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第十三章 基因表达调控

第十三章 基因表达调控. 思路:系列酶促反应的调节 基因表达调控 基因表达 调控 定义 特点 方式 意义 调节点 基本要素 特点 机制 共性 原核(主) 真核. 第一节 基因表达调控基本概念与原理. 一、基因表达 (一). 定义 基因表达:基因在各种调节机制下 , 经过系列 步骤 表现出其生物功能 的过程。

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第十三章 基因表达调控

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Presentation Transcript


  1. 第十三章 基因表达调控 思路:系列酶促反应的调节 基因表达调控 基因表达 调控 定义 特点 方式 意义 调节点 基本要素 特点 机制 共性 原核(主) 真核

  2. 第一节 基因表达调控基本概念与原理 • 一、基因表达 (一).定义 • 基因表达:基因在各种调节机制下,经过系列 • 步骤表现出其生物功能的过程。 • 即基因转录或转录与翻译的过程。 • 转录+翻译 蛋白质(主) • 转录 rRNA、tRNA • 基因:载有特定遗传信息的DNA片段. • 基因组:一个细胞或病毒所携带的全部遗传 • 信息或整套基因

  3. (二)、特点 • 具有时空性 • 1.时间特异性(阶段特异性) • 定义:指某一特定基因的表达严格按 • 特定时间顺序发生。 • e.g :不同时间、阶段表达多少不同 • 感染、发育(早期表达多) • 2.空间特异性(细胞,组织特异性) • 定义:指某一基因的表达按不同组织 • 空间顺序发生。 • e.g :不同组织、细胞表达产物多少不同

  4. (三)、方式 基本表达 对刺激反应小 适应性表达(诱导或阻遏) 对刺激反应大 1.基本表达(组成性基因表达) a.定义:不易受环境变化影响的基因表达。 即管家基因表达 • 管家基因:在机体所有细胞中持续表达的基因; • 表达产物是整个生命过程中都持续需要的。 • 即进行基本表达的基因。 • b. 影响因素: • 启动序列 • 启动子与RNA-pol相互作用 c.意义:维持生命的基本途径。

  5. 2.适应性表达 定义:易受环境变化影响的基因表达。 • 形式: • 诱导:受环境条件变化基因表达增强的现象。 阻遏:受环境条件变化基因表达减弱的现象。 影响因素: • 启动序列 • 启动子与RNA-pol相互作用 • 其他机制(含对特定刺激的反应元件) • 意义:适应环境的基本途径。 • 3.协调表达:在基本和适应性表达中,功能相关的 基因表达协调一致。

  6. 二、基因表达调控(共性) (一)、意义 1. 适应环境、维持生长和增殖(原核) 。 • 2.适应环境、维持个体发育与分化(真核)。 (二)、调控点 多级性(信息传第的任何环节): 基因激活 转录起始(基本点) 转录 后 加工 翻译 翻 译后加工 (三)、基本要素(e.g:转录激活) 特异DNA序列 调节蛋白 DNA与调节蛋白结合方式 RNA聚合酶

  7. 1.特异DNA序列(调节功能) • (1).原核生物 • 操纵子 • a.定义:原核基因的转录单位,由功能相关的 • 一组结构基因及其上游的调节序列(启动 • 子.操纵序列和其它调节序列)组成。 • b. 结构、作用: • 编码序列 转录的mRNA为多顺反子 • (结构基因) • 启动序列RNA-pol识别、结合部位 • 操纵序列 阻遏蛋白结合部位,控制 • 转录的开关,负调节 • 其它调节序列 激活蛋白结合部位,正 • 调节

  8. (2)、真核生物 • 顺式作用元件 • a.定义:是指真核生物DNA分子中参与基因转 • 录调控的特异DNA序列。 • b.成分和功能: • 启动子RNA-pol识别、结合的部位 • 增强子决定基因表达时空性,增强启动 • 子作用。 正调节 • 沉默子抑制基因转录.负调节 • 增强子: 是指能决定基因表达时空性,增 • 强启动子活性的特异DNA序列。 • 其作用方式与方向、距离无关。 • 沉默子: 是指能抑制基因转录的特异 • DNA序列。

  9. 2.调节蛋白 • (1).原核生物 • 分类 • 特异因子 决定RNA-pol对启动子 • (σ因子) 的结合、识别能力。 • 阻遏蛋白 结合操纵序列, • 阻遏转录(负性调节)。 • 激活蛋白 结合其他调节序列, • 促进转录(正性调节)。 • (2).真核生物 • 反式作用因子 (主) 结合调节另一基因 • 顺式作用因子 结合调节自身基因

  10. 反式作用因子 • a. 定义:结合另一基因的顺式作用元件, • 并激活该基因转录的蛋白质。 • b.分类: • 基本转录因子:是作用于启动子, • 维持基因基础转录 • (即转录成 mRNA.tRNA.rRNA) 包括:TFI、TFII、TFIII。 • 特异转录因子:作用于增强子和沉默子, • 为个别基因转录所必需, • 决定该基因表达的时空性 • 包括 转录激活因子 增强子 • 转录抑制因子 沉默子

  11. c.结构 DNA结合域 识别、结合特 锌指结构(主) 异DNA顺式元件 碱性-亮氨酸拉链 碱性螺旋-环-螺旋 转录激活域调节基因 酸性α-螺旋结构域 转录效率 富含Gln结构域 富含Pro结构域 二聚化结构域 与DNA结构域 结构有关

  12. 3.调节蛋白与DNA结合方式 • 直接 (DNA-蛋白质相互作用, • 多指反式作用): • 调节蛋白直接识 别、 结合 • 特异DNA序列 。反式作用 • 间接(主) (蛋白-蛋白-DNA相互作用): • 调节蛋白 先形成蛋白聚体 (二聚 • 体为主),蛋白聚体再结合特 • 异DNA序列。

  13. 4.RNA聚合酶 • RNA-pol活性最终体现转录调节情况。 • 影响因素:启动子 • 调节蛋白 • a.启动子:影响DNA与RNA-pol的亲和力, • 进而影响转录频率。 • 原核 RNA-pol(σ)直接结合启动子, • 共有序列与转录活性成正比。 • 真核 先形成调节因子-RNA-pol复合物, • 后才与启动子结合。 • b.调节蛋白:调节蛋白与DNA序列结合,影响 • RNA-pol活性。 • 阻遏蛋白 抑制RNA-pol • 正调节蛋白 促进RNA-pol

  14. 第二节 原核基因转录调节 • 多级调控,最关键点是转录起始 • E.g :转录起始

  15. 一、调节特点 • 1.σ因子决定RNA-pol识别特异性 • 2.操纵子模式具有普遍性 • 3.阻遏调节具有普遍性(负性调节占主导)

  16. 二、调节机制 • 方式 底物对酶的诱导 • 其它调节机制 • (一)底物对酶的诱导 (e.g:乳糖操纵子lac operon) • 1.乳糖操纵子结构 • 调节区 启动子(P序列) 结合RNA-pol • 操纵基因(O序列) 结合阻遏蛋白 • 调节序列(R序列) 结合CAP • 信息区 lacZ 编码半乳糖苷酶 (结构基因) lacY 编码半乳糖苷通透酶 lacA 编码已酰基转移酶

  17. 2.调节 • 方式 负性调节 协调调节 • 正性调节 • (1)负性调节 (阻遏蛋白控制) 图 • 乳糖 无:阻遏蛋白结合操纵序列,抑制转录。 • 有:阻遏蛋白结合乳糖,不能结合 • 操纵序列, 转录开启。(去阻遏) • (2)正性调节 (CAP控制) 图 • 葡萄糖 无:CAP活化(活化形式为CAP-cAMP), • 结合调节序列,促转录。 • 有 :CAP失活(cAMP少), • 不能结合调节序列,抑制转录。 

  18. (3)协调调节: • 定义:负性调节和正性调节相互协调。 • 目的:适应环境(根据环境碳源,进行 • 不同代谢)。 • 机制:一种调节方式有某种调节意向时, • 另一 种方式即会作出相应的支持。 • E.g:分解代谢阻遏图

  19. 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用 • a. 葡萄糖与半乳糖并成时, • 细菌首选利用葡萄糖; • cAMP , • 不能合成cAMP-CAP,CAP不能结合调节序 列 ,抑制转录。 • b. 此时、即使阻遏蛋白从操纵序列上脱落, 也不能转录。 • 阻遏蛋白 (脱落)负调节支持 CAP负调节 • 负性调节占主导

  20. (二)其它调节机制 • 1.转录衰减 产物对酶的抑制。 • 机制:e.g: E.coli • Trp 操纵子 Trp 多,Trp–阻遏蛋白复合 • 物结合O序列,阻断转录。 • 图 • 转录衰减 前导肽诱导形成衰减子(发 • 夹结构)阻断转录。 • 图 • 2.基因重组 引起变异, • 逃避宿主免疫监视。 • 3.SOS反应 产生修复蛋白, • 急救修复损伤DNA。

  21. 第三节 真核基因转录调节 • 多级性(较原核复杂), • 核心途径: • 环境信号传导 染色体活化 基因转录激活 • 本节讲mRNA转录激活(转录起始)

  22. 一、真核基因组特点 • 1.基因组庞大,且结构复杂。 • 基因组:一个细胞所携带的全部遗传信 • 息或整套基因。 • 人:3×109bp 编码基因6%、 • 重复基因5-10%、 • 无遗传学功能基因80-90%。 • 2.单顺反子 • 3.重复序列多 • 多拷贝序列 高度重复序列(106次) tRNA. • 中度重复序列(103~104次) rRNA • 单拷贝序列 重复一次或几次 结构基因 • 4.是断裂基因

  23. 二、调节特点 (区别原核) • 1.所需RNA-pol多,TF不同。 • 2.活性染色体结构变化, 利于转录。 • 活化后结构性质变化: 对核酸酶极度敏感。 • DNA拓扑结构改变(负性 正性超螺旋) • DNA碱基修饰变化(5’侧翼甲基化) • 组蛋白变化(量与稳定性下降、巯基暴露) 3.正性调节占主导。 • 4.转录与翻译分隔进行。 • 5.转录后加工修饰复杂。 • 6. 调节目的主要是维持个体发育与分化。

  24. (三)调节机制 (不清) • 复杂、多样。 • DNA元件和TF不同,调节方式与效果不同。 • 基本转录因子 协助RNA-pol与启动子 • 结合,形成PIC。 • 特异转录因子(TAF,EBP) 决定组织特 • 异性转录。 • 转录起始过程:

  25. 转录起始激活过程: • TFIID(含TBP)识别TATA盒 • TAF • TFIID-启动子复合物 • RNA-pol • TFIIA-F • PIC(不稳定,不能有效启动mRNA转录) • EBP(增强子结合因子) • 转录起始复合物(稳定,此时RNA-pol II才有 • 活性,启动转录。但其组织 • 特异性由TAF和EBP共同决 • 定。)

  26. 操纵子(operon):通常由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列 在基因组中成簇串联,组成一个转录单位。

  27. 1) 启动序列(启动子):是RNA聚合 酶结合并启动转录的特异DNA序列。

  28. 2) 操纵序列(operator): 是阻遏蛋白的结合位点   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,或使RNA聚 合酶不能沿DNA向前移动,阻碍转录。

  29. TF

  30. (一)乳糖操纵子的结构 R

  31. (二)阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时

  32. 有乳糖存在时

  33. (三)CAP的正性调节

  34. (四)协调调节

  35. (-).转录衰减

  36. 转录衰减(attenuation): 是指转录可正常起动,但在转录进入 第一个结构基因前即突然停止的过程。 由于这一终止作用并不能使正在进行的 结构基因转录中途停止,而仅是部分中 途停止转录,所以称为转录衰减。

  37. 衰减子(attenuator): 操纵子前导区内类似于终止子结构 的一段DNA序列,称为衰减子。其作用 是减弱操纵子的转录。

  38. 转录衰减机制:  实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。 当色氨酸浓度高时:

  39.   当色氨酸浓度低时:

  40. (二)基因重组 沙门菌鞭毛素基因的调节

  41. (三)SOS反应

  42. 2. 转录调节因子结构 DNA结合域 转录激活域 蛋白质-蛋白质结合域(二聚化结构域)

  43. 常见的DNA结合域: ① 锌指(zinc finger)

  44. ②亮氨酸拉链(leucine zipper)

  45. ③螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)

  46. 总结: • 基因表达调控 • 基因表达 :定义 特点 方式 • 调控的共性:意义 调节点 基本要素 • 原核的调控(主):特点 • 机制(乳糖操纵子学说) • 真核的调控:基因组特点 • 调控特点

  47. 第十三章 基因表达调控 • 第一节 基因表达调控基本概念与原理 • 一、基因表达定义 基因转录或转录与翻译的过程。 • 基因组:一个细胞或病毒所携带的全部遗传 • 信息或整套基因 • 二、基因表达特点 具有时间特异性和空间特异性 • 三、基因表达 方式 基本表达 和适应性表达(诱导或阻遏) • 四、基因表达调控意义适应环境、维持生长和增殖 、 维持个体发育与分化

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