基因表達(dá)的調(diào)控制演示文稿

基因表達(dá)的調(diào)控制演示文稿1當(dāng)前1頁，總共94頁。基因表達(dá)的調(diào)控制當(dāng)前2頁，總共94頁。3遺傳信息傳遞中心法則當(dāng)前3頁，總共94頁。4基因表達(dá)

(geneexpression)

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程。一、基因表達(dá)的概念rRNA與tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達(dá)當(dāng)前4頁，總共94頁。5二、基因表達(dá)的特點（一）時間特異性

階段特異性

（二）空間特異性組織細(xì)胞特異性P141當(dāng)前5頁，總共94頁。6

按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達(dá)

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(dá)，或變化很小。如管家基因。三、基因表達(dá)的方式當(dāng)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(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。bcl-2β-actin12當(dāng)前7頁，總共94頁。8（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)(inductionexpression)阻遏表達(dá)(repressionexpression)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinanceexpression)在一定機制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。當(dāng)前8頁，總共94頁。9

四、基因表達(dá)的調(diào)控的概念

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

蛋白質(zhì)(主要)RNA(某些環(huán)節(jié))當(dāng)前10頁，總共94頁。11六、基因表達(dá)的調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后當(dāng)前11頁，總共94頁。12

第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)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(dá)的調(diào)控。當(dāng)前12頁，總共94頁。13一、原核生物基因表達(dá)的特點

1.只有一種RNA聚合酶。2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位。操縱子（operon）多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調(diào)控區(qū)和下游轉(zhuǎn)錄終止信號組成的基因表達(dá)單位。當(dāng)前13頁，總共94頁。14操縱子學(xué)說開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控的研究F·JacobJ·L·Monod當(dāng)前14頁，總共94頁。15操縱子(operon)模型tayz

opstructural

genepromoterterminatoroperator乳糖操縱子lacoperon當(dāng)前15頁，總共94頁。16PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多順反子mRNA當(dāng)前16頁，總共94頁。173.轉(zhuǎn)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(dāng)前17頁，總共94頁。18

5.原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；

(2)終止調(diào)控(衰減子調(diào)控)。當(dāng)前18頁，總共94頁。19二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

(二)轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

(三)翻譯水平的調(diào)控當(dāng)前19頁，總共94頁。20(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)當(dāng)前20頁，總共94頁。21調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點結(jié)合。(1)б因子當(dāng)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(jié)合能力。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子為σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28P108當(dāng)前22頁，總共94頁。23(2)啟動序列（promoter）RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列當(dāng)前23頁，總共94頁。24

共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。某些特異因子（蛋白質(zhì)）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(dāng)前24頁，總共94頁。25

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。當(dāng)前25頁，總共94頁。26

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶阻遏基因I

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA當(dāng)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(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因當(dāng)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(jié)合是相互排斥的。當(dāng)前28頁，總共94頁。29

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

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

當(dāng)前29頁，總共94頁。30mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖負(fù)調(diào)控的打破當(dāng)前30頁，總共94頁。31誘導(dǎo)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(dāng)前31頁，總共94頁。323.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。

當(dāng)前32頁，總共94頁。33轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP當(dāng)前33頁，總共94頁。34

cAMP與葡萄糖相關(guān)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(zhì)(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。當(dāng)前34頁，總共94頁。35

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac操縱子。

當(dāng)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(dāng)前36頁，總共94頁。37

※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)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(xì)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(dāng)前37頁，總共94頁。38

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控；ATP當(dāng)前38頁，總共94頁。39

例:色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控

1.通過阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

2.通過衰減子作用B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。當(dāng)前39頁，總共94頁。40TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?轉(zhuǎn)錄衰減的調(diào)控色氨酸操縱子6700個核苷酸140個核苷酸當(dāng)前40頁，總共94頁。41UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……當(dāng)前41頁，總共94頁。42UUUU……34UUUU3’34

核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制

125’

trp密碼子

衰減子結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶

終止當(dāng)前42頁，總共94頁。43UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA

15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶

2.當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄

序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)當(dāng)前43頁，總共94頁。44色氨酸豐富時，核蛋白體順利沿引導(dǎo)序列移動直達(dá)最后一個密碼子UGA，合成完整的引導(dǎo)肽。RNA聚合酶停止在衰減子部位。當(dāng)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(zhuǎn)錄。當(dāng)前45頁，總共94頁。46

(三)翻譯水平的調(diào)控

翻譯一般在起始和終止階段受到調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)分子:RNA、蛋白質(zhì)調(diào)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(dāng)前46頁，總共94頁。471.反義RNA的調(diào)控作用

反義RNA

能與特定mRNA互補結(jié)合的RNA片段，由反義基因轉(zhuǎn)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(dāng)前47頁，總共94頁。48

反義RNA調(diào)控Tn10轉(zhuǎn)位酶基因的表達(dá)示意圖當(dāng)前48頁，總共94頁。492.RNA的穩(wěn)定性與調(diào)控的關(guān)系mRNA的穩(wěn)定性與其序列和結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.蛋白質(zhì)合成中的自身調(diào)控

如：核糖體蛋白當(dāng)前49頁，總共94頁。50第二節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控

單細(xì)胞真核生物，如酵母基因表達(dá)的調(diào)控和原核生物表達(dá)的調(diào)控基本相同。

多細(xì)胞真核生物，遺傳信息從細(xì)胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。當(dāng)前50頁，總共94頁。51一、真核生物基因表達(dá)的特點

（1）細(xì)胞具有全能性

（2）基因表達(dá)的時間性和空間性當(dāng)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(dá)和血紅蛋白分子類型胚胎期胎兒期和成人期ε當(dāng)前52頁，總共94頁。53

（3）轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進行

（4）初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工修飾

初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為核不均一性RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）當(dāng)前53頁，總共94頁。54當(dāng)前54頁，總共94頁。55

（6）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)（5）部分基因多拷貝

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

(monocistronicmRNA)當(dāng)前56頁，總共94頁。57二、真核生物基因表達(dá)的多級調(diào)控（一）DNA水平（二）轉(zhuǎn)錄水平（三）轉(zhuǎn)錄后水平（四）翻譯水平（五）翻譯后水平當(dāng)前57頁，總共94頁。58（一）DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失：不可逆的調(diào)控；2.基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)；3.基因重排：調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性；VJCVJCVJCIgG的基因重排當(dāng)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(dá)降低；早基化程度低，基因表達(dá)增加。5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：

組蛋白與DNA結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄，非組蛋白與DNA結(jié)合促進基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前59頁，總共94頁。60（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控真核生物RNA聚合酶有3種種類ⅠⅡⅢ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S-rRNA（5.8、18、28）Hn-RNAsnRNA5S-RNAtRNA（RNApolymerase,RNApol）當(dāng)前60頁，總共94頁。611.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上，形成功能性啟動子，才能被RNA聚合酶識別和結(jié)合。TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEDTATABFEDNAARNApolyⅡTATA當(dāng)前61頁，總共94頁。62轉(zhuǎn)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(jié)合DNA，并且在轉(zhuǎn)錄過程中促使RNA聚合酶分子與啟動子結(jié)合。當(dāng)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(dá)但不編碼新的蛋白質(zhì)和RNA的DNA序列，按照功能分為啟動子、增強子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。

當(dāng)前63頁，總共94頁。64

（1）啟動子(promoter)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盒決定RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始點和轉(zhuǎn)錄頻率的一關(guān)鍵元件。當(dāng)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(dāng)前65頁，總共94頁。66TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-CAAT--GCGC----TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列當(dāng)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(biāo)基因轉(zhuǎn)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(dá)的時空特異性當(dāng)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(zhuǎn)錄的DNA序列,與反式作用因子相互結(jié)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(dá)起作用。b)加尾信號當(dāng)前68頁，總共94頁。695------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA當(dāng)前69頁，總共94頁。70當(dāng)前70頁，總共94頁。71真核基因結(jié)構(gòu)當(dāng)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(jié)合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。有時也稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）當(dāng)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(zhuǎn)錄因子。普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。②組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。與基因表達(dá)的組織特異性有很大關(guān)系。③誘導(dǎo)性反式作用因子。活性能被特異的誘導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。當(dāng)前73頁，總共94頁。74反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域連接區(qū)（結(jié)合其他蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域）當(dāng)前74頁，總共94頁。75（1）DNA結(jié)合域的結(jié)構(gòu)模式1）鋅指結(jié)構(gòu)2）同源結(jié)構(gòu)域3）堿性亮氨酸拉鏈5）堿性α-螺旋結(jié)構(gòu)4）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)前75頁，總共94頁。761）鋅指結(jié)構(gòu)配位鍵2-9個定義：是一種常出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)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(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。當(dāng)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(dāng)前77頁，總共94頁。78②同源結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域。所含的至少二個α螺旋中形成“轉(zhuǎn)折”，第三個α螺旋與DNA大溝相互作用是同源盒蛋白與DNA結(jié)合的主要力量。當(dāng)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(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。當(dāng)前79頁，總共94頁。804）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋當(dāng)前80頁，總共94頁。81（2）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：轉(zhuǎn)錄激活區(qū)1）酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域2）富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域3）富含脯氨酰胺結(jié)構(gòu)域當(dāng)前81頁，總共94頁。824.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機制1）反式作用因子的激活1）表達(dá)式調(diào)節(jié)：反式因子合

成出來就具有活性2）共價修飾調(diào)節(jié)：

磷酸化-去磷酸化，糖基化3）配體結(jié)合4）蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用當(dāng)前82頁，總共94頁。832）反式作用因子作用方式連鎖反應(yīng)：轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合后促

進另一轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合DNA扭曲：改變DNA構(gòu)型滑動：沿DNA滑動到另一特異

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