基因表达的调控

目录WenzhouMedicalCollegeRegulationofGeneExpression目录WenzhouMedicalCollegeDNAReplicationRNAReplicationReverseTranscriptionProteinTranslationTranscriptionGeneexpressionCentraldogma目录WenzhouMedicalCollege基因表达调控元件顺式作用元件——与相关基因处于同一DNA分子上，起调控作用。启动子终止子增强子衰减子沉默子应答元件反式作用因子——由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达——反式调节。转录因子调节蛋白目录WenzhouMedicalCollege基因表达调控的方式正调控：激活蛋白与启动子、RNA聚合酶相互作用激活转录。负调控：阻遏蛋白与操纵基因结合，阻碍RNA聚合酶对操纵子结构基因的转录。目录WenzhouMedicalCollege基因表达的四种调控类型目录WenzhouMedicalCollege基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化目录WenzhouMedicalCollege基因表达调控的基本原理1.基因的表达是受多级调控的基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰目录WenzhouMedicalCollege2.基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。目录WenzhouMedicalCollege原核基因表达调控RegulationofProkaryoticGeneExpression目录WenzhouMedicalCollege原核基因表达调控策略取决于环境因素的诱导及细胞对环境的适应。DNA、转录、翻译三个水平上进行，但转录水平的调控是最主要的，尤其是转录起始的调控。转录和翻译水平偶联。操纵子是原核生物转录调控的主要形式。RNApolymeraseofprokaryoticcellα2ββ’+σ=α2ββ’σcoreenzymeholoenzyme目录WenzhouMedicalCollege操纵子模型的普遍性操纵子模型由法国的莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出，获诺贝尔生理学和医学奖。操纵子是指原核生物DNA上的一段区域，由若干功能相关的结构基因和控制这些基因表达的元件组成的一个完整的连续的功能单位。他一些调控序列。编码序列启动序列操纵序列调节序列(promoter)(operator)目录WenzhouMedicalCollege是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列目录WenzhouMedicalCollege2操纵序列——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白目录WenzhouMedicalCollege3)其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。目录WenzhouMedicalCollege乳糖操纵子调节机制1.乳糖操纵子(lacoperon)的结构I调控区CAP结合位点启动序列操纵序列ZYAOPDNA结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶阻遏基因目录WenzhouMedicalCollegemRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时2.阻遏蛋白的负性调节机制阻遏基因结构基因不转录-----阻遏蛋白与操纵区相结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。目录WenzhouMedicalCollege有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA异构乳糖(诱导物)β-半乳糖苷酶乳糖mRNA阻遏蛋白结构基因转录目录WenzhouMedicalCollege乳糖操纵子的负调控与诱导1.大肠杆菌对乳糖的反应2.异构乳糖的存在—真正的诱导物。目录WenzhouMedicalCollege++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3.CAP的正性调节机制ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP目录WenzhouMedicalCollege目录WenzhouMedicalCollege目录WenzhouMedicalCollege降解物敏感型操纵子（catabolitesensitiveoperon）目录WenzhouMedicalCollegeRNA聚合酶阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基无诱导物时lacALacYLacZOPi基因乳糖操纵子(lacoperon)的调控机制CAPcAMPCAP-cAMPmRNAβ-半乳糖苷乙酰转移酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷酶翻译转录无活性的阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基有诱导物时lacALacYLacZOPi基因目录WenzhouMedicalCollege4.协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖（葡萄糖效应）。阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作目录WenzhouMedicalCollege色氨酸操纵子调节机制1.色氨酸操纵子(trpoperon)的结构trpR启动子区、操纵区衰减子前导RNAE：邻氨基苯甲酸合酶D：邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶C：吲哚甘油磷酸合酶B：色氨酸合酶β亚基A：色氨酸合酶α亚基辅阻遏基因R目录WenzhouMedicalCollegeTrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶2.色氨酸的反馈阻遏调节辅阻遏蛋白这种以终产物终止基因转录的作用称为反馈阻遏。目录WenzhouMedicalCollegeUUUU……UUUU……前导mRNA1234UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域衰减子结构形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4trp密码子UUUU……3.衰减子的衰减作用调节终止密码子可被调节的转录终止区域目录WenzhouMedicalCollege色氨酸操纵子前导序列特征目录WenzhouMedicalCollegeUUUU……34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构和终止子的相似，可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止通过前导肽基因的翻译来调节结构基因3、4配对，结构基因转录终止目录WenzhouMedicalCollegeUUUU……423核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时序列3、4不能形成衰减子结构2、3配对，结构基因被转录目录WenzhouMedicalCollege细菌通过衰减作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停顿下来。•为什么又要有阻遏体系？阻遏物的作用是在有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导mRNA的合成,使这个系统更加经济。•为什么要有弱化系统？一般认为，阻遏物从有活性向无活性的转变速度较慢，需要有一个能更快地作出反应的系统。4.协调调节反馈阻遏调节与衰减作用调节两种机制协调合作目录WenzhouMedicalCollege目录WenzhouMedicalCollege原核生物翻译水平的调控翻译起始的调控重叠基因的翻译起始调控mRNA二级结构的调控反义RNA调控翻译延伸的调控稀有密码子对翻译的影响：稀有密码子所对应的tRNA较少，阻碍翻译进行。翻译终止的调控mRNA稳定性严紧反应目录WenzhouMedicalCollege原核生物SD序列对翻译的影响SD序列(Shine-Dalgarnosequence):mRNA起始密码子AUG前的一段富含嘌呤核苷酸的序列，长度一般为5bp。SD与AUG之间距离4-10个核苷酸最佳。SD序列核苷酸的变化能改变mRNA的二级结构，从而影响翻译效率。目录WenzhouMedicalCollege真核基因表达调节RegulationofEukaryoticGeneExpression目录WenzhouMedicalCollege真核生物基因表达调控特点1.真核基因表达调控的环节更多目录WenzhouMedicalCollege•真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质中DNA和组蛋白的结构状态都影响转录。2.真核基因的转录与染色质的结构变化相关目录WenzhouMedicalCollege真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上不依靠自身来起始转录，需要依赖多种激活蛋白的协同作用。真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍；真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。3.真核基因表达以正性调控为主目录WenzhouMedicalCollege真核生物基因表达调控类型（1）瞬时调控(可逆性调控)：相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。（2）发育调控(不可逆调控)：是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。目录WenzhouMedicalCollege染色质水平的调控：染色质结构、组蛋白修饰DNA水平的调控转录水平的调控转录起始与转录后加工调节翻译水平的调控真核生物基因表达调控的机制目录WenzhouMedicalCollege真核生物DNA水平上的基因表达调控1.基因丢失(不可逆)核的全能性:细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因。2.基因扩增某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象。药物:诱导抗药性基因的扩增。肿瘤细胞:原癌基因拷贝数异常增加目录WenzhouMedicalCollege3.基因重排一个基因可以通过从远离其启动子的地方移到距它很近的位点而被启动转录。如免疫球蛋白基因的重排。4.DNA甲基化mCpG，即“CpG岛”甲基化程度高，基因表达降低；去甲基化，基因表达增加。DNA甲基化提高了该位点的突变频率。目录WenzhouMedicalCollege真核生物转录水平上的基因表达调控顺式作用元件(cis-actingelement)与相关基因处于同一DNA分子上，起调控作用。启动子终止子增强子沉默子其他应答元件目录WenzhouMedicalCollege启动子(1)核心启动子元件(corepromoterelement)RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列,包括转录起始点及其上游-25～-30bp处的TATAbox。(2)上游启动子元件(upstreampromoterelement)包括通常位于-70bp附近的CAATbox和GCbox、以及距转录起始点更远的上游元件。目录WenzhouMedicalCollege哺乳类RNA聚合酶II启动子中常见的功能元件目录WenzhouMedicalColle