人体机能学课件基因表达调控.ppt

1、基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression第第4节节一一 基本概念与原理基本概念与原理二二 原核基因转录调节原核基因转录调节三三 真核基因转录调节真核基因转录调节一一 基本概念与原理基本概念与原理1Q.What is gene expression?2Q.How to regulate?3Q.Why does regulation?(Biological significance)1.What?基因基因(gene)基因经过转录或转录和翻译，产生具有特异生物学功能基因经过转录或转录和翻译，产生具有特异生物学功能的的RNA或蛋白质分子的过程。或蛋白质分子的过

2、程。基因表达基因表达(gene expression)基因组基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息，一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息，不同生物的基因组含有不同数量的基因。不同生物的基因组含有不同数量的基因。负载特定遗传信息的负载特定遗传信息的DNA片断，片断，通常包括通常包括DNA编码序列、非编码调节序列和内含子。编码序列、非编码调节序列和内含子。gene expressiontranscriptiontranslation =+2.How?基因表达水平是受调控的基因表达水平是受调控的按功能需要，某些特定基因的表达严格按特定的按功能需要，某些特定基因的表达严格按特定的 时间

3、顺序发生，称之为时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性基因表达的时间特异性(time/temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)。1.Growth hormone 2.AFP(alpha fetal protein):基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissu

4、e specificity)。Eg:Insulin gene is only expressed in b-cells of pancreatic islet.在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性基因表达的空间特异性(space/spatial specificity)。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：1.基本表达（组成性表达）基本表达（组成性表达）2.诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达3.协调表达协调表达v基因在一个个体的不同发育阶段的几乎

5、所有组织细胞中持续基因在一个个体的不同发育阶段的几乎所有组织细胞中持续表达，通常被称为表达，通常被称为管家基因管家基因(house-keeping gene)。这类基因。这类基因表达被视为表达被视为组成性基因表达组成性基因表达(constitutive gene expression)。v管家基因管家基因较少较少受环境因素影响，在个体各个生长阶段的大多受环境因素影响，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，表达量几乎没有变化。数或几乎全部组织中持续表达，表达量几乎没有变化。v但两种不同的管家基因表达水平并不一定一致。但两种不同的管家基因表达水平并不一定一致。vEg:actin,GA

6、PDH,ubiquitin.v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，这种基因称为加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。v可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导诱导(induction)。v如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。Eg:1.DNA Damage Repair enzyme gene is

7、induced.2.Lac operon 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为在一定机制控制下，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、共同表达，称为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，称为协调表协调表达达(coordinate expression)，这种调节称为，这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。Eg.metobolism pathway regulation includes several enzymes and proteins.MULTILEVEL REGULATION OF GENE EXPRESSIOND

8、NA Level vDNA rearangement(cool but rare!)v DNA methylationTranscriptional LevelvInitiation of RNA transcription*vPost-transcription:vSplicingvmRNA stabilityvTransport of RNATranslational LevelvInitiation of protein translationvPost-translation modifications基因激活基因激活转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解翻译翻译翻译后

9、加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等（一）适应环境、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化二二 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of prokaryotic gene transcription调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始UpstreamRegulatory proteinRNA RNA PolymerasePolymeraseRNA RNA PolymerasePolymerasemRNAtranscriptiontranslationOUTLINE 1.What is Operon（操

10、纵子）?2.What is Lac Operon（乳糖操纵子）?How to regulate?(negative control and positive control)Why?结构基因结构基因(genes)启动子启动子(promoter)操纵序列操纵序列(operator)其它调节序列其它调节序列（regulatory)1.操纵子操纵子 operon:to operate =G+R(POR)是是RNA聚合酶识别，结合并启动转录的聚合酶识别，结合并启动转录的特异特异DNA序列序列。RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATG

11、TTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点。的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍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聚合酶与启动序列的结合，或是结合，或是RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列RNA pol阻遏蛋白阻遏蛋白转转 录录RNA polA.激活蛋白，激活蛋白，

12、B.阻遏蛋白，阻遏蛋白，C.特异因子特异因子激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶的转录活性，聚合酶的转录活性，如如 分解分解(代代谢谢)物基因激活蛋白物基因激活蛋白(CAP,catabolite gene activate protein)，在没有此激活蛋白存在时，在没有此激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全聚合酶很少或完全不能结合启动序列。不能结合启动序列。同时有些调节蛋白可能不在给定的操纵子中，而在基因组的同时有些调节蛋白可能不在给定的操纵子中，而

13、在基因组的其他部位。其他部位。HISTORY a landmark event in the history of molecular biology.The first operon to be described was the lac operon in E.coli.In 1960,a short paper from Dr.J and Dr.M described how two adjacent genes involved in lactose metabolism were coordinately regulated by a genetic element located

14、at one end of the gene cluster.2.乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)PRGO=a promoter(P)+an operator(O)+a gene of repressor proteinlacI(R)+3 structure genes:lacZ,lacY,lacA(G)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 DNA阻遏基因阻遏基因+1ZYAOPIOFFONZ：-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-半

15、乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖How to turn On?Negative control by repressor protein:Major environment factor:LactoseFunction of structure gene products:Utilize lactosegalactose 半乳糖半乳糖1)无乳糖存在时无乳糖存在时阻遏物可以结合在操纵序列上阻遏物可以结合在操纵序列上 阻止转录过程阻止转录过程 基因关闭基因关闭2)有乳糖存在时有乳糖存在时乳糖乳糖 半乳糖与阻遏物结合半乳糖与阻遏物结合 阻遏物变构阻遏物变构 阻遏物不能结合操纵序列阻

16、遏物不能结合操纵序列 转录进行转录进行 基因开放基因开放How to be completely ON?Positive regulation mediated by CAP:Major environment factor:Glucose:Function of structure gene products:Utilize lactose 调控区调控区CAP结合位点结合位点结构基因结构基因DNA阻遏基因阻遏基因+1ZYAOPICAP（catabolite gene activate protein）分解（代谢）物基因激活蛋白分解（代谢）物基因激活蛋白CAP+cAMP 复合物复合物 结合在结

17、合在CAP的的结合位点上结合位点上 促进促进RNA pol向前移动向前移动 促转录促转录COOPERATIVE REGULATION OF THE LAC OPERONA.当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作对该系统不能发挥作用用(缺乏乳糖)；B.如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子转录活性也几乎可以忽略不计操纵子转录活性也几乎可以忽略不计(乳糖存在,葡萄糖存在)。C.当没有阻遏蛋白与操纵序列结合当没有阻遏蛋白与操纵序列结合(既需要乳糖存在)同时同时CAP存在存在(又缺乏葡萄糖),操纵子转录活性最高。操

18、纵子转录活性最高。So:阻遏蛋白的负性调节和阻遏蛋白的负性调节和CAP的正性调节相互协调。的正性调节相互协调。若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在时，先利用葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。是最节能。通过降低通过降低cAMP浓度，阻碍浓度，阻碍cAMP与与CAP结合而抑制结合而抑制 lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。真核基因转录调节真核基因转录调节MULTILEVEL REGULATION OF GENE EXPRESSIONDNA

19、level vDNA rearangement(cool but rare!)v DNA methylationTranscriptional levelvInitiation of RNA transcription*vPost-transcription:vSplicingvmRNA Stabilityvtransport of RNATranslational levelvinitiation of protein translationvPost-translation modifications At DNA level:Impact of chromatin structure m

20、odifications At Transcription level:1.Cis-acting element 2.At the promoter:Megaprotein complex 3.Activation at distance Post-Transcription and Translation level:AT DNA LEVEL Impact of Chromatin structure modificationsHistone code hypothesis:Patterns of histone variations and modifications control th

21、e chromatin-DNA activity.Eg:methylation,acetylation,ubiquitination,phosphorylation to histone tails AT TRANSCRIPTION LEVELLac Operon:Protein binding to DNA1.Cis-acting element:A.Promoter:TATA box B.Enhancer:Discovery C.Silencer GENERAL STRUCTURETATA盒盒(-20-30bp)：结合位点结合位点GC盒盒CAAT盒盒-70bp 反式作用因子反式作用因子结合

22、位点结合位点真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶聚合酶结合位点周围结合位点周围的的一组一组转录控制组件转录控制组件，至少包括一个，至少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以及一个以上的以上的功能组件功能组件指远离转录起始点指远离转录起始点(130kb)、决定基因的时间、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。序列。某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。因子时，对基因转录起阻遏作用。2.AT PROMOTER RNA polymerase II TATA eleme

23、nt:recognized by TFIID Mediator Transcription Factors(including TFIID)TRANSCRIPTION FACTORS(TFS)TF:sometimes called as sequence-specific DNA-binding factor.is a protein that binds to specific DNA sequences,thereby controlling the flow/transcription of genetic information from DNA to mRNA.Feature:con

24、tain one or more DNA-binding domains(DBDs)TFs perform this function alone or with other proteins in a complex,by promoting,or blocking the recruitment of RNA polymerase to specific genes.基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种决定三种RNA（mRNA、tRNA及及rRNA

25、）转录的类别。）转录的类别。TFIID:TBP(TATA binding protein)TAF(TF associated factors):TFIIA,TFIIB,TFIIE,TFIIF,and TFIIH.特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。特异性表达。转录激活因子转录激活因子增强子增强子转录抑制因子转录抑制因子沉默子沉默子转录因子属于转录因子属于反式作反式作用用因子因子 有些基因产物（蛋白质）可特异识别、结合有些基因产物（蛋白质）可特异识

26、别、结合自身基因自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，这种蛋白可称为的调节序列，调节自身基因的表达，这种蛋白可称为顺式作用蛋白顺式作用蛋白。这种调节作用称为这种调节作用称为顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达，这种的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达，这种蛋白称为蛋白称为反式作用因子反式作用因子。这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)顺式作用蛋白顺式作用蛋白cDNAaDNA反式作用反式作用C顺式作用

27、顺式作用mRNA C蛋白质蛋白质CbAmRNA蛋白质蛋白质AADNA结合域结合域转录激活域转录激活域转录因子转录因子蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）酸性激活域酸性激活域谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域脯氨酸富含域C CysH His常结合常结合GC盒盒常结合常结合CAAT盒盒3.ACTIVATION AT DISTANCEmRNA1、基因、基因组，基因表达、基因表达调控。、基因、基因组，基因表达、基因表达调控。2、原核生物：操纵子概念和乳糖操纵子的结构及调控、原核生物：操纵子概念和乳糖操纵子的结构及调控机理。机理。3.真核生物基因表达在转录起始的调

28、节，包括顺式作真核生物基因表达在转录起始的调节，包括顺式作用元件与反式作用因子的概念。用元件与反式作用因子的概念。ZYAOPImRNA阻遏蛋白阻遏蛋白pol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因DNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶ZYAOPIpolDNAZYAOPI+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时CAPCAPCAPCAPCAPCAPDNA1）有葡萄糖存在时）有葡萄糖存在时cAMP cAMP-CAP复合物复合物，不能结合，不能结合CAP位点上

29、位点上 正调控作用正调控作用 基因不能表达基因不能表达2）无葡萄糖存在时）无葡萄糖存在时cAMP cAMP-CAP复合物复合物 正调控作用正调控作用 基因表达基因表达mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低葡萄糖低cAMP浓度高浓度高葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时细胞中细胞中cAMP浓度降低浓度降低缺乏乳糖与阻遏蛋白结合缺乏乳糖与阻遏蛋白结合CAP失活失活阻抑蛋白与操纵基因结合阻抑蛋白与操纵基因结合CAP及及RNA聚合酶不能聚合酶不能与启动基因结合与启动基因结合基因转录被阻遏基因转录被阻遏阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时细胞中细胞中cAMP浓度升高浓度升高乳糖作为诱导剂乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合与阻抑蛋白结合cAMP与与CAP结合并使之激活结合并使之激活促使阻抑蛋白促使阻抑蛋白与操纵基因分离与操纵基因分离CAP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合基因转录激活基因转录激活CAP的正性调节的正性调节