基因表達調(diào)控重修詳解演示文稿

基因表達調(diào)控重修詳解演示文稿當前第1頁\共有63頁\編于星期四\22點優(yōu)選基因表達調(diào)控重修當前第2頁\共有63頁\編于星期四\22點一、基因表達是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是細胞以基因DNA為模板，轉(zhuǎn)錄出RNA，以及，以mRNA為模板，翻譯出蛋白質(zhì)的過程如果基因表達了，那么，就有相應(yīng)的mRNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)否則，就是基因沒有表達基因表達(geneexpression)每一個基因的表達是受調(diào)控的。當前第3頁\共有63頁\編于星期四\22點二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。胚胎發(fā)育期當前第4頁\共有63頁\編于星期四\22點（二）空間特異性一種基因在個體的不同組織不同細胞或器官表達，這就是基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。當前第5頁\共有63頁\編于星期四\22點三、基因表達的調(diào)控基因表達調(diào)控（regulationofgeneexpression）細胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號刺激時在基因表達水平上做出應(yīng)答的分子機制當前第6頁\共有63頁\編于星期四\22點按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導(dǎo)或阻遏表達當前第7頁\共有63頁\編于星期四\22點（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。這類基因表達被視為基本（或組成性）基因表達(constitutivegeneexpression)。ActinGAPDH當前第8頁\共有63頁\編于星期四\22點（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，即這種基因表達是可誘導(dǎo)的。如：熱應(yīng)激蛋白可誘導(dǎo)基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)。當前第9頁\共有63頁\編于星期四\22點四、基因表達：受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)順式作用元件(cis-actingelement)：調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，一般可以和反式作用因子結(jié)合，包括：啟動子，增強子和沉默子反式作用因子(trans-actingfactor)

能夠和順式作用元件結(jié)合，調(diào)控基因表達的蛋白質(zhì)分子當前第10頁\共有63頁\編于星期四\22點

研究重點每一個特定基因的順式作用元件和反式作用因子的相互作用當前第11頁\共有63頁\編于星期四\22點五、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性DNA層次：轉(zhuǎn)錄起始(最重要、最復(fù)雜)mRNA的加工蛋白質(zhì)生物合成翻譯后加工mRNA的降解當前第12頁\共有63頁\編于星期四\22點第二節(jié)

原核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote當前第13頁\共有63頁\編于星期四\22點原核生物大多數(shù)基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動元件

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)當前第14頁\共有63頁\編于星期四\22點操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關(guān)鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域為TTGACA共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。當前第15頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-15種E.coli啟動序列的共有序列

當前第16頁\共有63頁\編于星期四\22點基因表達有正調(diào)控和負調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白----負調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素當前第17頁\共有63頁\編于星期四\22點調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力；當前第18頁\共有63頁\編于星期四\22點②阻遏蛋白可以識別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負性調(diào)節(jié)機制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合能力，從而增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation）。當前第19頁\共有63頁\編于星期四\22點二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA當前第20頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-2lac操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)當前第21頁\共有63頁\編于星期四\22點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)當前第22頁\共有63頁\編于星期四\22點mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)當前第23頁\共有63頁\編于星期四\22點++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP當前第24頁\共有63頁\編于星期四\22點分解代謝阻遏單純?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。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)當前第25頁\共有63頁\編于星期四\22點3.協(xié)同調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。。

當前第26頁\共有63頁\編于星期四\22點mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO當前第27頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)當前第28頁\共有63頁\編于星期四\22點乳糖操縱子的開放條件（環(huán)境因素）1當僅有Glc時，乳糖操縱子不開放2當有Glc和Lac時，乳糖操縱子不開放3當沒有Glc也沒有Lac時，不開放4只有一種條件可以開放：沒有Glc，有Lac：開放當前第29頁\共有63頁\編于星期四\22點第三節(jié)

真核基因表達調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote當前第30頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-5真核生物基因表達的多層次復(fù)雜調(diào)控當前第31頁\共有63頁\編于星期四\22點二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達密切相關(guān)活性染色質(zhì)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點（hypersensitivesite)當染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點基因被激活的區(qū)域染色質(zhì)對核酸酶極為敏感當前第32頁\共有63頁\編于星期四\22點轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體當前第33頁\共有63頁\編于星期四\22點組蛋白修飾和組蛋白密碼1組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，2化學(xué)修飾征集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。當前第34頁\共有63頁\編于星期四\22點組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙?；乐筁ys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化裝配H4Lys-12乙?；b配H4Lys-16乙?；诵◇w裝配H4Lys-16乙酰化FlyX激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響當前第35頁\共有63頁\編于星期四\22點

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)：CG重復(fù)出現(xiàn)，長度約300-3000bp稱為CpG島，存在于整個基因組中，特別是常常位于基因的啟動子和第一外顯子區(qū)域。CpG島：C可以被甲基化修飾，它的多少與基因被激活有關(guān)當前第36頁\共有63頁\編于星期四\22點表觀遺傳

（epigeneticinheritance)

：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化DNA相同，DNA的甲基化不同，基因表達不同同卵雙生子，長相和行為有差異當前第37頁\共有63頁\編于星期四\22點三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位順式作用元件

指可與反式作用因子結(jié)合，影響基因表達活性的DNA序列包括：啟動子，增強子和沉默子當前第38頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準確性及頻率。A、B序列就是調(diào)節(jié)這個基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件當前第39頁\共有63頁\編于星期四\22點（一）真核基因啟動子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒當前第40頁\共有63頁\編于星期四\22點

啟動子某一特定基因的轉(zhuǎn)錄起始點和上游200bp長的DNA序列，可以與反式作用因子結(jié)合，起始轉(zhuǎn)錄，稱為當前第41頁\共有63頁\編于星期四\22點CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)當前第42頁\共有63頁\編于星期四\22點特點啟動子啟動轉(zhuǎn)錄增強子增加轉(zhuǎn)錄的頻率啟動子必需有轉(zhuǎn)錄起始位點增強子遠離轉(zhuǎn)錄起始位點當前第43頁\共有63頁\編于星期四\22點（二）增強子能夠提高轉(zhuǎn)錄效率增強子的功能及其作用特征與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠距離實施調(diào)節(jié)作用作用與序列的方向性無關(guān)需要有啟動子才能發(fā)揮作用當前第44頁\共有63頁\編于星期四\22點（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是基因表達的負性調(diào)控元件，當其結(jié)合特異轉(zhuǎn)錄因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用當前第45頁\共有63頁\編于星期四\22點四、轉(zhuǎn)錄因子TF真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子當前第46頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-8反式與順式作用蛋白當前第47頁\共有63頁\編于星期四\22點通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的蛋白因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子當前第48頁\共有63頁\編于星期四\22點特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)特點：個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子分類當前第49頁\共有63頁\編于星期四\22點轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含結(jié)構(gòu)域酸性激活結(jié)構(gòu)域脯氨酸富含結(jié)構(gòu)域當前第50頁\共有63頁\編于星期四\22點最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)當前第51頁\共有63頁\編于星期四\22點堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒當前第52頁\共有63頁\編于星期四\22點常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,bZIP)

（a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團結(jié)合當前第53頁\共有63頁\編于星期四\22點五、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動態(tài)構(gòu)成（一）啟動子，轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶活性啟動子的核苷酸序列會影響其與轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的YesorNo和頻率當前第54頁\共有63頁\編于星期四\22點圖18-12轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNA