,终止子结构UUUUPL前导序列EDCBAO衰减子区域前导,23,Trp-tRNA,Trp,存在,核糖体通过片段1,(2个Trp密码子),封闭片段2,片段,3,4,形成发夹结构,类似于不依赖因子的转录终止结构,RNA聚合酶作用停止,，,产生,前导mRNA,转录产物,产生,前导肽,高Trp时：转录、翻译偶联，产生前导肽,Trp-tRNATrp 存在高Trp时：转录、翻译偶联，产生,24,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,高色氨酸浓度时,1,2,5,Trp密码子,转录终止结构,前导DNA序列,RNA聚合酶,终止转录,前导mRNA,UUUU 3,UUUU 334核糖体前导肽高色氨酸浓度时125Trp密,25,Trp-tRNA,Trp,缺乏,核糖体翻译停顿在片段1的,2个Trp密码子处,片段,2,3,形成发夹结构,RNA聚合酶转录不终止，,继续转录,产生,前导肽、酶蛋白,低Trp时：转录、翻译偶联，产生前导肽、,E D C B A 5种酶蛋白,Trp-tRNATrp 缺乏低Trp时：转录、翻译偶联，产生,26,4,2,3,UUUU3,核糖体,前导肽,前导mRNA,1,5,Trp密码子,结构基因,前导DNA序列,RNA聚合酶,无或低色氨酸浓度时,Trp合成酶系相关,结构基因被转录,片段2,3形成反终止结构,423UUUU3核糖体前导肽前导mRNA15T,27,第二节,真核生物基因表达的调控,第二节真核生物基因表达的调控,28,真核生物调控的特征：,转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关,1.环境信号转导染色质活化转录的激活,2.基因表达以正调控为主(活化蛋白激活靶,基因),3.转录与翻译在不同的亚细胞区域进行,真核生物调控的特征：转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有,29,一、具有转录活性的染色质结构的变化,组成性基因表达,管家基因,(housekeeping genes),表达是比较恒定的，其转录产物在所有的组织细胞中都存在,可调控的基因表达,有些基因的表达会因为细胞对信号分子的反应而发生变化,一、具有转录活性的染色质结构的变化组成性基因表达,30,具有转录活性的染色质区域,DNA酶敏感性增强,缺乏组蛋白H,1,其他组蛋白成分乙酰化或泛素化,DNA去甲基化,染色质重建,(chromatin remodeling),基因活化的过程是染色质与转录相关的结构改变的过程，此过程称为染色质重建。,具有转录活性的染色质区域,31,二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子,1.顺式作用元件,真核生物中，和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列，包括启动子(及启动子上游近侧序列)及增强子等，和转录调控有关。,二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子1.顺式作用元,32,(1)启动子和启动子上游近侧序列,是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列，,位于转录起始点的上游。,按其对RNA聚合酶的影响分为两类,位于较上游的元件，强烈地,影响转录起始的效,率,CAAT box,GC box,离转录起始点较近，在,选择转录起始点,的过程中,起调控作用,TATA box,(1)启动子和启动子上游近侧序列是RNA聚合酶结合位点周围,33,CpG岛,组成性表达基因和部分可调控基因的5末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶、鸟嘌呤,(CpG),的序列，启动子中,去甲基化的CpG岛,对基因转录起始是必需的。,CpG岛,34,一类能增强真核细胞某些启动子功能的顺式作用元件,(DNA序列),增强子作用不受序列方向的制约,有组织特异性,(2)增强子,(enhancers),一类能增强真核细胞某些启动子功能的顺式作用元件(DNA序列),35,特点：,具有较短的保守序列,与转录起始点的距离不固定,可位于启动子或增强子内,(3)反应元件,(response elements),当真核细胞处于某一特定环境时，有反应的基因具有相同的顺式作用元件，这,一类,顺式作用元件称为,反应元件,。,特点：(3)反应元件(response elements),36,基因表达的调控课件,37,2.反式作用因子,(,trans,-acting factors),一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子,作用特点,识别和结合顺式作用元件中的特异靶序列，启动转录,例：转录因子TFD 识别和结合 TATA box 转录因子Sp1 识别和结合 GC box 转录因子CTF1 识别和结合 CAAT box,反式作用因子与相应的顺式作用元件结合后才能启动或有效启动转录,2.反式作用因子(trans-acting factors,38,反式因子有两个必需的结构域,DNA结合结构域：,与顺式元件识别、结合,转录激活结构域：,与其他反式因子或RNA聚合,酶结合,蛋白质,反式因子有两个必需的结构域蛋白质,39,3.反式作用因子结构的模式,两个短-螺旋，之间,-转角结构联系,其中一个-螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟,(1)螺旋-转角-螺旋,(helix-turn-helix),3.反式作用因子结构的模式两个短-螺旋，之间-转角结构,40,约30个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基(2个Cys，2个His或4个Cys)以配位键与Zn,2+,相互作用,具有多个相同的锌指结构，与DNA双螺旋大沟结合,(2)锌指,(zinc fingers),约30个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基(2个Cys，2个Hi,41,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白质,123456789蛋白质,42,一段肽链中每隔7个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基出现，形成-螺旋的两面,亲水面：,亲水性氨基酸残基构成,疏水面：,亮氨酸残基构成(亮氨酸拉链条),借疏水作用形成,二聚体(同二聚体/异二聚体),发挥作用,DNA的结合域：拉链区以外的结构,(3)亮氨酸拉链,(leucin