基因表達(dá)調(diào)控

1、基因表達(dá)調(diào)控,論述題,試述基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律論述原核操縱子調(diào)控機(jī)制論述真核生物基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn),基因表達(dá)的調(diào)控:生物體隨時(shí)調(diào)整不同基因的表達(dá)狀態(tài),以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和發(fā)育需要,第一節(jié) 基本概念與原理,,一、基因表達(dá)的概念,基因組來(lái)自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息,基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程,基因表達(dá),基因 負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段，其結(jié)構(gòu)包括由DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子組成的DNA區(qū)域。cDNA是人為地由m

2、RNA通過(guò)反轉(zhuǎn)錄而得，即與mRNA互補(bǔ)的DNA，也稱為“基因”,二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性,（一）時(shí)間特異性,（二）空間特異性,基因表達(dá)伴隨空間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性,在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性,三、基因表達(dá)的方式,按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：,（一）組成性表達(dá),某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)

3、胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因,無(wú)論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá),（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá),在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因,可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱為誘導(dǎo),如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱為

4、阻遏,（三） 協(xié)調(diào)表達(dá) 功能相關(guān)的一組基因協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)。,四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義,（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖,（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化,第二節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本原理,（一）基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控,基因激活,轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解,轉(zhuǎn)錄起始,（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素,特異DNA序列原核生物操縱子：由功能相關(guān)的一組基因在染色體上串聯(lián)，共同構(gòu)成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位；通常由2個(gè)以上的編碼序列與啟動(dòng)

5、序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成,原核基因啟動(dòng)序列是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－10及－35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。,（2） 操縱序列 ——阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn),當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄。,真核生物,,不同真核生物的順式作用元件中也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些共有序列 ，

6、如TATA盒、CAAT盒等根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉(zhuǎn)錄激活作用的性質(zhì)及發(fā)揮作用的方式，分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子,,2、調(diào)節(jié)蛋白,原核生物特異因子：決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力阻遏蛋白：可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列——操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄激活蛋白：可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性,真核基因的調(diào)節(jié)蛋白,還有蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)別、結(jié)合自身基

7、因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱順式作用,由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過(guò)與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。,反式作用因子,這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用,反式調(diào)節(jié),,順式調(diào)節(jié),,DNA - 蛋白質(zhì)相互作用指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。,絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體,4. RNA聚合酶,⑴ 原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性,RNA聚

8、合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄,⑵ 調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性,一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過(guò)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。 70 32,σ σ,,Hsp,第三節(jié) 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性,（二）操縱子模型的普遍性,（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性,二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制,（一）乳糖操縱子(l

9、ac operon)的結(jié)構(gòu),阻遏負(fù)調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達(dá) (相應(yīng)蛋白質(zhì)降低) 促進(jìn)正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達(dá)

10、 (相應(yīng)蛋白質(zhì)增加),,,（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),Lac阻遏蛋白的作用---負(fù)調(diào)控,,沒(méi)有乳糖存在時(shí),乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉,,阻遏蛋白對(duì)于O序列的結(jié)合并非是經(jīng)久不變的，而是有一個(gè)10～20分鐘的半衰期。RNA聚合酶抓住這一時(shí)機(jī)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)錄，從而翻譯出幾個(gè)分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透性酶,生理性誘導(dǎo)劑實(shí)驗(yàn)常用誘導(dǎo)劑,別乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操縱子誘導(dǎo)劑,,乳糖,β半乳糖苷酶,葡萄糖+

11、半乳糖,,有乳糖存在時(shí),,（三）CAP的正性調(diào)節(jié),CAP有DNA結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點(diǎn)乳糖啟動(dòng)子－10區(qū)TATGTT序列，其中的G－C堿基對(duì)增加了雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此RNA聚合酶不足以使雙鏈解開(kāi)。CAP－ cAMP復(fù)合物結(jié)合在CAP結(jié)合位點(diǎn)，使雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，促進(jìn)了開(kāi)放性啟動(dòng)子復(fù)合物的形成,如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性,無(wú)葡萄糖（cAMP濃度高）時(shí),有葡萄糖（cAMP濃度低）時(shí),,

12、CAP的正性調(diào)節(jié),當(dāng)細(xì)菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，通常優(yōu)先利用葡萄糖，而不利用乳糖當(dāng)葡萄糖耗盡后，才利用乳糖，這種葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏葡萄糖能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，因而降低cAMP濃度無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低,（四） 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),,低半乳糖時(shí),高半乳糖時(shí),葡萄糖低 cAMP濃度高,葡萄糖高cAMP濃度低,,,Lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖乳糖

13、存在：阻遏蛋白與誘導(dǎo)劑結(jié)合不與O序列結(jié)合缺乏葡萄糖： CAP－ cAMP復(fù)合物結(jié)合在CAP結(jié)合位點(diǎn),,,Trp 高時(shí),Trp 低時(shí),mRNA,,,,,,,,,,O,P,,,,trpR,,,,,,,調(diào)節(jié)區(qū),結(jié)構(gòu)基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,,色氨酸操縱子的作用原理,,操縱子關(guān)閉,三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié),兩種主要轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止兩種終止調(diào)節(jié)方式衰減：導(dǎo)致RNA鏈的過(guò)早終止抗終

14、止：阻止前者的發(fā)生，使下游基因得以表達(dá),前導(dǎo)序列,,,,,,第10、11密碼子為trp密碼子,,14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):,包含序列1,形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4,UUUU 3’,,前導(dǎo)肽,前導(dǎo)mRNA,當(dāng)色氨酸濃度高時(shí),轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制,衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄,,RNA聚合酶,終止,,前導(dǎo)肽,RNA聚合酶,當(dāng)色氨酸濃度低時(shí),Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄,序列3

15、、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu),,前導(dǎo)mRNA,四、原核生物翻譯水平的調(diào)節(jié),蛋白質(zhì)分子的自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識(shí)別翻譯起始區(qū)。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱為自我控制2. 反義RNA對(duì)翻譯的調(diào)節(jié)作用 與mRNA雜交阻斷30S小亞基對(duì)起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。稱為反義控制,自我調(diào)節(jié)（autogenous control）。,一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（一

16、）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大,第四節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)節(jié),（二）單順?lè)醋?一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,（三）重復(fù)序列,（四）基因不連續(xù)性,非編碼序列，外顯子，內(nèi)含子,二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn),（一）RNA聚合酶,（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化,1. 對(duì)核酸酶敏感,RNA Pol Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,2. DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化,天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在,基因活化后,3. DNA堿基修飾變化,,真核DNA約有5%的胞嘧啶

17、被甲基化CpG島：基因的5’末端調(diào)控區(qū)存在一段富含成對(duì)的胞嘧啶、鳥(niǎo)嘧啶（CpG）的序列甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比，CpG島去甲基化與與轉(zhuǎn)錄激活相聯(lián)系,（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo),（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行,（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工,4. 組蛋白變化,核小體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定或松弛,三、RNA Pol Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié),（一）順式作用元件,1. 啟動(dòng)子,啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng) 基因轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以

18、上的功能組件。,TATA盒 (TATAAAA),GC盒 (GGGCGG),CAAT盒 (GCCAAT ),2. 增強(qiáng)子(enhancer),指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。增強(qiáng)子、啟動(dòng)子交錯(cuò)覆蓋/連續(xù)沒(méi)有增強(qiáng)子 啟動(dòng)子通常不表現(xiàn)活性沒(méi)有啟動(dòng)子 增強(qiáng)子無(wú)法發(fā)揮作用無(wú)法區(qū)分的增強(qiáng)子、啟動(dòng)子樣結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱啟動(dòng)子,,,（二）反式作用因子,反式作用因子

19、 識(shí)別/結(jié)合 順式作用元件中的靶序列 啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄,,,一類在真核細(xì)胞核中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）,1、基本轉(zhuǎn)錄因子,是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。,例：轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD 識(shí)別結(jié)合 TATA box,2、特異轉(zhuǎn)錄因子,為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。,SP1,CBF,,,(特

20、異轉(zhuǎn)錄因子),,轉(zhuǎn)錄激活因子：增強(qiáng)子結(jié)合蛋白,轉(zhuǎn)錄抑制因子：沉默子結(jié)合蛋白,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄因子含有不同的DNA結(jié)合域,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋是轉(zhuǎn)錄因子中的常見(jiàn)的DNA結(jié)合域 同源異型域結(jié)構(gòu) 鋅指結(jié)構(gòu)是一類含鋅離子轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域 亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域既可介導(dǎo)結(jié)合DNA又可介導(dǎo)蛋白質(zhì)二聚體化 堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域也可同時(shí)介導(dǎo)結(jié)合DNA和蛋白質(zhì)二聚體化,Zinc-fingers 鋅指,最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一約有3

21、0個(gè)AA殘基其中4個(gè)AA殘基（2個(gè)Cys，2個(gè)His） 配位鍵 Zn2+ 鋅指與DNA雙螺旋大溝結(jié)合 存在于多種真核轉(zhuǎn)錄因子具多個(gè)鋅指結(jié)構(gòu),,四個(gè)氨基酸殘基分別位于正四面體的頂角，與四面體中心的鋅離子配位鍵結(jié)合，穩(wěn)定鋅指結(jié)構(gòu)Cys和His之間有12個(gè)氨基酸殘基，其中數(shù)個(gè)為保守的堿性殘基,,,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白質(zhì),圖15-10,圖15-11,一段肽鏈中每隔7個(gè)A

22、A即有一個(gè)Leu 在α螺旋某一側(cè)面每?jī)扇Τ霈F(xiàn)一個(gè)Leu 親水面：親水AA組成 疏水面：Leu組成 （亮氨酸拉鏈條）可形成二聚體（發(fā)揮作用）,亮氨酸拉鏈,,,,,,,,螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）,同源異型域（homeodomain，HD）,堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)也可調(diào)節(jié)DNA結(jié)合及蛋白質(zhì)二聚體化,堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-heli

23、x，bHLH）,（三）mRNA 轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié),真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物,,,,,,EBP,真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的,*不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式；,*多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。,*轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對(duì)轉(zhuǎn)錄激活過(guò)程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負(fù)性調(diào)節(jié)之分。,四、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié),hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié)mRNA運(yùn)輸、胞質(zhì)內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié),IRE