基因表達(dá)與調(diào)控PPT課件

1、1,第八章 基因表達(dá)與調(diào)控 Gene Expression and Regulation,2,3,8.1 RNA轉(zhuǎn)錄 (transcription,基因表達(dá)的第一步 以D. S. DNA中的一條單鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板，在依賴DNA的RNA聚合酶的作用下，按AU，GC配對的原則，合成RNA分子 模板單鏈 DNA的極性方向?yàn)?5，而非模板單鏈DNA的極性方向與RNA鏈相同，均為53。 (書寫DNA序列時，僅寫非模板序列，可不注明極性方向,4,某一基因只以一條單鏈DNA為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄(不對稱轉(zhuǎn)錄) RNA轉(zhuǎn)錄包括 promotion, elongation, termination 三過程 從啟動子(p

2、romoter)到終止子(terminator)稱為一個轉(zhuǎn)錄單位 (transcriptional unit) 原核生物中的轉(zhuǎn)錄單位多為 polycistron in operon，真核生物中的轉(zhuǎn)錄單位多為 monocistron, No operon 轉(zhuǎn)錄原點(diǎn)記為+1，其上游記為負(fù)值，下游記為正值,5,8.1.1 原核生物的RNA轉(zhuǎn)錄,啟動子(promoter)的結(jié)構(gòu)與功能 (E.coli,Promoter 由兩個重要部分組成,CAPcAMP binding site7040，基因表達(dá)調(diào)控的正控制位點(diǎn),RNA polymerase binding site3510，RNA聚合酶的識別位點(diǎn)和結(jié)

3、合位點(diǎn),CAP：cAMP Acceptor Protein (環(huán)化AMP受體蛋白) Catabolite gene Activator Protein(代謝分解物基因激活蛋白,6,Sextama Box：35 site，RNApol. loosely binding site RNApol. recognition site (R site) TTGACA (Sextama Box,Pribnow Box：10 site，RNApol. firmly binding site (B site) TATAAT (pribnow Box,Initiation site：1 site，RNA 轉(zhuǎn)錄起

4、始點(diǎn) (I site) (A/G,RNA polymerase binding site including,7,CAP-cAMP binding site (Activator Region，AR,AR ：IR是CAP-cAMP 的強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn) (7050) AR ：CAP-cAMP 的弱結(jié)合位點(diǎn) (5040,RNApol. into Sextama Box into Pribnow Box start transcription,8,RNA聚合酶 (RNA polymerase,for elongation 依靠靜電作用力，非專一性與DNA 結(jié)合 結(jié)合常數(shù)：1011/mol 半衰期：60,f

5、or initiation 依靠空間結(jié)構(gòu)，專一性與 DNA結(jié)合 結(jié)合常數(shù)：1014/mol 半衰期：數(shù)小時,9,10,轉(zhuǎn)錄的起始和延伸(initiation and elongation,11,轉(zhuǎn)錄的終止 (termination,終止子 (terminator)：DNA上提供轉(zhuǎn)錄停止信號的一段序列,強(qiáng)終止子，Rho-independent terminator 弱終止子，Rho-dependent terminator,強(qiáng)終止子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),存在回文序列，可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，阻止RNApol.的前進(jìn) 莖環(huán)內(nèi)富含GC，使莖環(huán)內(nèi)不易解開 3端常有68個U，便于RNA的釋放,12,存在回文序列，可形成莖

6、環(huán)結(jié)構(gòu)，且莖環(huán)結(jié)構(gòu)常較短 莖環(huán)中的GC含量少，莖環(huán)易打開 3端缺乏連續(xù)的AT對 由于莖環(huán)的存在可使聚合酶轉(zhuǎn)錄延宕，轉(zhuǎn)錄的終止必須有因子存在,弱終止子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),13,14,8.1.2 真核生物的RNA轉(zhuǎn)錄,與轉(zhuǎn)錄啟動相關(guān)的順式作用因子(cis-factors,啟動子(Promoter)：基本水平轉(zhuǎn)錄的 cis-factorFor housekeeping gene (constitutive expression) 增強(qiáng)子(Enhancer)：特異誘導(dǎo)(高效)表達(dá)的cis-factorFor luxury gene (inducible expression,15,啟動子(promoter)的

7、結(jié)構(gòu)和功能 (RNA 聚合酶,Core promoter (initiator, TATA box) UPE (Upstream Promoter Element) (CAAT box, GC box,起始因子(initiator)：PyPyANT/(A)PyPy，+1 決定起始強(qiáng)度和起始位點(diǎn)的正確選擇 TATA box：T A T A A(T) A A(T)，-25(Hogness box /Goldberg-Hogness box)選擇正確的起始位點(diǎn)，影響轉(zhuǎn)錄速率 CAAT box：G G C C(T) C A A T C T，-75控制轉(zhuǎn)錄起始活性 GC box：G G G C G G，

8、多拷貝，-90控制轉(zhuǎn)錄效率,16,與基本轉(zhuǎn)錄相關(guān)的反式作用因子(trans-factors,真核生物中RNA聚合酶的作用必須有其他相關(guān)轉(zhuǎn)錄蛋白在啟動子處的先期結(jié)合才能啟動轉(zhuǎn)錄,RNA polymerase,Including L, L subunit & 7-12 small subunits,17,TF ，Transcriptional Factor TBP，TATA box Binding Protein TAF，TBP Associate Factor RAP，RNApol. Associate protein,Trans-factor for basic transcription,真

9、核生物轉(zhuǎn)錄過程動畫,18,RNA前體的加工,19,20,21,8.2 蛋白質(zhì)翻譯 (Protein Translation,8.2.1 遺傳密碼 (genetic code,三聯(lián)體密碼 密碼間無逗號，不重疊 通用性 簡并性 起始密碼子和終止密碼子,22,8.2.2 基本元件,tRNA（轉(zhuǎn)移RNA, transfer RNA，將氨基酸搬運(yùn)到核糖體上,tRNA as a adapter for codon & amino acid tRNA loading aa by aa-tRNAaa synthetase (AARS) & paracodon tRNA recognise codon by a

10、nti-codon（反密碼子,氨基酰tRNA分子的形成,23,24,rRNA （核糖體RNA, ribosomal RNA，合成蛋白質(zhì)的工廠,25,26,mRNA（信使RNA, messenger RNA，合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，將DNA上控制蛋白質(zhì)合成的遺傳信息傳遞給核糖體,In Prokaryote：poly-cistron,5-end：300Nt leading seq. (A/G-AUG,Shine-Dalgarno seq. (S.D seq.,In Eukaryote：mono-cistron,5 m7Gppp-CCACC-A-3-A1U2G3G4,GGAGG,27,8.2.3 多肽鏈的

11、合成,Direction of peptide elongation：N C,in Prok.f MettRNAmetf & MettRNAmetm in Euk.MettRNAmetI & MettRNAmetE,AminoacyltRNAaa,28,29,肽鏈合成的起始(initiation,IF-1：9.5kd，加強(qiáng)IF-2，IF-3的酶活性 IF-2：95kd-117kd，促使f Met-tRNAmetf 選擇性的結(jié)合在30S亞基上 IF-3：20kd，促使30S亞基結(jié)合于mRNA起始部位，具有解離30S與50S亞基的活性,原核生物翻譯的起始,30,真核生物蛋白質(zhì)合成起始,31,肽鏈合

12、成的延伸和終止,釋放因子,32,8.3 基因表達(dá)的調(diào)控,原核生物對環(huán)境的適應(yīng)，真核生物的細(xì)胞分化、組織特化、個體發(fā)育以及環(huán)境對表型的影響都是基因表達(dá)的結(jié)果 基因表達(dá)的調(diào)控涉及RNA轉(zhuǎn)錄的開/關(guān)、數(shù)量、選擇性加工，蛋白質(zhì)翻譯速率、數(shù)量、加工與降解和分泌等 遺傳信息表達(dá)的方式：組成型表達(dá)(constitutive expression)，Housekeeping gene誘導(dǎo)型表達(dá)(inducible expression)，Luxury gene,33,原核生物與真核生物基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制具有相似性,轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì)、靈活，又是最為重要、復(fù)雜的調(diào)控,34,8.3.1 原核生物基因表達(dá)調(diào)控

13、,原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元是操縱子(operon,操縱子模型,控制某一代謝途徑的相關(guān)基因 (Z, Y, A) 在染色體上串連排列，受同一控制區(qū) (I, P, O) 控制,P, O 基因 (cis-factor) 緊密連鎖或彼此重疊，I 基因 (trans-factor) 位點(diǎn)不固定 各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯 (Z:Y:A=5:2:1,35,正調(diào)控和負(fù)調(diào)控 (Positive & Negative Control,正調(diào)控：無調(diào)節(jié)蛋白時, 基因關(guān)閉；有調(diào)節(jié)蛋白時, 基因轉(zhuǎn)錄激活物(activator)或無輔基誘導(dǎo)蛋白(apoinducer) 負(fù)調(diào)控：無調(diào)節(jié)蛋

14、白時, 基因轉(zhuǎn)錄；有調(diào)節(jié)蛋白時, 基因關(guān)閉阻遏物或阻遏蛋白(repressor,可誘導(dǎo) (inducible)和可阻遏 (repressible,可誘導(dǎo)：信號分子存在 活化無輔基誘導(dǎo)蛋白或鈍化阻遏蛋白 基因轉(zhuǎn)錄。誘導(dǎo)物(inducer) 可阻遏：信號分子存在 鈍化無輔基誘導(dǎo)蛋白或活化無活性的阻遏蛋白 基因關(guān)閉。輔阻遏物 (corepressor,36,原核生物結(jié)構(gòu)基因的4種表達(dá)調(diào)控類型,37,Negative control,Positive control,38,乳糖操縱子 (lactose operon) 分解酶類,Glucose is present use glucose as a c

15、arbon source. Glucose is not present, and lactose is present use lactose as a carbon source,Animation,NegativeInducible,39,40,I iS (Super-reperession mut.)I gene 產(chǎn)物 repressor 不能與 inducer 結(jié)合,I iC (Constitutive mut.) I gene 產(chǎn)物 repressor 喪失與O位點(diǎn)結(jié)合的能力,E.coli 乳糖代謝的各種突變型的研究,41,Animation,Animation,等位基因間的顯隱性

16、關(guān)系： I +/ i C, I + i C； i S / i C, i S i C； i S / I +, i S I,42,O OC (O gene constitutive mut.)OC失去與repressor特異結(jié)合的能力,Animation,OC/ O +, 順式顯性(cis-dominant,43,E.coli 乳糖操縱子的正調(diào)控,分解代謝阻遏(catabolite repression)：只要培養(yǎng)基中有葡萄糖存在，便會抑制利用其他各種糖(乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)的酶產(chǎn)生,44,PositiveInducible,45,色氨酸操縱子 (tryptophan operon) 合成酶

17、類,控制色氨酸的合成代謝過程。在其操縱子中不存在CAP-cAMP位點(diǎn)，因此和葡萄糖的存在與否無關(guān) 培養(yǎng)基中缺乏Trp時操縱子打開，加入Trp時trp 操縱子關(guān)閉。Trp對轉(zhuǎn)錄起阻遏作用,NegativeRepressible,46,色氨酸的衰減子調(diào)控 (attenuator control,47,48,49,Animation,50,8.3.2 真核生物基因表達(dá)調(diào)控,原核生物與真核生物基因表達(dá)調(diào)控的差異,51,基因的丟失 (DNA fragment or chromosome lose,有的生物在個體發(fā)育的早期在體細(xì)胞中丟失部分染色體，而在生殖細(xì)胞中保持全部的基因組 如馬蛔蟲胚胎發(fā)育過程中有2

18、7%DNA的丟失,基因的擴(kuò)增 特定基因在特定階段的選擇性擴(kuò)增,蟾蜍卵母細(xì)胞rDNA：Amplified by rolling model from 500 copies to 4500 大豆rDNA：95 copies from different individuals12 copies from different tissues8 copies from different F1,52,DNA 重排 (DNA rearrangement,酵母交配型轉(zhuǎn)換,單倍體啤酒酵母有和a兩種交配型，分別由Mat 和Mat a基因控制 兩個不同交配型細(xì)胞可以相互交配，而相同交配型細(xì)胞不能交配 交配型轉(zhuǎn)換

19、(mating-type conversion):某些品系的酵母具有從a型轉(zhuǎn)換成型，或從型轉(zhuǎn)換成a型的能力 交配型轉(zhuǎn)換依賴于顯性基因HO (homothallism,同宗結(jié)合,53,酵母菌交配型轉(zhuǎn)換,54,Cassette model,T.B. Hicks, 1977,所有細(xì)胞都含有形成MAT a 和MAT 型的潛在信息。位于MAT基因左側(cè)的為 HML ，右側(cè)的為 HMR a MAT 是活躍盒(active cassettes), HML 和 HMR a 是沉默盒(silent cassettes) 當(dāng)活躍盒被沉默盒的遺傳信息所取代時就發(fā)生了交配型轉(zhuǎn)換,55,56,交配型轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制,57,

20、58,染色質(zhì) (chromatin) 結(jié)構(gòu)與基因表達(dá),轉(zhuǎn)錄活化區(qū)/非轉(zhuǎn)錄活化區(qū)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)差異,轉(zhuǎn)錄活化區(qū)：核小體結(jié)構(gòu)不完全，No H1 in linker DNA 表達(dá)非?；钴S的 rDNA 轉(zhuǎn)錄區(qū)無核小體結(jié)構(gòu) 凡被Trans-factor結(jié)合的區(qū)域，均能阻止核小體形成 H2A, H2B, H3, H4組蛋白若被乙?；蛄姿峄揎?59,DNA甲基化,m5C是真核生物 DNA中的主要修飾成分，多發(fā)生在CpG序列中 不同細(xì)胞間m5C相差很大。胚胎細(xì)胞與特化體細(xì)胞相差106 DNA甲基化抑制轉(zhuǎn)錄,60,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,61,選擇性剪接 (Alternative splicing,相同的pre-mRNA，由于5、外顯子、3等選擇