基因表达的调控.ppt

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1、第三章 基因表达的调控,转录,RNA的生物合成是以DNA为模板的转录过程转录的产物不仅是作为蛋白质合成模板的mRNA，也包括tRNA和rRNA转录过程也包括起始、延长和终止三个阶段,第一节.模板和酶Section 1.Template&enzyme,转录的模板只有DNA分子中的其中一条转录的主要酶是依赖DNA的RNA聚合酶,一、转录模板(template of transcription),1.不对称转录(asymmetric transcription)2.模板链与编码链,与复制不同，转录具有选择性，只转录DNA分子中的某些区段，即结构基因(structural gene)结构基因中只有一条

2、链可作为模板链，但不同的模板链并不都在DNA分子中的同一单链上,是指编码基因(转录产物为mRNA)中互补的两条链，其中直接作为转录模板的称为模板链，对应的另一条称为编码链转录的方向为53，因此处在不同单链的模板转录方向相反,(一)、原核生物的RNA聚合酶 1.E.Coli的RNA-pol 2.其它原核生物的RNA聚合酶与E.Coli的RNA-pol组成和功能相似 3.原核生物的RNA聚合酶均受利福霉素类抗生素抑制,转录酶(transcriptase)为依赖DNA的RNA聚合酶(DNA-dependent RNA polymerase)，缩写为DDRP或RNA-pol,二、RNA聚合酶(RNA

3、polymerase),组成:4种亚基组成的五聚体2核心酶:2，具有催化活性，但没有特异性，需亚基辨认转录起始点,(二)、真核生物的RNA聚合酶 1.种类 RNA-pol、RNA-pol和RNA-pol 2.功能 三种酶具有不同的功能，转录产物不同，对抑制剂鹅膏蕈碱有不同敏感性。,种类 RNA-pol RNA-pol RNA-pol 转录产物 45S-rRNA hnRNA 5S-rRNA,tRNA,snRNAamanitin反应 耐受 极敏感 中度敏感,RNA-pol和RNA-pol 的转录产物为非编码基因，只有RNA-pol转录的是编码基因，是真核生物中最活跃的RNA聚合酶三种酶在组成上均为

4、多亚基蛋白，且有共有成分,(一)、转录单位 是指在DNA分子上的一些不连续的转录区段，又称为操纵子(operon)。(二)、转录单位的构成(三)、启动子,三、模板与酶的辨认结合(binding of enzyme to template),1.包括结构基因及其上游调控序列2.调控序列的启动子(promoter)是RNA聚合酶结合的部位,1.是上游调控区的特定片段，是RNA聚合酶辨认并结合的位置2.原核生物的启动子包括两个区段，-35区和-10区，前者是辨认位点，后者是起始位点,第二节.转录过程Section 2.Process of transcription,转录时，DNA只在小范围(102

5、0bp)内解链提供模板，形成转录空泡(transcription bubble)。(一)、原核生物的转录起始 1.首先由RNA聚合酶的因子辨认转录起始点(-35区)，随即结合于-10区的Pribnow盒，转录在此开始。2.转录开始后，因子解离，此时由RNA-pol的核心酶、DNA模板和转录产物RNA一起组成转录起始复合物。3.转录不需要引物,一、转录起始(initiation of transcription),4.转录产物RNA的第一个5-端核苷酸一直保持三磷酸核苷的形式,(二).真核生物的转录起始 1.真核生物的顺式作用元件和反式作用元件 真核生物的转录起始较为复杂，受很多因素的控制。保证

6、了基因转录表达的时序性。(1).顺式作用元件(cis-acting element)是指位于转录起始点上游的某些DNA片段，与转录起始的控制有关，如TATA盒(Hogness盒)、CAAT盒。(2).反式作用元件(trans-acting element)是指能直接或间接辨认、结合于转录上游区段的蛋白因子。其中可结合于RNA聚合酶的称为转录因子(trans-criptional factor,TF)。,2.转录因子和真核生物的转录起始复合物,转录因子种类很多，能分别结合RNA-pol、的TF分别称为TF、TF、TF，每一类又分许多亚类转录因子的功能多样：包括辨认、促进结合其它因子；结合RNA聚

7、合酶；结合或水解DNA；解旋真核生物转录起始复合物的形成较复杂，需不同的TF亚类次序组装，再结合RNA聚合酶，形成起始前复合物(pre-initiation complex,PIC),(一)、转录延长的生化过程,二、转录的延长(elongation of transcription),1.转录延长过程与复制基本相同，只是产物及酶不同。2.3,5-磷酸二酯键的形成和合成的方向(53)一样(二)、延长的特点 1.RNA-pol 随延长方向在模板上移动，解开一段转录一段,已转录片段迅速恢复双螺旋,即形成移动的转录空泡。,2.在转录复合体中，合成的RNA链的3-端有部分与模板链形成杂化双链，但不稳定，

8、随着 延长的进行,5-端逐渐脱落。3.原核生物是边转录边翻译。,(一)、原核生物的转录终止,三、转录的终止(termination of transcription),1.依赖 因子的转录终止 2.非依赖 因子的转录终止,因子是一种均一六聚体蛋白,其作用是结合终止区RNA,抑制RNA聚合酶，转录终止，同时使RNA-DNA杂化双链解旋，从而释放RNA,转录产物RNA的末端通过形成自身局部双螺旋，产生回折，形成发夹样结构，从而实现终止和释放,(二)、真核生物的转录终止,第三节.真 核 生 物 的 转 录 后 修 饰Section 3.Post-transcriptional modificatio

9、n of eucaryotes,转录生成的RNA是初级转录产物，均需要一定的修饰后，才具有生物活性。,转录终止点为一特征序列AATAAA，称为转录终止的修饰点转录往往会越过终止点，但产物RNA在修饰点处很快被切断释放，并进行5-加帽和3-加尾修饰。余下越过终止点的片段随即被RNAase水解。,(一)、首、尾的修饰 1.5-加帽 2.3-加尾,一、真核生物mRNA的转录后加工(modification of eucaryotic mRNA),磷酸酶,核内进行，且在剪接修饰之前，即hnRNA就有帽子结构过程,5pppG 5pG 5GpppG mGpppG,GTP Pi,PPi,甲基化酶,CH3,核

10、内进行,也在剪接修饰之前,且与转录的终止同时进行先在核酸外切酶作用下切去3-端过剩片段，再加上polyA,(二)、真核生物mRNA的剪接 1.hnRNA和snRNA 2.断裂基因、外显子和内含子 3.hnRNA剪接为mRNA,hnRNA(核不均一RNA)是mRNA的前体snRNA(小核RNA)是核内的小分子RNA，与蛋白构成并接体(splicesome)，其作用是帮助hnRNA的剪接,(1).断裂基因(split gene)真核生物的结构基因由编码区和非编码区间隔排列而成，称为断裂基因。(2).外显子(exon)和内含子(intron)断裂基因中具有编码信息的称为外显子，非编码区称为内含子。在

11、断裂基因中往往有多个外显子和内含子。,(三)、内含子的其它剪接方式及功能 1.内含子的分类(1).按基因的类型分,第类:存在于细胞器或低等生物的rRNA基因第类:存在于细胞器，转录产物为mRNA 第,类均可自身剪接(依赖于核酶)第类:存在于大多数基因及mRNA,依赖于并接体剪接第第类:存在于tRNA基因及其初级转录产物中，其剪接依赖于酶和ATP,并接体辨认结合hnRNA内含子的两端，使相邻外显子靠近，形成套索状(lariat)剪接过程为二次转酯反应(transesterification),(2).按中断基因线性表达的方式分 2.内含子的功能 目前广义的内含子已扩充为隔断基因线性表达的序列。其

12、功能主要是：,翻译前删除:即典型、常见的内含子翻译绕过式:在mRNA上不被删除，但不被翻译翻译后删除:属于蛋白质翻译后加工，指代表被删除的肽链片段的基因序列。,隔断基因线性表达，降低基因变异对生物性状的影响某些内含子在基因表达过程中还具有调控作用,1.tRNA的初级转录产物需切除5-端和中间的部分片段 2.tRNA的剪接需要内切酶和连接酶及ATP的参与 3.剪接后的还需进行碱基修饰，生成各种稀有碱基，修饰包括甲基化、还原反应、核苷内转位、脱氨反应等 4.最后在核苷酸转移酶作用下，在3-端去除个别碱基后，加上CCA-OH末端,二、真核生物tRNA的转录后加工(modification of eu

13、caryotic tRNA),三、真核生物rRNA的转录后加工(modification of eucaryotic rRNA),1.rRNA基因(rDNA)为高度重复的串联基因 2.真核rDNA基因转录产物为45S rRNA，然后分别剪接出18S、5.8S和28S的rRNA 3.很多rRNA的剪接不依赖于酶而可以自身催化加工，是由其分子中一些具有催化活性的片段,称为核酶(ribozyme)催化的,基因表达调控第一节 基因表达调控基本概念与原理一、基因表达的概念 基因组(genome):细胞或生物体携带的全部遗传信息（全套基因）基因表达：基因转录和翻译 基因表达不一定产生蛋白质 tDNAtRN

14、A,rDNArRNA,二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性(temporal specificity)某一特定基因的表达按特定的时间顺序发生 Hb 22 22 22（二）空间特异性(spatial specificity)细胞特异性或组织特异性 同一生长发育阶段，某一基因在不同的组织器官表达多少是不相同的 2.不同基因在不同的组织器官的表达也是不同的,二、基因表达的方式按对刺激的反应可分为：（一）组成性表达 管家基因（housekeeping gene）：在生物体几乎 所有细胞中持续表达的基因 组成性表达：管家基因的表达 较少受环境因素的影响,（二）诱导和阻遏表达诱导(inductio

15、n)：基因在环境信号刺激下，表达增强 DNA损伤修复酶基因的表达 阻遏(repression):基因在环境信号刺激下，表达降低 Trp 供应充足Trp 合成 酶基因表达协调表达(coordinate expression):功能相关的一组基 因，协调一致地表达，共同完成某种调节 代谢途径的调节,三、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控 转录 翻译基因结构活化,转录起始,转录后加工,翻译及翻译后加工（二）基因转录起始调节基本要素 特异DNA序列 调节蛋白 DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用 RNA 聚合酶,1.特异DNA序列 原核:-35区：TTGACA-10区：Pribnow b

16、ox 真核 顺式作用元件(cis-acting element):调节自身基因 转录的DNA序列 共有序列：TATA盒，CAAT盒，GC盒，enhancer 非编码序列 并非都位于转录起始点上游,2.调节蛋白 原核生物 特异因子：亚基(70,32)阻遏蛋白：阻遏基因转录 激活蛋白：促进基因转录真核生物 反式作用因子(trans-acting factor):与顺式作用 元件结合，调节另一基因转录 的蛋白质(反式作用),3.DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用DNA-蛋白质相互作用 RNA-pol与启动子的结合蛋白质-蛋白质相互作用 调节蛋白之间的相互作用 4.RNA聚合酶,四、基因表达调控的

17、生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化,第二节原核基因转录调节一、原核基因转录调节特点（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 阻遏蛋白-O 基因关（阻遏）阻遏蛋白X O 基因开（去阻遏）,二、操纵子 操纵子（operon）：原核生物DNA上，由功能 相关基因串联组成的转录单位 结构：调控区+结构基因 例：lac ara trp操纵子,三、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子的结构 调控区 I：调节基因编码阻遏蛋白 P：启动子结合RNA聚合酶 O：操纵基因结合阻遏蛋白 CAP位点：CAP-分解代谢物基因激活蛋白(cat

18、abolite gene activation protein)-结合cAMP-CAP 结构基因：Z，Y，A,P,O,Z,Y,A,结构基因,调节基因,启动子,操纵基因,编码阻遏蛋白,结合RNA-pol,结合阻遏蛋白,I,cAMP-CAP,P,O,TTGACA,-35区,TATAAT,-10区,CAP位点,5-ATTAAT,GTGAGTTAGCTCAC,TCATTAGG-3,（二）调节机制1.阻遏(repression)没有乳糖时，lac operon 处于阻遏状态 I 编码的阻遏蛋白与O结合，阻碍RNA聚合酶与P 结合，结构基因不转录 2.去阻遏 有乳糖时，lac operon 被诱导 乳糖半

19、乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合，改变阻遏 蛋白的构象，使阻遏蛋白与O解离，结构基因转录 只有乳糖存在，细菌利用乳糖获得能量,Glu与Lac共同存在时,细菌先利用Glu,还是先利用Lac?3.CAP的正性调节 Glu浓度低，cAMP浓度高时，cAMP与CAP结合 与CAP位点结合，促进RNA-pol与P结合，促进转录 Glu浓度高，cAMP浓度低时，cAMP不与 CAP结合，结构基因不转录。,4 协调调节,当Glu/Lac同时存在时，Lac阻遏蛋白负性调节和Cap正性调节协调作用，优先利用Glu作为C源：无乳糖：阻遏蛋白结合O基因，不能转录Glu/Lac同时存在：阻遏蛋白不结合O基因，能转录；但因无

20、cAMP-CAP的正性调节，RNA-pol与P结合的亲和力低，转录呈低水平。有乳糖无葡萄糖：阻遏蛋白不结合O基因，能转录；且因有cAMP-CAP的正性调节，RNA-pol与P结合的亲和力高，转录呈高水平。为强诱导作用。,第三节 真核基因转录调节一、真核基因组结构特点（一）结构庞大：数目多 结构复杂（二）单顺反子：只能编码一条多肽链的mRNA 原核(多顺反子）：编码多条多肽链的mRNA（三）重复序列：比原核多 高度重复序列：重复频率106次 中度重复序列：重复频率:103104 次 单拷贝序列（四）基因不连续性 转录区（外显子+内含子）+非转录区(调控区),二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚

21、合酶：，（二）活性染色体结构变化 1.对核酸酶敏感:DNaseI超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化：RNA-pol前方转录区构向由负超螺旋变为正超螺旋，利于RNA-pol前移。3.DNA碱基修饰变化:CmC,CpG 低甲基化 4.组蛋白变化：发生广泛的化学修饰，使核小体结构松弛。,（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分区进行 转录-细胞核，翻译-胞浆（五）转录后修饰、加工:比原核复杂,三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件：按功能分 1.启动子：转录起始点+功能元件(1)功能元件：TATA盒,GC盒，CAAT盒最简单的启动子：转录起始点+TATA盒典型的启动子：转录

22、起始点+TATA盒+GC盒+CAAT盒（转录活性高）,2.增强子(enhancer)距离转录起始点（130kb）,增强启动子转录活性的 DNA序列。特点：无方向性（上游，下游，内部），远距离作用。3.沉默子(silencer)抑制基因转录的DNA序列。特异蛋白与沉默子结合阻遏基因转录,（二）反式作用因子1转录因子的分类(RNA-pol)基本转录因子:TFA,B,D,E,F,H TBP(TATA盒结合蛋白）TAF(TBP相关因子）特异转录因子 EBP（增强子结合蛋白),TF D,2.转录因子结构DNA结合域：介导DNA-蛋白质相互作用 锌指(zinc finger)亮氨酸拉链(leucine zipper)转录激活域二聚化结构域：介导蛋白质-蛋白质相互作用 二聚体(dimer),Zinc-finger蛋白结构特征,Zinc-finger蛋白结构特征,Leucine-zipper的结构特征,Lwucine-zipper结构特征,（三）mRNA转录激活mRNA转录激活：前起始复合物（PIC）：启动子+基本转录因子+RNA pol 稳定的转录起始复合物：PIC+TAF+EBP+enhancer,