基因表達(dá)的調(diào)控課件

1、第 六 章 基因表達(dá)的調(diào)控(Control of Gene Expression)制作：李志紅概述 (Introduction)基因表達(dá)(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達(dá)中心法則(the central dogma)：基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性 (temporal and spatial specificity)時(shí)間特異性(temporal specificity)某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生 Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇： （胚胎型） 、 珠蛋白基因簇： （胚胎型）、 （胎兒型）、22 22 22空間特異性(

2、spatial specificity)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)同形異位現(xiàn)象(homeosis):果蠅頭部長(zhǎng)觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái)同形異位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎發(fā)育的基因基因表達(dá)的方式-1管家基因與奢侈基因管家基因（housekeeping gene）-在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。 組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)奢侈基因（luxury gene）只在特定的細(xì)胞類(lèi)型中表達(dá)的基因基因表達(dá)的方式-2誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)（induction）-可誘導(dǎo)基因在特定

3、環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程。DNA損傷 修復(fù)酶基因激活乳糖 利用乳糖的三種酶表達(dá)阻遏（repression）-可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程色氨酸 色氨酸合成酶系基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)：基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、翻譯后加工第一節(jié) 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控(Control of Prokaryotic Gene Exepression )轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(control of transcription)操縱子(operon)：由調(diào)控區(qū)（啟動(dòng)子和操縱基因）與信息區(qū)（結(jié)構(gòu)基因）組成翻譯水平的調(diào)控(control of trans

4、lation)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄:DNA分子上一股可轉(zhuǎn)錄,另一股不轉(zhuǎn)錄;模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一單鏈上.5 3轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控影響轉(zhuǎn)錄的因素啟動(dòng)子(promoter)啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈模板鏈編碼鏈啟動(dòng)子有三個(gè)功能區(qū)：?jiǎn)⑹疾课唬?1區(qū)）、結(jié)合部位（-10區(qū)）、識(shí)別部位（-35區(qū)）影響轉(zhuǎn)錄的因素啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄效率一致性序列：-35區(qū)：T82T80G78A65C54A95；-10區(qū)：T80A95T45A60A50T96強(qiáng)啟動(dòng)子與弱啟動(dòng)子；識(shí)別因子：70因子:7032：MW 32kD；控制熱休克蛋白(heat shock protein,Hsp)基因表達(dá),-35區(qū)類(lèi)似，-10區(qū)不同阻遏蛋白：轉(zhuǎn)

5、錄水平負(fù)調(diào)控，抑制轉(zhuǎn)錄影響轉(zhuǎn)錄的因素正調(diào)控蛋白：促進(jìn)轉(zhuǎn)錄CAP蛋白ntrC蛋白：氮代謝基因的激活蛋白，谷氨酰胺合成酶倒位蛋白(inversion protein)：位點(diǎn)特異性的重組酶，沙門(mén)菌的H1、H2鞭毛蛋白R(shí)NA聚合酶抑制劑：嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)(stringent response)：缺乏氨基酸，產(chǎn)生pppGpp（魔斑）或ppGpp （魔斑 ） ，形成ppGpp-RNApol復(fù)合物，RNA合成減少衰減子ntrC蛋白倒位蛋白轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子調(diào)控的機(jī)制阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制操縱子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)Disco

6、very of Operon1940年， Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長(zhǎng)曲線”。文獻(xiàn)：細(xì)胞中存在兩種酶，即組成酶與適應(yīng)酶（誘導(dǎo)酶）。1947年，報(bào)告：“酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義”。1951年，Monod與Jacob合作。發(fā)現(xiàn)兩對(duì)基因：Z基因：與合成-半乳糖苷酶有關(guān)；I基因：決定細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)物的反應(yīng)。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在時(shí)，酶無(wú)法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉該阻遏物。 Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開(kāi)關(guān)基因（即操縱基因），阻遏物通過(guò)與開(kāi)關(guān)基

7、因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。lac操縱子的結(jié)構(gòu)與功能操縱子(operon): 結(jié)構(gòu)基因(structural gene)、啟動(dòng)子(promoter,P)和操縱基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),產(chǎn)生阻遏物(repressor)。阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)(negative control of repressor)無(wú)乳糖(no lactose): lac操縱子處于阻遏狀態(tài)(repression)有乳糖(presence of lactose) lac操縱子即可被誘導(dǎo)(derepression,induction) 誘導(dǎo)劑(inducer): 別乳糖、半乳糖、IPTG（

8、異丙基硫代半乳糖苷）乳糖操縱子(lac operon)的調(diào)控方式CAP的正性調(diào)節(jié)（Positive Control of CAP）CAP(catabolite activator protein)分解代謝基因激活蛋白同二聚體DNA結(jié)合區(qū) cAMP(cyclic AMP)結(jié)合位點(diǎn)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP不發(fā)揮作用如沒(méi)有CAP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄結(jié)論：lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄

9、糖IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑阿拉伯糖操縱子(The ara Operon)結(jié)構(gòu)基因?yàn)椋築、A、D，分別編碼異構(gòu)酶、激酶、表位酶功能：催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖，進(jìn)入磷酸戊糖途徑特點(diǎn)：調(diào)節(jié)基因?yàn)镃基因，編碼調(diào)控蛋白C蛋白ara色氨酸操縱子(The trp Operon)trp操縱子阻遏型操縱子trp 操縱子無(wú)色氨酸操縱子基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，此后轉(zhuǎn)錄速率受轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制(attenuation)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因與 O 之間有一衰減子區(qū)域 (a)衰減子：有4段特殊的序列，可形成不依賴(lài)因子的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)前導(dǎo)肽(leader peptide,L)含兩個(gè)相鄰的色氨酸，轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)RNA聚合酶脫

10、落，轉(zhuǎn)錄終止翻譯水平的調(diào)控SD序列對(duì)翻譯的影響SD序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的順序及位置對(duì)翻譯的影響mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列翻譯水平的調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性：mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響。翻譯產(chǎn)物對(duì)翻譯的影響小分子RNA的調(diào)控作用mRNA干擾性互補(bǔ)RNA（micRNA)或反義RNA (antisense RNA）調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類(lèi)型低水平表達(dá)基因的控制micRNATn10真核

11、生物基因表達(dá)的調(diào)控DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp單順?lè)醋雍写罅恐貜?fù)序列 基因不連續(xù)性 內(nèi)含子 外顯子非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1)多層次調(diào)控失活DNA水平的調(diào)控染色質(zhì)的丟失：不可逆核的全能性：細(xì)胞核內(nèi)保存了個(gè)體發(fā)育所必需的全部基因基因擴(kuò)增：增加基因的拷貝數(shù)藥物：誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增；腫瘤細(xì)胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加基因重排：如免疫球蛋白基因重排，多樣性DNA水平的調(diào)控DNA甲基化：mCpG，即“CpG島”甲基化程度高，基因表達(dá)降低； 去甲基化：基因表達(dá)增加染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平

12、的調(diào)控最重要順式作用元件反式作用因子轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控順式作用元件影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列非編碼序列分啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子啟動(dòng)子TATA盒，-25bp上游啟動(dòng)子元件(upstream promotor elements,UPE)，CAAT 盒，-75bp；GC序列等順式作用元件增強(qiáng)子：遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（130kb），增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性DNA序列，與方向、距離無(wú)關(guān)沉默子：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用順式作用元件增強(qiáng)子反式作用因子(trans-acting factor)概念：為DNA結(jié)合蛋白，核內(nèi)蛋白，可使鄰近基因開(kāi)放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）通用轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在TATA盒上的蛋白質(zhì)因子。TFA、 TFB、 TFD、 TFE等轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子結(jié)合在UPE上的蛋白質(zhì)因子反式作用因子特點(diǎn)三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA識(shí)別結(jié)合域；轉(zhuǎn)錄活性域；結(jié)合其他蛋白的結(jié)合域能識(shí)別并結(jié)合順式作用元件(cis-acting element)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控功能結(jié)構(gòu)域