基因表达调控

LOGO基因表达调控Regulationofgeneexpression吉林大学白求恩医学院分子生物学教研室杨光讲师Tel:0431-856193692012-12-06LOGO有关课程安排（理论课；实验课）最后一次理论课（12月20日），开卷考试有关考核形式及时间LOGO营养状况（nutritionalstatus）环境因素（environmentalfactor）激素水平（hormonelevel）发育阶段（developmentalstage）都有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制不同生物使用不同的信号来指挥基因调控：LOGO一、有关基因表达的几个概念1.基因（Gene）2.基因组（Genome）3.基因表达（GeneExpression）4.基因表达调控（GeneExpressionRegulation）LOGO基因（Gene）：编码一个RNA或蛋白质所需的整个核苷酸序列编码结构蛋白结构基因编码调控蛋白调控基因tRNA只转录不翻译的基因LOGO一套完整单倍体的遗传物质的总和。在原核生物体内，基因组是一条双链环状DNA。在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA(染色体DNA)和线粒体DNA的全部序列。2.基因组（Genome）：LOGO基因表达（GeneExpression）：生物基因组中基因经过转录或转录和翻译等一系列过程，合成特定的RNA或蛋白质的过程。CentralDogma:ProteinDNARNATranslationTranscriptionLOGO基因表达的过程：•基因活化（转录前）•转录（起始，延伸，终止）•转录后•翻译（起始，延伸，终止）•翻译后各个环节中都有基因表达调控的控制点（checkpoint）LOGO、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调解表达产物的多少以满足生物体的自身需求以及环境变化的过程。4.基因表达调控（GeneExpressionRegulation）：基因表达的种类和强度了解动植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能细胞的分化状态和功能LOGO基因表达调控的基本规律①基因表达具有时空特异性；②诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式；③基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节；④蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础；⑤基因表达调控是多层次的复杂调节。LOGO①基因表达具有时空特异性基因表达的时间特异性（阶段特异性）基因表达的空间特异性（组织特异性）根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平不同。LOGO差异基因表达（differentialgeneexpression）是同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础。多细胞生物进化的结果，是细胞活动分工的基础。①多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的；②不同细胞表达不同基因；③同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因；④同一种细胞中不同基因表达水平不同。LOGO组成性表达（constitutiveexpression）诱导与阻遏管家基因(housekeepinggene)——参与生命的全过程，在一个生物体的所有细胞中均持续表达的基因。表达基本不受环境因素和其他因素的影响，这样的基因表达方式称为组成性表达。在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，称其为诱导（induction）；另一些则表现出关闭性或抑制性的表达，称其为阻遏（repression）。基因表达的调控主要是针对易受环境影响的基因。②诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式LOGO顺式作用元件（cis-actingelement）反式作用因子（trans-actingfactor）存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的DNA序列。包括：启动子、增强子及沉默子等。作用：参与基因表达的调控。（不编码蛋白质）能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上、参与调控靶基因转录效率的蛋白质。功能结构域：DNA结合结构域、转录活化结构域。③基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节LOGO作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通过特异性地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互作用。真核生物体系基因组结构复杂，首先形成蛋白质-蛋白质复合物，再形成蛋白质-DNA复合物，参与基因表达的调控。④蛋白质-DNA及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础LOGO无论原核生物还是真核生物，基因表达的调控都体现在基因表达的全过程中。⑤基因表达调控是多层次的复杂调节LOGO二、原核生物基因表达特点CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes1.操纵子是原核生物的基因转录单元2.mRNA的转录、翻译和降解偶联进行3.mRNA所携带的信息差别很大LOGO•大多数为单细胞生物•没有细胞核•没有膜包裹的细胞器•无性繁殖，二分裂或芽生遗传物质水平转移LOGO操纵子(operon)是原核生物的基因转录单元操纵子是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，调控序列控制结构基因的转录。结构基因启动子(promoter)操纵序列(operator)阻遏蛋白基因RNA聚合酶识别和结合的部位阻遏蛋白识别和结合的部位多个功能相关的结构基因串联，受同一个控制区调节编码阻遏蛋白参与基因表达调控？LOGO的转录、翻译和降解偶联进行同一部位、同时进行。RNApol•细菌的转录和翻译有相似的速率37℃，•mRNA转录：40nt/s≈13aa•蛋白质翻译：15aa/s≈45nt•细菌的翻译效率极高•多点同时起始翻译•大多数细菌mRNA都非常不稳定•细菌mRNA的平均半衰期约为2min•mRNA稳定性对其编码蛋白质的产量有影响参与基因表达调控？LOGO：单顺反子（一个结构基因，编码一个蛋白质），少数；多顺反子翻译一个特定顺反子的核糖体的数量取决于其起始位点(SD序列)的效率•多个结构基因串联在一起•结构基因之间有长短不同的间隔序列•每个结构基因有自己的核糖体结合位点参与基因表达调控？30nt10nt2ntLOGO三、原核生物基因表达的转录水平调控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel1.转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础2.特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始3.乳糖操纵子调控模式LOGO基因表达：•RNA的合成(转录)与加工•蛋白质的合成(翻译)与加工•蛋白质与核酸的相互作用•RNA聚合酶、转录因子——DNA•核糖体、起始因子、终止因子——mRNA调节和控制调节的分子机制：•蛋白质——核酸、蛋白质——蛋白质，相互作用ByLOGO序列和蛋白质结构为基础•顺式作用元件(cis-actingelements)在原核生物中：•启动子•操纵元件（阻遏蛋白结合位点）•CAP蛋白结合位点（正调控蛋白结合位点）•增强子启动子是最重要的顺式作用元件操纵元件紧邻启动子下游，与启动子部分重叠是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点是阻遏蛋白识别和结合的一小段DNA序列能被基因调节蛋白特异性识别和结合的DNA序列LOGO•基因特异性转录因子（genespecifictranscriptionfactors）能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质。激活蛋白（正调控蛋白）：对基因表达有激活作用阻遏蛋白：对基因表达有抑制作用最常见的DNA结合域：锌指(zincfinger)螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）LOGO结合后控制转录起始•因子和启动子决定转录是否能够起始36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能RNA聚合酶全酶覆盖的区域-40+20，因子识别并结合-35区和-10区。了解因子相关基因表达调控的规律可能有助于更好地掌控原核基因的表达调控RNA聚合酶移动方向：35因子是一个家族：•与核心酶组成全酶后，才能结合启动子•不同因子可以竞争结合RNA聚合酶•环境变化可诱导产生特定的因子•不同因子由各自基因编码LOGO•阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控阻遏基因操纵基因结构基因IPLacYLacALacZORNA聚合酶结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白单体PO阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点：•操纵元件(operator)•紧邻启动子下游•甚至部分序列与启动子重叠•对RNA聚合酶可形成空间阻碍LOGO•激活蛋白结合正调控元件对转录起始进行正调控正调控方式：•结合启动子邻近序列•结合增强子可远距离进行转录起始正调控-----TGTGA--------TCACT---GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG------ACACT--------AGTGA--CACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-共有序列-35-10+1•是顺式作用元件•可位于基因上游、下游、内部以及其他染色体上LOGO原核细胞：生长与周围环境密切相关具有强适应性及高度的应变能力不断地调节各种不同的基因的表达以适应营养条件（如碳源，氮源等）和对付周围不利的物理化学因素细菌必须能迅速合成自身需要的蛋白质、核酸等生