分子生物学3课件.ppt
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1、 基 因 表 达 调 控基 因 表 达 调 控Regulation control of Gene Expression 戴 五 星戴 五 星同济医学院生物化学与分子生物学系同济医学院生物化学与分子生物学系第第 一一 节节Section概概 述述本节介绍本节介绍4 4方面内容方面内容:基因经过转录、翻译,产生具有特异生物基因经过转录、翻译,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言言,基因的表达只有转录的过程。基因的表达只有转录的过程。*基因表达基因表达(gene expresiongene expresion)基因表达是受调控的基因表达是受
2、调控的 基因表达调控(基因表达调控(gene expression gene expression regulation and controlregulation and control)指通过生物体内的调控系统来调节和控制指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性,使之在特定的时间、体内蛋白质的含量与活性,使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现,以适应机特定的空间、并以一定的强度出现,以适应机体生长、发育和繁殖的需要。体生长、发育和繁殖的需要。(一)(一)时间特异性时间特异性 在单细胞生物,按功能需要,某一特定基因在单细胞生物,按功能需要,某一特定基因的表达随时间
3、、环境而变化,严格按特定的时的表达随时间、环境而变化,严格按特定的时间顺序发生,这就是基因表达的时间特异性。间顺序发生,这就是基因表达的时间特异性。在在多多细胞生物,从受精卵到组织器官形成的细胞生物,从受精卵到组织器官形成的各个不同发育阶段,相应基因严格按一定时间各个不同发育阶段,相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭,表现与发育阶段一致的时间顺序开启或关闭,表现与发育阶段一致的时间性。因此,在多细胞生物,基因表达的时间特性。因此,在多细胞生物,基因表达的时间特异性又称异性又称阶段特异性阶段特异性。(二)(二)空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布基因表达伴随时间顺序所表现
4、出的这种分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。在个体生长全过程,某种基因产物在个体按在个体生长全过程,某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现,这种按一定空间顺序不同组织空间顺序出现,这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。出现的基因表达称空间特异性。按对刺激的反应性,基因表达的方式分为:按对刺激的反应性,基因表达的方式分为:(一一)组成性表达组成性表达 无论表达水平高低,管家基因无论表达水平高低,管家基因较少受环境因素较少受环境因素影响影响,而是在个体各个生长阶段的大多数
5、或几乎,而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达,或变化很小。区别于其他全部组织中持续表达,或变化很小。区别于其他基因,这类基因表达被视为基因,这类基因表达被视为组成性表达组成性表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达表达,通常被称为通常被称为管家基因管家基因。(housekeeping gene housekeeping gene)(二)(二)诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,基因表达产物增加,这种基因称为基因表达产物增加,这种基因称为可诱导基因可诱导基因。
6、可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,称可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,称为为诱导(诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制,这种基如果基因对环境信号应答是被抑制,这种基因是因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的。可阻遏基因表达产物降低的过程称为过程称为阻遏(阻遏(repression)。在一定机制控制下,功能上相关的一组基因,在一定机制控制下,功能上相关的一组基因,无论其为何种表达方式,均需协调一致、相互配无论其为何种表达方式,均需协调一致、相互配合、共同表达,即为合、共同表达,即为协调表达协调表达 (coordinate coordinate expre
7、ssionexpression)这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinate regulationcoordinate regulation)(三)协调表达(三)协调表达 基因基因激活激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNAmRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰 包括基因扩增(拷贝数增多)、基因重排、基包括基因扩增(拷贝数增多)、基因重排、基因结构的活化等。真核基因组因结构的活化等。真核基因组DNADNA与组蛋白组成与组蛋白组成核小体,核小体串联为染色质,染色质再密集为核小体,核小体串联为染色质,染色质再密集为染色体
8、染色体,RNApol,RNApol分子量分子量500kD500kD,核小体分子量仅,核小体分子量仅260kD260kD,核小体绕在,核小体绕在4 4对组蛋白所组成的八聚体核对组蛋白所组成的八聚体核心外两周,心外两周,DNADNA还要围绕核小体盘旋两周还要围绕核小体盘旋两周。DNADNA必须部分暴露才能使必须部分暴露才能使RNApolRNApol有效的结合,有效的结合,转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。转录水平的调控是基因表达调控中转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节最重要的环节,转录的起始是转录的起始是基本的控制点基本的控制点。转录起
9、始调控在很多转录起始调控在很多基因表达中普遍发生,这是因为:基因表达中普遍发生,这是因为:在所有生物合在所有生物合成途径中,第一步反应通常是最有效的调节环节,成途径中,第一步反应通常是最有效的调节环节,控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成,节约原料,合理用能;物合成,节约原料,合理用能;在功能方面相互在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因(如依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因(如LacLac操纵子),此时通过转录起始阶段调节这些基操纵子),此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。因产物的表达是最有效的。指
10、转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、加工过程。包括转录提前终止、mRNAmRNA前体的加前体的加工、剪接、工、剪接、RNARNA编辑等。对大多数基因来说,基编辑等。对大多数基因来说,基因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来因转录水平的调控是最重要的。但对某些基因来说,说,转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上和蛋白质结构与功能上也是也是十分关键的十分关键的。如肌钙。如肌钙蛋白有蛋白有2020种同源蛋白,这种变异是由于转录后变种同源蛋白,这种变异是由于转录后变位剪接
11、造成的。位剪接造成的。通过特异的蛋白质阻断某些通过特异的蛋白质阻断某些mRNAmRNA翻译起始,翻译起始,是一种特异性调节。是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。调控的主要阶段。蛋白质合成后,使其活化并发挥生物学功能的调蛋白质合成后,使其活化并发挥生物学功能的调节过程,多数蛋白质的肽链合成后,需经一定的节过程,多数蛋白质的肽链合成后,需经一定的加工和修饰,才能成为具有特定空间构象和生物加工和修饰,才能成为具有特定空间构象和生物学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键学活性的蛋白质。加工包括肽链的折叠、二硫键配对,前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等
12、,配对,前体激活及肽链中一些残基侧链的修饰等,这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程这些使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为称为翻译后水平的调控。翻译后水平的调控。第第 二二 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of gene expression in prokaryotesSection 1 1、启动子、启动子 启动子是启动子是DNADNA链上能与链上能与RNApolRNApol结合并能有结合并能有效起始效起始RNARNA转录的转录的DNADNA序列。它是序列。它是基因表达不基因表达不可缺少的调控序列可缺少的调控序列,没有启动子,基因就不能,没有启动子,基
13、因就不能转录。转录。5 TTGACA TATATT AGGTCCACG 3-35-10+1 3 AACTGT ATATAA TCCAGGTGC 5AGGUCCACG 启动子决定转录的效率启动子决定转录的效率RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列是是RNARNA聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启动转录的特异录的特异DNADN
14、A序列。序列。启动序列启动序列 因子控制因子控制RNApolRNApol与与DNADNA结合结合 因子的作用是确保因子的作用是确保RNApolRNApol与特异的与特异的启动子而不是与其他位点结合启动子而不是与其他位点结合 核心酶核心酶 core enzymecore enzyme全酶全酶 holoenzymeholoenzyme 因子使得因子使得RNApolRNApol选择特定的启动区起始转选择特定的启动区起始转录录。一旦一种。一旦一种 因子被另一种因子被另一种 因子代替,即引因子代替,即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高
15、或其它应激变化引起始。如环境温度升高或其它应激变化引起 3232与与核心酶结合,核心酶结合,RNApolRNApol全酶结合全酶结合HspHsp基因的启动区,基因的启动区,起始起始HspHsp基因转录,而原先许多基因的转录关闭。基因转录,而原先许多基因的转录关闭。操纵元件又称操纵基因操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结是阻遏蛋白识别与结合的一小段合的一小段DNADNA序列。序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过调控作用的蛋白。它主要通过改变启动子的可获改变启动子的可获得性得性而控制基因转录。而控制基因转录。操纵元件与
16、阻遏蛋白操纵元件与阻遏蛋白去阻遏(去阻遏(derepressionderepression):一类特定的小分子物一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白失活,从质与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白失活,从DNADNA脱落下来的作用。脱落下来的作用。辅阻遏辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白活化,抑制转录。结合,使阻遏蛋白活化,抑制转录。如如E.coli lacE.coli lac ,当阻遏蛋白与操纵序列结合时,当阻遏蛋白与操纵序列结合时,则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)(IPTG)存在存在时,阻遏蛋白与乳糖结
17、合而变构,变构的阻遏时,阻遏蛋白与乳糖结合而变构,变构的阻遏蛋白不能与操纵序列结合,引起结构基因转录。蛋白不能与操纵序列结合,引起结构基因转录。如如E.coli TrpE.coli Trp,无色氨酸时,阻遏蛋白不,无色氨酸时,阻遏蛋白不能与操纵序列结合,能与操纵序列结合,RNApolRNApol与启动子结合启与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时,阻遏蛋白与色氨动基因转录。有色氨酸时,阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵序列结合,阻止酸形成复合物后与操纵序列结合,阻止RNApolRNApol与启动子结合而抑制转录。与启动子结合而抑制转录。正调控蛋白:正调控蛋白:一类与一类与DNADNA结合后,促进
18、基因转录的调控结合后,促进基因转录的调控蛋白。它主要通过蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率改变启动子的起始效率而控而控制基因的转录。制基因的转录。CAPCAP与与CAPCAP位点结合后,才能位点结合后,才能促使促使RNApolRNApol与与启动子结合启动子结合,启动基因转录,这样一个操纵子中,启动基因转录,这样一个操纵子中的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。的一组基因要转录必需具备两个条件才能转录。阻遏蛋白与操纵基因解离阻遏蛋白与操纵基因解离CAP与与CAP结合位点结合结合位点结合 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构
19、基因结构基因Z:-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y:透酶透酶A:乙酰基转移酶:乙酰基转移酶ZYAOPDNAntrCntrCpntrBntrB激酶激酶ntrBntrB磷酸酶磷酸酶 当谷氨酰胺丰富时,当谷氨酰胺丰富时,ntrBntrB以磷酸酶活性为主,当谷氨酰以磷酸酶活性为主,当谷氨酰胺缺乏时,胺缺乏时,ntrBntrB以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动以激酶活性为主。谷氨酰胺合成酶基因启动子上游有两个子上游有两个ntrCntrC结合位点,既可与磷酸化的结合位点,既可与磷酸化的ntrCntrC结合,又结合,又可与去磷酸化的可与去磷酸化的ntrCntrC结合。去磷酸化的结合。去磷酸化的ntrCntrC与位
20、点结合后没与位点结合后没有调控活性,磷酸化的有调控活性,磷酸化的ntrCntrC与与DNADNA结合位点结合后,通过结合位点结合后,通过DNADNA的柔曲性,回折到启动子处,直接与的柔曲性,回折到启动子处,直接与RNApolRNApol接触,提接触,提高高RNApolRNApol的解链能力,形成开放性的起始复合物。的解链能力,形成开放性的起始复合物。是一种位点特异性的是一种位点特异性的重组酶重组酶。可使。可使DNADNA的某的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位,而控制基因转录。发生倒位,而控制基因转录。转录终止子转录终止子(temin
21、ater(teminater)定义:定义:指基因的指基因的33末端或者操纵子的末端或者操纵子的33的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。分类:分类:依赖依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子 不依赖不依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子相同点:相同点:终止点之前有一段反向重复序列,两重终止点之前有一段反向重复序列,两重复序列之间有间隔序列,终止子被转录出来的复序列之间有间隔序列,终止子被转录出来的RNARNA可形成发夹结构。可形成发夹结构。不同点:不同点:不依赖不依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子反向重复序列反向重复序列中有较多中有较多G-CG-C碱基对
22、,碱基对,反向重复序列反向重复序列下游有下游有6-8A-T6-8A-T碱基对;依赖碱基对;依赖 因子的转录终止子因子的转录终止子反向重复序列反向重复序列中中G-CG-C含量较少,含量较少,反向重复序列反向重复序列下游没有固定特征。下游没有固定特征。不依赖不依赖 因子因子(E.coli,TrpE.coli,Trp)终终止子止子依赖依赖 因子(因子(TR1)的终止子)的终止子回文序列下游回文序列下游A/UA/U序列的作用:序列的作用:dAdA和和rUrU之间氢之间氢键力和碱基堆积力很弱,造成键力和碱基堆积力很弱,造成RNARNA和和DNADNA杂交杂交部分很容易拆开,三元复合物解体,部分很容易拆开
23、,三元复合物解体,RNApolRNApol与与RNARNA解离,转录终止。解离,转录终止。因子具有两种活性:因子具有两种活性:促进转录促进转录终止终止;具有具有NTPNTP酶活性酶活性,后一种,后一种活性是实现前一种活性必不可少活性是实现前一种活性必不可少的。的。ATP 是一个受翻译控制的转录终止子结构。是是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响,衰减子下游的基因影响,衰减子下游的基因或者继续被转录或者继续被转录,或或者者在衰减子处在衰减子处实现转录的终止。实现转录的终止。当当ppGppppGpp与与RNApolR
24、NApol结合时,即改变结合时,即改变RNApolRNApol的构象,活性降低,而影响基因转录。的构象,活性降低,而影响基因转录。Regulation mechanism of transcription in prokaryotic genes原核结构基因转录调控机制受操纵子控制原核结构基因转录调控机制受操纵子控制The Operon is the popular regulation mechanism in regulation of prokaryotic gene expression.乳糖操纵子调控模式乳糖操纵子调控模式(一一)乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结
25、构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z:-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y:透酶透酶A:乙酰基转移酶:乙酰基转移酶ZYAOPDNARegulatory mechanism of Lac operonmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时(二二)乳糖操纵子受乳糖操纵子受阻遏蛋白和阻遏蛋白和CAPCAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.阻遏蛋白负性调节阻遏蛋白负性调节(Negative regulation of repressor)When lactose is absentmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时
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