第十三章基因表達(dá)調(diào)控.ppt.Convertor

1、第13章基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表達(dá)的概念基因組(genome)來自一個(gè)生物體的一整套遺傳物質(zhì)。即生成具有生物學(xué)功能產(chǎn)物的過程。基因表達(dá)基因表達(dá)是受調(diào)控的基因 (gene)轉(zhuǎn)錄翻譯= +二、基因表達(dá)的時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性時(shí)間特異性:按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性（二）空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性空間特異性：多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定

2、生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官 。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：基本（或組成性）表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)（一）基本（或組成性）表達(dá)管家基因(housekeeping gene):某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。組成性基因表達(dá):無論表達(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。（二）基因的表達(dá)的誘導(dǎo)和阻遏可誘導(dǎo)基因: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。誘導(dǎo)(induction)：可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增

3、強(qiáng)的過程。阻遏(repression)：可阻遏基因在特定環(huán)境中表達(dá)降低的過程?？勺瓒艋?對(duì)環(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制的基因。協(xié)調(diào)表達(dá)：在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(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）以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖通過一定的程序調(diào)控基因的表達(dá)，可使生物體表達(dá)出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長(zhǎng)和增殖。 （二）以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育在多細(xì)胞個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段，或同一生長(zhǎng)發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。 第二節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本原理Basic Princ

4、iples of Gene Expression Regulation一、基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活拷貝數(shù)重排甲基化程度轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾蛋白質(zhì)降解等轉(zhuǎn)錄起始二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強(qiáng)或抑制轉(zhuǎn)錄活性原核生物 操縱子(operon) 機(jī)制圖13-1 五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列共有序列(consensus sequence) 決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)

5、或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。2、操縱序列 阻遏蛋白(repressor)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。3、其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如：激活蛋白(activator)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。有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。真核生物圖13-2 順式作用元件不同真核生物的順式作用元件中：一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。2、真核基因的調(diào)節(jié)

6、蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)別、結(jié)合自身基因的調(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)。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。 反式作用因子(trans-acting factor) 反式調(diào)節(jié)順式調(diào)節(jié)圖13-3 反式與順式作用蛋白第三節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性不同的因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。 （二）操縱子模型的普遍性操縱子（operon）:原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，

7、共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。 由一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其上游的調(diào)控序列組成。 （三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)特異阻遏蛋白參與的開、關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制特異基因的阻遏或去阻遏二、操縱子調(diào)控模式（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)沒有乳糖存在時(shí)（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)有乳糖存在時(shí)圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)2、CAP的正性調(diào)節(jié)3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)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。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作

8、碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏 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濃度低第四節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)一、真核基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)物基因組DNA 約 3×109堿基對(duì)。人編碼基因約4萬個(gè)，編碼蛋白質(zhì)的序列僅占總長(zhǎng)的1%。rDNA等重復(fù)基因約占5%10%。（二）真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子單順反子(monocistron) 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）真核基因組含有大量的重復(fù)序列真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在有不被轉(zhuǎn)錄的非編

9、碼序列，往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。 真核基因不連續(xù)性（四）真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)（一）真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性啟動(dòng)子真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。二、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜圖13-7 真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。 沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子是真核細(xì)胞中重要

10、的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)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。特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)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)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)最常見的DNA結(jié)合域：鋅指(zinc finger)C CysH His常結(jié)合GC盒ZnCysHis圖13-8 鋅指結(jié)構(gòu)堿性a-螺旋常結(jié)合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈 堿性螺旋-環(huán)-螺旋，bHL

11、H是一大家族小分子非編碼單鏈RNA，長(zhǎng)度約2025個(gè)堿基，由一段具有發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為7090個(gè)堿基的單鏈RNA 前體(pre-miRNA)經(jīng)Dicer酶剪切后形成。 小分子RNA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)1微小RNA (microRNA, miRNA)其長(zhǎng)度一般為2025個(gè)堿基；在不同生物體中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明顯的表達(dá)階段特異性和組織特異性；miRNA 基因以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中，大多位于基因間隔區(qū)。 miRNA的特點(diǎn)：是細(xì)胞內(nèi)一類雙鏈RNA(dsRNA)在特定情況下通過一定酶切機(jī)制，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄩL(zhǎng)度(2123個(gè)堿基)和特定序列的小片段RNA。雙鏈siRNA參與RISC組成，與特異的靶mRNA完全互補(bǔ)結(jié)合，導(dǎo)致靶mRNA降解，阻斷翻譯過程。由siRNA介導(dǎo)的基因表達(dá)抑制作用被稱為RNA干涉(RNA interference，RNAi)。2小干擾RNA (small interfering RNA, siRNA)> 30bp 雙鏈RNA（dsR