高一生物基因表达调控高一生物课件

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–基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。•rRNAtRNA的合成属于基因表达–基因组（genome）--一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。•二、基因表达的时间性及空间性•（一）时间特异性(temoralspecificiti)–某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生–Hbα2ε2→α2γ2→α2β2•（二）空间特异性(spatialspecificiti)–在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现三、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（housekeepinggene）--在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。–此类基因只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节•(二)诱导和阻遏表达•诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。–DNA损伤→修复酶基因激活–乳糖→利用乳糖的三种酶表达•阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平降低的过程–色氨酸—色氨酸合成酶系四、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五、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•（二）基因转录激活调节基本要素•1.特异DNA序列调控序列•原核生物:–操纵子(operon)--结构基因连同其上游的调控序列(启动序列promotorP、操纵序列operatorO、其他调节序列)构成一个操纵子–操纵子—原核生物转录单位–启动序列决定转录活性大小–操纵序列是阻遏蛋白的结合位点•负性调节为主•正性调节•真核生物：•顺式作用元件（cis-actingelement）--指可影响自身基因表达活性的DNA序列。–非编码序列–启动子、增强子、沉默子•2调节蛋白•原核生物：–特异因子--决定RNA聚合酶对启动子序列的特异识别和结合能力–阻遏蛋白--结合操纵序列–激活蛋白--结合启动序列邻近的DNA序列正性调节CAP•真核生物：转录因子•反式作用因子（trans-actingfactor）--通过与特异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录的蛋白质因子.•顺式作用自身基因•顺式作用蛋白–DNA-蛋白质–蛋白质-蛋白质•3DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用•DNA-蛋白质相互作用–调节蛋白氨基酸残基侧链--DNA碱基–非共价键•蛋白质-蛋白质相互作用–二聚体二聚化•同源二聚体•异源二聚体–多聚体•4RNA聚合酶•（1）启动序列/启动子与RNA聚合酶活性–启动序列/启动子核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力影响转录启动频率–强启动子弱启动子•（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性–诱导剂、阻遏剂使调节分子构象改变，直接或间接地调节RNA聚合酶转录启动过程第二节原核基因转录调节•一、原核基因转录调节特点•(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性•(二)操纵子模型的普遍性–操纵子—一个转录单位•(三)阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性二、乳糖操纵子调节机制•（一）乳糖操纵子的结构诱导型操纵子•P--RNA酶结合的DNA序列-10区TATAAT和-35区TTGACA,强启动子•O--结合阻遏物,是RNA酶能否通过的开关POZYA结构基因阻遏物基因启动子操纵基因产生阻遏蛋白RNA酶结合结合阻遏物ICAPPOTTTACA-35区TATGTT-10区CAP位点5′-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3′R基因•（二）、阻遏蛋白的负性调节–无乳糖lac操纵子处于阻遏状态–有乳糖lac操纵子即可被诱导•诱导剂半乳糖IPTG•（三）CAP的正性调节–CAP—分解代谢基因激活蛋白–同二聚体•DNA结合区•cAMP结合位点•乳糖操纵子的调控方式i基因POLacZLacYlacA无诱导物时阻遏物蛋白亚基阻遏蛋白RNA聚合酶i基因POLacZLacYlacA有诱导物时阻遏物蛋白亚基阻遏蛋白诱导物无活性的阻遏蛋白转录翻译β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷乙酰转移酶mRNACAPcAMPCAP-cAMP•（四）协调调节•负性调节与正性调节协调合作–阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用–如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性•☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖–葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录•结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合[无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)三、其他转录调节机制•（一）转录衰减•trp操纵子—阻遏型操纵子•有trp时—trp结合阻遏蛋白Trp时阻断转录RNA聚合酶辅阻遏蛋白OPR基因EDCBA+色氨酸•无色氨酸—操纵子基因开始转录，此后转录速率受转录衰减机制调节–结构基因与P之间有一衰减子区域–前导肽转录与翻译偶联–衰减子—不依赖ρ因子的终止结构–RNA聚合酶脱落，转录终止•（二）基因重组•（三）SOS反应–刺激因子--DNA的损伤和复制受阻–重组修复蛋白(RecA)参与,水解LexA(一系列操纵子的阻遏物)–先激活RecArecALexAlexArecCuvrAuvrB启动子阻遏蛋白LexARecA+降解第三节真核基因转录调节•一真核基因组结构特点–真核基因组结构庞大染色体结构具有多个复制起点.–单顺反子–含有大量重复序列高、中、单拷贝序列–基因不连续性内含子外显子–非编码区较多多于编码序列(9:1)二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、ⅢTBP-TATA盒结合蛋白TAF-TBP相关因子（二）活性染色体结构变化对核酸酶敏感DNaseⅠDNA拓扑结构变化天然DNA为负超螺旋→正超螺旋DNA碱基修饰变化5%C甲基化“CpG岛”负相关抑癌基因组蛋白变化H1减少、H2A·H2B不稳定性增加、组蛋白修饰、H3组蛋白巯基暴露（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰加工三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件1、启动子—RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件一个转录起始点一个以上功能组件TATA盒•2增强子(enhancer)—远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列通过启动子起作用与距离无关无方向性•3沉默子(silencer)–负性调节元件（二）反式作用因子1转录调节因子分类TF1.基本转录因子TFⅡD2.特异转录因子转录激活因子EBP转录抑制因子2转录调节因子结构1.DNA结合域锌指碱性α螺旋bHLH2.转录激活域3.二聚化结构域锌指结构锌指结构螺旋-转角-螺旋螺旋-环-螺旋（三）mRNA转录激活及调节RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别、结合启动子TFⅡD的TBP识别TATATAF（TBP相关因子）参与形成PIC本章重点•掌握基因表达调控的基本概念及基本原理、操纵子的概念及结构。•掌握管家基因、顺式作用元件、反式作用因子的概念，增强子的概念及特点。•熟悉乳糖操纵子的调节机理、衰减子的调控机理•掌握真核生物基因组结构特点思考题1、名词解释cis-actingelementhousekeepinggenetrans-actingfactor2、下列哪项不是真核生物基因结构的特点A、庞大B、分散C、有内含子D、90%以上DNA序列编码蛋白质3、属于顺式作用元件的是①内含子②启动子③外显子④增强子4、关于操纵子的正确叙述是①操纵子是一个转录单位，全部DNA序列均可被转录②RNA聚合酶与启动子结合③RNA聚合酶与操纵基因结合④操纵基因控制RNA聚合酶是否通过5葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用哪一种糖，为什么？6、真核基因组与原核基因组的区别基因研究大事记•1990.10国际人类基因组计划启动•1999.9中国获准加入人类基因组计划.负责测定人类基因组全部序列的1%,已就是3号染色体上的3000万个碱基对.中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也是唯一的发展中国家.•1999.12.1国际人类基因组计划联合研究小组宣布,他们完整地破译出人体第22对染色体的遗传密码.•2000.4中国科学家完成了1%人类基因组的工作框架图.•2000.6.26科学家公布人类基因组工作草图.–核苷酸序列的测定–问题和困难:人类基因组庞大分散断裂重复多态性•二基因转录调控元件•真核生物结构基因上游存在一些调控区序列–顺式作用元件(cis-actingelement):指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的DNA片段.如:增强子,启动子,沉默子(负调控元件)–反式作用因子(trans-actingfactor):和调控区序列相结合或间接影响其作用的蛋白质因子,统称为反式因子.1975DNA碱基序列分析法1977φX174DNA5375bp(103)1982λ噬菌体48531bp(104)1984EB病毒172282bp(105)第三节癌基因•癌基因已被证实是正常存在于生物(包括人类)基因组内的,它的结构异常或表达异常,也的确可以引起细胞癌变.•一癌基因–本世纪初发现某些病毒对动物有致癌作用–70年代从逆转录病毒中发现癌基因(oncogene,onc)–80年代初在人膀胱癌细胞株中证实有oncogene•(一)病毒癌基因–1911PeytonRous发现鸡肉瘤病毒(RSV)可以致癌,其中与致癌有关的基因src称为癌基因1966诺贝尔奖–Bishop,Varmas证实RSV中的src不是逆转录病毒固有的,而是来自宿主基因组的src基因1989诺贝尔奖–致瘤病毒中存在的某些核苷酸序列称为癌基因,即病毒癌基因(v-onc)–人类常见的致瘤病毒RNA病毒人类T淋巴性病毒Ⅰ(HTLV-Ⅰ)DNA病毒EBV,HSV,HCMV,Ad–习惯上,将逆转录病毒上所含的致癌基因称为v-onc,而将宿主细胞基因组中的同源基因称为原癌基因或细胞癌基因•(二)细胞癌基因(cellularoncogene,c-onc)•细胞癌基因是指真核细胞中存在的一段核苷酸序列,这段核苷酸序列在正常细胞中以非激活形式存在,故又称原癌基因(proto-onc).在某些特定条件下激活可致癌变•原癌基因具有内含子和外显子•(三)原癌基因分类•原癌基因表达的蛋白产物分布于细胞膜,细胞质,或细胞核根据蛋白产物的功能分为几大类:–1.生长因子(growthfactor,GF)及其类似物,以及生长因子受体(GF--R)–2.酪氨酸蛋白激酶:某些酶蛋白磷酸化(ser)–3.GTP结合蛋白:影响细胞内的信号系统–4.核内蛋白质:结合DNA发挥转录调控作用,甚至影响复制•由此可将癌基因分为相应的几类,或称癌基因家族用三个字母来表示,超过100个src家族ras家族myc家族sis家族erb家族•(四)癌基因的激活•原癌基因正常情况下行使正常的调控功能,,在某些特定因素作用下,其结构或调控发生异常,使之激活才具有致癌活性•致癌机理–1.调节序列的插入启动子,增强子–2.基因突变膀胱癌细胞株EJ和T24中,点突变激活C-rasH癌基因,造成细胞癌基因大量表达–3.基因重排染色体异位burkitt淋巴瘤t(8;14)8q24→14q32C-myc被激活–4.基因扩增原癌基因复制多个拷贝–5.基因偶联某些原癌基因在特定条件下因其它原癌基因首先激活而序贯活化称为基因偶联癌变的发生是多阶段，不同阶段相继或同时又不同癌基因激活•二抑癌基因(tumorsuppressergene)–遗传性肿瘤细胞中特定染色体或染色体的某一部分丢失丢失的这一部分可能对细胞的恶性转化有抑制作用因此推测在此染色体上存在抑癌基因–1986年视网膜母细胞瘤(retinoblastoma,Rb)隐性癌基因Rb被克隆并测序,抑癌基因首次被证实c-rasH基因P21ras产物GGCCAGglyglnGTCval※EJ/T24细胞株的突变–已发现的