第7章基因表达调控.ppt
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1、第7章 基因表达调控,1、原核生物表达调控 2、真核生物表达调控,本次内容,1.1 原核生物基因表达调控总论,分类与特点弱化子降解物细菌应急反应,组成型基因(蛋白质)诱导型(调节型)基因(蛋白质)本底水平的基因表达 基因的表达包括转录和翻译两步过程,基因的表达调控可以发生在基因表达的任何阶段,涉及到多种因子。,转录水平的调控,转录后水平的调控,基因表达调控,mRNA加工成熟水平调控,翻译水平调控,原核mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起;转录和翻译几乎发生在同一时间间隔内,转录和翻译相偶联(coupled transcription and translation).,基因活性的调控主要通过
2、反式作用因子(trans-acting factor,通常是蛋白质)与顺式作用元件(cis-acting element,通常为DNA上的特定序列)相互作用而实现。顺式作用:任一不转变为任何其他形式的DNA序列,它只在原位发挥DNA序列的作用,它仅影响与其在物理上相连的DNA,有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA,而是RNA。顺式作用元件:是指对基因表达有调节活性的DNA序列,其活性影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因;同时,这种序列通常不编码蛋白质,多位于基因傍侧或内含子中。,反式作用:游离基因产物扩散至目标场所的过程。因此反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列一般不
3、在同一个DNA分子上。反式作用因子:由调节基因编码,调节基因是一种特殊的结构基因,其编码产物(RNA或蛋白质,通常是蛋白质或蛋白质亚基)可以扩散,控制其他基因的表达。,基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别DNA上非常短的一段序列(顺式元件)。,Cis-element,Trans-acting factor,Regulator,RNA polymarase,为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因,又使用结构基因(Structural gene)和调控基因(Regulator gene)的概念。结构基因是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码大
4、量结构和功能各异的蛋白质,包括结构蛋白、具有催化活性的酶和调控蛋白。调控基因(调节基因)是参与其它基因表达调控的蛋白质的结构基因。调控的关键是调控基因编码的蛋白质通过与DNA 上的特异位点的结合来调控转录。这种相互作用可以通过正(Positive)调控的方式(打开基因的作用)和负(Negative)调控的形式(关闭基因的作用)来调控一个靶基因(Target gene)。它们在DNA上的位点通常但不是专一的位于目的基因的上游。,多顺反子(polycistronic mRNA):是一组相邻或相互重叠基因的 转录产物,是编码多个蛋白质的mRNA。由操纵区同两个或多个功能相关的结构基因连在一起,受同一
5、调节基因和启动区的调控,形成一个操纵子(operon)。它包括结构基因、操纵位点、调节基因。是基因表达和调节的单位。,大多数细菌基因的表达调控依赖于操纵区(operator),这是与启动子连接的一段序列,可控制基因的转录起始。操纵区(operator):基因编码序列前面的DNA区,它可结合阻遏物或活化物,从而控制基因的转录起始。操纵基因位于基因的启动子后面,或与启动子重叠。阻遏蛋白/物(repressor):基因或操纵子转录起始点上游特定DNA序列(操纵基因)上的结合蛋白,可阻止RNA多聚酶开始合成mRNA,即阻止基因表达。,1.2.1 原核基因调控的类型和特点,负转录调控 调节基因产物是阻遏
6、蛋白,阻止结构基因的转录 负控诱导:阻遏蛋白、效应物不结合,不转录 负控阻遏:结 合,不转录 正转录调控 调节基因产物是激活蛋白,激活结构基因的转录 正控诱导:效应物存在,活化激活蛋白,不转录 正控阻遏:灭活激活蛋白,不转录,在负调控中,反式阻遏蛋白结合到顺式作用的操纵子上,从而关闭了转录。原核生物中多个基因调控是协同进行的。,在正调控中,为了能使RNA 聚合酶在启动子处起始转录,反式作用因子必须与顺式作用元件结合。,1.2.2 弱化子对基因活性影响,弱化子(衰减子):举例:色氨酸操纵子,1.2.3 降解物,1.2.4 细菌的应急反应,氨基酸饥饿空载tRNA激活焦磷酸转移酶 ppGpp关闭许多
7、基因(/打开氨基酸合成基因),在正常的蛋白质合成中,氨酰-tRNA占据A 位点是多肽转移酶转移多肽链的信号,接着便是由转位因子G 催化的移动。但在应急条件下,空载tRNA使得RelA蛋白合成出pppGpp,而后者排斥空载tRNA。,2.2 乳糖操纵子与负控诱导系统,Jacob 和Monod提出的操纵子学说 原核生物基因表达调控的模式和机制,Lac operon,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,阻遏蛋白与操纵子结合,使乳糖操纵子处于失活状态,加入诱导物以后,阻遏蛋白被释放出来,才允许RNA聚合酶起始转录。,围绕着乳糖操纵子转录启始位点,阻遏蛋白和RNA聚合酶的结合区域相互重叠。,当抑制因子(
8、lactose repressor)附着在操纵子上时基因关闭。乳糖操纵子中抑制因子与启动子的结合取决于细胞中是否存在异乳糖,即乳糖的同分异构体(isomer)。异乳糖是乳糖操纵子诱导物(inducer),它可与乳糖抑制因子结合使其脱离操纵基因,随后RNA多聚酶接触启动子。当乳糖被消耗完时,抑制因子又再次结合操纵基因阻止转录。乳糖操纵基因中抑制因子结合位点位于+11。抑制因子是一个同源四聚体,它们成对附着在操纵基因上。,播放动画:1、Regulation lac Operon 2、Lac Operon 3、I-lac Repressor,色氨酸的生物合成途径:分支酸-邻氨基苯甲酸-吲哚甘油磷酸-
9、色氨酸 由多种酶完成色氨酸的合成,2.3 色氨酸操纵子(The trp operon),色氨酸供应短缺时,基因活化;色氨酸过剩时,与组遏因子结合,抑制基因转录,1、转录起始的调节,2、衰减子(转录终止的调节):提前终止转 录,调节基因表达的功能区域。转录起始点前,存在前导序列:162nt,衰减子控制着RNA聚合酶能否进入Trp基因。聚合酶在启动子处起始后行进至+90 处,这时如果色氨酸缺乏,它会越过+140 的衰减子进入结构基因;如果有足量的色氨酸,衰减子发生作用,90%的聚合酶行进至衰减子处就游离下来,产生一个140bp 长的引导肽mRNA。,The trp Attenuator,RNA 聚
10、合酶停留在衰减子的那个部位取决于核糖体的位置,而核糖体的位置还决定着序列3、4能否形成终止发夹。,1、原核生物表达调控 2、真核生物表达调控,本次内容,2.1 真核基因结构和转录活性 2.1.1 基因家族 2.1.2 断裂基因 2.1.3 DNA水平上的基因表达调控 2.1.4 DNA甲基化与基因活性调控2.2 真核基因的转录2.3 反式作用因子2.4 真核生物转录调控的主要模式2.5 其他水平上的转录调控,第二节 真核转录调控,2.1.1 基因家族 2.1.2 断裂基因 2.1.3 DNA水平上的基因表达调控 1)开放型活性染色质结构对转录影响 2)基因扩增 3)基因重排与交换 2.1.4
11、DNA甲基化与基因活性调控 1)DNA甲基化 2)DNA甲基化抑制基因转录的机理 3)DNA甲基化与X染色体失活,2.1 真核基因结构和转录活性,2.1.3 DNA水平上的基因表达调控 1)开放型活性染色质结构对转录影响 活跃转录在常染色体上进行。特定区域解旋松弛 核小体结构的消除或改变;DNA本身结构变化(从右旋变为左旋);灯刷染色体 2)基因扩增 某些基因的拷贝数专一性大量增加,使细胞短时间内产生大量的基因产物满足生长发育的需要。3)基因重排与交换 基因重排;基因转换 2.1.4 DNA甲基化与基因活性调控 1)DNA甲基化 2)DNA甲基化抑制基因转录的机理 某些区域DNA构象变化,影响
12、蛋白质与DNA相互作用,抑制转录因子与启动区DNA的结合效率。3)DNA甲基化与X染色体失活,2.2 真核基因的转录(p255),真核生物没有像原核生物那样的操纵子结构,真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。顺式作用元件组成基因转录的调控区,影响基因的表达。,真核生物的顺式作用元件主要包括:(1)启动子(promoter)核心启动子元件 包括 TATA box:主要作用使转录精确地起始。上游启动子元件 CAAT box和GC box:控制转录起始的频率。,核心启动子结构 TFIID是惟一能独立且特异结合于核心启动子DNA的通用转录因子。它是一种包含TB
13、P和10个或更多TBP相关因子(或TAF)的多亚基蛋白。核心启动子包括距离转录起始位点约40到+50范围内的大部分DNA序列。1TATA框 Hogness框,这一序列元件含有TATAAA共有序列。TATA框位于转录起始位点上游25 bp30 bp处,能独立指导Pol II在离体条件下的裸DNA模板或活体中转化的DNA模板上进行低水平转录。当一个激活因子结合到附近的调控元件时,TATA框就能够指导活化转录。TFIID中的TBP亚基和TATA框直接接触。TFIID与TATA框的结合会导致其他转录因子的结合,形成多因子全酶。,起始元件 第二类核心启动子是起始子(Initiator,Inr,Smale
14、 l994)。起始子在指导前起始复合体的形成、确定转录起始位点的位置和引导上游激活因子方面的作用,与TATA框相似,但不同的是它直接覆盖转录起始位点。3下游核心启动子元件 下游核心启动子元件(downstream core promoter elementDPE)是首先在果蝇中发现的7核甘酸序列。DPE具有RGATCGTG共有序列,并位于起始位点下游大约30bp处。现已发现DPE存在于许多(但非全部)果蝇启动子中,很可能也存在于许多哺乳类动物的启动子中(Burke and Kadonaga 1996)。果蝇的DPE位于一个无TATA框的启 动子中,并与Inr元件相联合指导转录的特异起始。TFI
15、IB识别元件 TFIIB与位于TATA框上游32到38之间的一个GCGCGACGCC共有序列特异性结合。目前已发现BRE在许多真核生物启动子中存在。基本转录机构 哺乳动物的基因调控涉及到激活因子、抑制因子、基本转录机构和染色质之间复杂的相互作用。基本转录机构由Pol II、通用转录因子 TFIIA,TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH以及被称为中介体的共激活因子复合体组成。,(2)增强子(enhancer):是真核细胞中通过启动子来增强转录的一种远端性控制元件。增强的是同它连锁的基因的转录频率。增强子可位于基因的5端、3端或者基因的内含子中。转录频率增加10200倍。例
16、1981 Benerji SV40 DNA 140bp(增强子)SV40 DNA/兔血红蛋白融合基因的表达水平 组织和细胞专一性增强子:只在特殊的组织细胞、特定的转录因子参与下,才能发挥其功能。诱导性增强子:这种增强子的活性通常要有特定的启动子参与。例如:金属硫蛋白基因可以在多种组织细胞中转录,又可受类固醇激素、锌、镉和生长因子等的诱导而提高转录水平。,(3)绝缘子(insulator)*是长约几百个核苷酸对,通常位于启动子与正调控元件(增强子)或负调控因子(为异染色质)之间的一种调控序列。其明显特征是能够绝缘或保护启动子免受上游增强子的影响。绝缘子本身对基因的表达既没有正效应,也没有负效应,
17、其作用只是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活效应发生作用。绝缘子的作用具有方向性。(4)沉默子(silencer)*沉默子是在所有分析或一种特定的分析中抑制基因表达的远距离调控区。参与基因表达的负调控,与增强子、LCR(locus control regions 基因座控制区)相对立的元件。一些研究者认为,沉默子结合蛋白SIR指导异染色质构型的形成和构型的保持,是一种通过一段延展的DNA区域影响染色质结构,从而调控转录的DNA元件。,2.3 反式作用因子(p257),参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基,不具基因特异性;与转录的起始或终止有关的辅助因子,不具有基因特异性;与特异调控序列
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- 基因 表达 调控
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