基因表達的調控制演示文稿

基因表達的調控制演示文稿1當前1頁，總共94頁?；虮磉_的調控制當前2頁，總共94頁。3遺傳信息傳遞中心法則當前3頁，總共94頁。4基因表達

(geneexpression)

生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學功能和生物學效應的蛋白質的全過程。一、基因表達的概念rRNA與tRNA編碼基因轉錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達當前4頁，總共94頁。5二、基因表達的特點（一）時間特異性

階段特異性

（二）空間特異性組織細胞特異性P141當前5頁，總共94頁。6

按對刺激的反應性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達

基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。如管家基因。三、基因表達的方式當前6頁，總共94頁。7管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達。bcl-2β-actin12當前7頁，總共94頁。8（二）誘導和阻遏表達誘導表達(inductionexpression)阻遏表達(repressionexpression)協(xié)調表達(coordinanceexpression)在一定機制下，功能相關的一組基因，協(xié)調一致，共同表達。當前8頁，總共94頁。9

四、基因表達的調控的概念

機體各種細胞中含有的相同遺傳信息(相同的結構基因)，根據(jù)機體的不同發(fā)育階段、不同的組織細胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達特定數(shù)量的特定基因的過程。當前9頁，總共94頁。10五、基因表達的調控因子：

蛋白質(主要)RNA(某些環(huán)節(jié))當前10頁，總共94頁。11六、基因表達的調控水平

基因組

轉錄

轉錄后

翻譯

翻譯后當前11頁，總共94頁。12

第一節(jié)

原核生物基因表達的調控

原核生物基因表達調控主要在轉錄水平，其次是翻譯水平。本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達的調控。當前12頁，總共94頁。13一、原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶。2.基因表達以操縱子為基本單位。操縱子（operon）多個功能相關的結構基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調控區(qū)和下游轉錄終止信號組成的基因表達單位。當前13頁，總共94頁。14操縱子學說開創(chuàng)了基因表達調控的研究F·JacobJ·L·Monod當前14頁，總共94頁。15操縱子(operon)模型tayz

opstructural

genepromoterterminatoroperator乳糖操縱子lacoperon當前15頁，總共94頁。16PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA當前16頁，總共94頁。173.轉錄和翻譯偶聯(lián)進行：4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列----SD序列。共有序列為AGGAGG當前17頁，總共94頁。18

5.原核生物基因表達的調控主要在轉錄水平，即對RNA合成的調控。

通常有兩種方式：

(1)起始調控，即啟動子調控；

(2)終止調控(衰減子調控)。當前18頁，總共94頁。19二、原核生物基因表達的調控機制

(一)轉錄起始的調控

(二)轉錄終止的調控

(三)翻譯水平的調控當前19頁，總共94頁。20(一)轉錄起始的調控

1.б因子與轉錄起始的調控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)當前20頁，總共94頁。21調控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結合：確保RNA聚合酶與特異啟動序列穩(wěn)定結合，而不是與其它位點結合。(1)б因子當前21頁，總共94頁。22

不同的σ因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子為σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28P108當前22頁，總共94頁。23(2)啟動序列（promoter）RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列當前23頁，總共94頁。24

共有序列決定啟動序列的轉錄活性強弱。某些特異因子（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。當前24頁，總共94頁。25

2.轉錄起始的負調控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉錄負調控的最典型模式。當前25頁，總共94頁。26

乳糖操縱子(lacoperon)的結構

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶阻遏基因I

調控區(qū)CAP結合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA當前26頁，總共94頁。27mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節(jié)阻遏基因當前27頁，總共94頁。28

操縱元件在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占的區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶與DNA的結合是相互排斥的。當前28頁，總共94頁。29

與lac阻遏蛋白結合的操縱基因區(qū)域具有反向重復序列,這種反向重復序列是能與蛋白質特異結合的DNA的特征性結構。

-10+1+10+20+30.....5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

當前29頁，總共94頁。30mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別乳糖負調控的打破當前30頁，總共94頁。31誘導劑（inducer）乳糖

1,6-別乳糖（體內(nèi)生理）異丙基硫代半乳糖苷（IPTG，體外試驗）當前31頁，總共94頁。323.轉錄起始的正調控

阿拉伯糖操縱子是正調控的典型例子。

當前32頁，總共94頁。33轉錄活性提高50倍無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時乳糖操縱子中CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP當前33頁，總共94頁。34

cAMP與葡萄糖相關性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白質(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復合物，促進多種操縱子的轉錄起始。當前34頁，總共94頁。35

4．轉錄起始的復合調控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉錄不是由單一因子調控的，而是通過負調控因子和正調控因子進行復合調控。典型例子：糖代謝有關的操縱子，如lac操縱子。

當前35頁，總共94頁。36mRNA沒有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOmRNA當前36頁，總共94頁。37

※當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖?！咸烟菍ac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

當前37頁，總共94頁。38

（二）轉錄終止的調控轉錄終止調控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調控；ATP當前38頁，總共94頁。39

例:色氨酸操縱子表達的調控

1.通過阻遏蛋白的負調控

2.通過衰減子作用B.不依賴ρ因子的終止調控。當前39頁，總共94頁。40TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?轉錄衰減的調控色氨酸操縱子6700個核苷酸140個核苷酸當前40頁，總共94頁。41UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……當前41頁，總共94頁。42UUUU……34UUUU3’34

核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制

125’

trp密碼子

衰減子結構可使轉錄前導DNAUUUU3’

RNA聚合酶

終止當前42頁，總共94頁。43UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA

15’

trp密碼子

結構基因前導DNA

RNA聚合酶

2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄

序列3、4不能形成衰減子結構當前43頁，總共94頁。44色氨酸豐富時，核蛋白體順利沿引導序列移動直達最后一個密碼子UGA，合成完整的引導肽。RNA聚合酶停止在衰減子部位。當前44頁，總共94頁。45色氨酸缺乏時，核蛋白體終止在1區(qū)Trp密碼子部位，RNA聚合酶通過衰減子區(qū)域而繼續(xù)轉錄。當前45頁，總共94頁。46

(三)翻譯水平的調控

翻譯一般在起始和終止階段受到調節(jié)。調節(jié)分子:RNA、蛋白質調節(jié)分子可直接或間接決定翻譯起始位點能否為核蛋白體所利用。

當前46頁，總共94頁。471.反義RNA的調控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補結合的RNA片段，由反義基因轉錄而來。天然的具有功能的反義RNA分子一般在200個堿基以下。當前47頁，總共94頁。48

反義RNA調控Tn10轉位酶基因的表達示意圖當前48頁，總共94頁。492.RNA的穩(wěn)定性與調控的關系mRNA的穩(wěn)定性與其序列和結構有關。3.蛋白質合成中的自身調控

如：核糖體蛋白當前49頁，總共94頁。50第二節(jié)真核生物基因表達的調控

單細胞真核生物，如酵母基因表達的調控和原核生物表達的調控基本相同。

多細胞真核生物，遺傳信息從細胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質均受到多層次的調控。當前50頁，總共94頁。51一、真核生物基因表達的特點

（1）細胞具有全能性

（2）基因表達的時間性和空間性當前51頁，總共94頁。52Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1HbPorlandHbGrowⅡ

HbFHbA2HbA胚胎期胎兒期成人期不同發(fā)育時期珠蛋白基因表達和血紅蛋白分子類型胚胎期胎兒期和成人期ε當前52頁，總共94頁。53

（3）轉錄和翻譯分開進行

（4）初級轉錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉錄后加工修飾

初級轉錄產(chǎn)物為核不均一性RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）當前53頁，總共94頁。54當前54頁，總共94頁。55

（6）不存在超基因式操縱子結構（5）部分基因多拷貝

真核生物的mRNA是個單順反子mRNA(monocistronicmRNA)當前55頁，總共94頁。56TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順反子mRNA

(monocistronicmRNA)當前56頁，總共94頁。57二、真核生物基因表達的多級調控（一）DNA水平（二）轉錄水平（三）轉錄后水平（四）翻譯水平（五）翻譯后水平當前57頁，總共94頁。58（一）DNA水平的調控1.染色質的丟失：不可逆的調控；2.基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)；3.基因重排：調節(jié)表達產(chǎn)物多樣性；VJCVJCVJCIgG的基因重排當前58頁，總共94頁。594.基因的甲基化修飾：

甲基化程度高，基因表達降低；早基化程度低，基因表達增加。5.染色質結構：

組蛋白與DNA結合，抑制基因轉錄，非組蛋白與DNA結合促進基因轉錄。當前59頁，總共94頁。60（二）轉錄水平的調控真核生物RNA聚合酶有3種種類ⅠⅡⅢ轉錄產(chǎn)物45S-rRNA（5.8、18、28）Hn-RNAsnRNA5S-RNAtRNA（RNApolymerase,RNApol）當前60頁，總共94頁。611.轉錄起始復合物形成的調控

轉錄因子結合到DNA上，形成功能性啟動子，才能被RNA聚合酶識別和結合。TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEDTATABFEDNAARNApolyⅡTATA當前61頁，總共94頁。62轉錄因子(transcriptionfactor，TF)

是RNA合成起始所必需的因子，TF不依賴RNA聚合酶而獨立地結合DNA，并且在轉錄過程中促使RNA聚合酶分子與啟動子結合。當前62頁，總共94頁。632.順式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影響基因表達但不編碼新的蛋白質和RNA的DNA序列，按照功能分為啟動子、增強子、負調控元件（沉默子等）。

當前63頁，總共94頁。64

（1）啟動子(promoter)RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒決定RNA聚合酶Ⅱ轉錄起始點和轉錄頻率的一關鍵元件。當前64頁，總共94頁。65

①核心啟動子(corepromoter)②上游啟動子元件(upstreampromoterelement,UPE)上游-25~-30bp處，又稱TATA盒（TATAAAA）上游-30~-120bp處，包括GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）當前65頁，總共94頁。66TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結構基因-CAAT--GCGC----TATA轉錄起始真核生物啟動子保守序列當前66頁，總共94頁。67(2)增強子(enhancer)

指位于啟動子上游或下游并通過啟動子增強目標基因轉錄效率的DNA順序，增強子本身不具備啟動子活性。位置距離及作用方向不固定決定基因表達的時空特異性當前67頁，總共94頁。68(3)其他元件a)沉默子（silencer）指在真核基因內(nèi)能抑制基因轉錄的DNA序列,與反式作用因子相互結合而起作用。不受距離和方向的限制，并可對異源基因的表達起作用。b)加尾信號當前68頁，總共94頁。695------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA當前69頁，總共94頁。70當前70頁，總共94頁。71真核基因結構當前71頁，總共94頁。723.反式作用因子指能直接或間接地識別或結合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的一組蛋白質。有時也稱轉錄因子（transcriptionfactor,TF）。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）當前72頁，總共94頁。73反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類：

①通用轉錄因子。普遍存在的轉錄因子。②組織特異性轉錄因子。與基因表達的組織特異性有很大關系。③誘導性反式作用因子?；钚阅鼙惶禺惖恼T導因子所誘導。當前73頁，總共94頁。74反式作用因子結構域的模式DNA結合結構域轉錄活化結構域結構域連接區(qū)（結合其他蛋白質的結構域）當前74頁，總共94頁。75（1）DNA結合域的結構模式1）鋅指結構2）同源結構域3）堿性亮氨酸拉鏈5）堿性α-螺旋結構4）螺旋-環(huán)-螺旋結構當前75頁，總共94頁。761）鋅指結構配位鍵2-9個定義：是一種常出現(xiàn)在DNA結合蛋白中的結構基元。是由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構成，形成的結構像手指狀。當前76頁，總共94頁。77Cys2/Cys2鋅指Cys2/His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1，TFⅢA等當前77頁，總共94頁。78②同源結構域（homeodomain，HD）同源盒基因家族各基因間具有一相同的保守序列，稱為同源結構域。所含的至少二個α螺旋中形成“轉折”，第三個α螺旋與DNA大溝相互作用是同源盒蛋白與DNA結合的主要力量。當前78頁，總共94頁。793）堿性-亮氨酸拉鏈二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。肽鏈氨基端20～30個富含堿性氨基酸結構域與DNA結合。當前79頁，總共94頁。804）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋當前80頁，總共94頁。81（2）轉錄活化結構域：轉錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結構域2）富含谷氨酰胺結構域3）富含脯氨酰胺結構域當前81頁，總共94頁。824.轉錄水平的調控機制1）反式作用因子的激活1）表達式調節(jié)：反式因子合

成出來就具有活性2）共價修飾調節(jié)：

磷酸化-去磷酸化，糖基化3）配體結合4）蛋白質與蛋白質相互作用當前82頁，總共94頁。832）反式作用因子作用方式連鎖反應：轉錄因子與DNA結合后促

進另一轉錄因子的結合DNA扭曲：改變DNA構型滑動：沿DNA滑動到另一特異

序列發(fā)揮作用當前83頁，總共94頁。84PromoterEnhancerGENEDNA成環(huán)：