《生物化学与分子生物学》基因表达调控-课课件.ppt
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- 生物化学与分子生物学 生物化学 分子生物学 基因 表达 调控 课件
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1、第十八章第十八章 基因表达调控基因表达调控 Regulation of Gene Expression1ppt课件神经元神经元淋巴细胞淋巴细胞2ppt课件第一节第一节 基因表达调控基本概念与特点基因表达调控基本概念与特点p 基因基因(gene)基因(基因(gene):编码蛋白质或):编码蛋白质或RNA等等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程l 除了某些以除了某些以RNA为基因组的为基因组的RNA病毒外,基病毒外,基因通常是指染色体或基因组的一段因通常是指染色体或基因组的一段D
2、NA序列。序列。l 基因包括基因包括编码序列(外显子)编码序列(外显子)、调控序列调控序列和和间间隔序列(内含子)隔序列(内含子)。3ppt课件p基因组(基因组(genome)指细胞或生物体的一套单倍指细胞或生物体的一套单倍体遗传物质基础的总和。人类基因组包含了细胞体遗传物质基础的总和。人类基因组包含了细胞核核染色体染色体DNA(常染色体和性染色体常染色体和性染色体)及线及线粒体粒体DNA所携带的所有遗传物质。所携带的所有遗传物质。4ppt课件p 基因表达(基因表达(gene expression)是基因转录及翻译的过是基因转录及翻译的过程程 rRNA、tRNA编码基因转录过程也属基因表达。编
3、码基因转录过程也属基因表达。生物基因组中只有部分基因表达,其表达水平会随生物基因组中只有部分基因表达,其表达水平会随时间、环境而变化。时间、环境而变化。转录转录翻译翻译逆转录逆转录复制复制5ppt课件(一)时间特异性(一)时间特异性 按功能需要,某一特定基因的表达严格按特按功能需要,某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。特异性又称阶段特异性。(二)空间特异性(二)空间特异性 基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子和(或)增强子与调节蛋白相互作用决定。和
4、(或)增强子与调节蛋白相互作用决定。二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性 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。又称细胞特异性或组织不同组织空间顺序出现。又称细胞特异性或组织特异性。特异性。6ppt课件(一)基本表达(一)基本表达(constitutive gene expresstion)指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。持续进行的基因表达。区别于其它基因区别于其它基因,这类表达称这类表达称为为基本表达基本表达(或组成性或组成性)基因表达基因表达,这些基因通常被称
5、,这些基因通常被称为为管家基因管家基因(housekeeping gene)。其基因表达产物通。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的,且较少受环常是对生命过程必需的或必不可少的,且较少受环境因素的影响。境因素的影响。这类基因表达只受启动序列或启动子与这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚聚合酶相互作用的影响,不受其它机制调节。合酶相互作用的影响,不受其它机制调节。三、基因表达的方式三、基因表达的方式7ppt课件(二)适应性表达(二)适应性表达(adaptive expression)l诱导诱导(induction):指在特定环境信号刺激下,指在特定环境信号刺激下,相应的基因相应
6、的基因被激活,被激活,基因表达产物增加。这种基因基因表达产物增加。这种基因称为称为。如:如:DNA损伤损伤修复酶基因激活修复酶基因激活l阻遏阻遏(repression):指在特定环境信号刺激下,指在特定环境信号刺激下,相应的基因相应的基因被抑制,被抑制,基因表达产物减少。这种基因基因表达产物减少。这种基因称为称为。如:如:大肠杆菌的大肠杆菌的色氨酸合成酶系色氨酸合成酶系有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏。有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏。三、基因表达的方式三、基因表达的方式8ppt课件在一定机制控制下,功能上相关的一组基在一定机制控制下,功能上相关的一组基因,无论其为何种表达方式,均
7、需协调一致、因,无论其为何种表达方式,均需协调一致、共 同 表 达,即 为共 同 表 达,即 为 协 调 表 达协 调 表 达(c o o r d i n a t e e x p re s s i o n)。这 种 调 节 称 为这 种 调 节 称 为 协 调 调 节协 调 调 节(coordinate regulation)。(三)生物体内不同基因的表达受到协调调节(三)生物体内不同基因的表达受到协调调节三、基因表达的调节三、基因表达的调节9ppt课件四、基因表达调控的意义四、基因表达调控的意义(一)生物体调节基因表达以(一)生物体调节基因表达以适应环境、适应环境、维持生长和增殖维持生长和增
8、殖(二)生物体调节基因表达以(二)生物体调节基因表达以维持细胞分维持细胞分化化个体发育个体发育突变突变10ppt课件第二节第二节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理一、基因表达调控呈现多层次性和复杂性一、基因表达调控呈现多层次性和复杂性l 基因表达调控是在基因表达调控是在多级水平上进行多级水平上进行的复杂的复杂事件,事件,转录起始是转录起始是基因表达的基因表达的基本控制点基本控制点。细胞核细胞核核孔核孔DNA 初级初级RNA转录物转录物mRNAmRNA蛋白质蛋白质失活失活蛋白质蛋白质1转录控制转录控制2RNA加工加工控制控制翻译控制翻译控制34蛋白质活性蛋白质活性控制控制细胞质细胞质
9、11ppt课件二、基因转录激活的基本要素二、基因转录激活的基本要素(一)(一)特异特异DNA序列决定基因的转录活性序列决定基因的转录活性原核生物原核生物 操纵子操纵子(operon)机制机制编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)RNA-pol(2)操纵子操纵子通常由通常由2个以上的编码序列与启动序列、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操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。成。l 基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节。相
10、互作用的调节。12ppt课件RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。启启 动动 序序 列列共有序列共有序列图图13-1 五种五种E.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列13ppt课件 操操 纵纵 序序 列列 当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏
11、蛋白时,会阻碍时,会阻碍RNA聚聚合酶与启动序列的结合,或是合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿DNA向前移动向前移动,阻遏转录阻遏转录。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)RNA-pol阻遏蛋白阻遏蛋白负性调节负性调节14ppt课件原核操纵子调节序列是还有一种特异原核操纵子调节序列是还有一种特异DNA序列序列可结合可结合激活蛋白激活蛋白(activator),促进,促进RNA聚合酶与启动聚合酶与启动序列的结合,增强序列的结合,增强RN
12、A聚合酶活性。聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时,有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很聚合酶很少或完全不能结合启动序列。少或完全不能结合启动序列。特异特异DNA序列序列 正性调节正性调节编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)CAPRNA-pol(2)CAP:分解(代谢)物基因激活蛋白:分解(代谢)物基因激活蛋白 转录转录15ppt课件编码序列编码序列ABDNA转录起始点转录起始点RNA-pol真核生物的特异真核生物的特异DNA序列序列l 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)
13、可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共共有序列有序列,如,如TATA盒、盒、CAAT盒等,这些共有序列是盒等,这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件分为件分为启动子、增强子和沉默子启动子、增强子和沉默子等。等。编码序列编码序列BADNA转录起始点转录起始点RNA-pol16ppt课件(二)(二)转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性 原核生物基因转录调节蛋白分为三类:原核生物基因转录调节蛋白分
14、为三类:特特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)特异因子特异因子CAP阻遏蛋白阻遏蛋白二、基因转录激活的基本要素二、基因转录激活的基本要素l DNA调节序列本身并不行使功能,这些序列必须调节序列本身并不行使功能,这些序列必须被基因转录调节蛋白识别和结合才能发挥作用。被基因转录调节蛋白识别和结合才能发挥作用。17ppt课件可可特异识别、结合自身基因的调节序列特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达调节自身基因的表达的蛋白质因子。这种调的蛋白质因子。
15、这种调节作用称为节作用称为。由由某一基因表达产生的蛋白质因子某一基因表达产生的蛋白质因子,通,通过与另一基因的特异的顺式作用元件的识过与另一基因的特异的顺式作用元件的识别、结合别、结合反式激活另一基因的转录。反式激活另一基因的转录。这种这种调节作用称为调节作用称为。真核基因转录调节蛋白真核基因转录调节蛋白(转录调节因子或转录因子转录调节因子或转录因子)l 反式作用蛋白或反式作用因子反式作用蛋白或反式作用因子l 顺式作用蛋白顺式作用蛋白18ppt课件。通常是非共价结合,被识别的。通常是非共价结合,被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。有些结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。有些调
16、节蛋白在结合调节蛋白在结合DNA前,需要通过蛋白质前,需要通过蛋白质-蛋白质蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。相互作用形成二聚体或多聚体。(三)转录调节蛋白通过(三)转录调节蛋白通过与与DNA或与蛋白质相或与蛋白质相互作用互作用对转录起始进行调节对转录起始进行调节 l DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 l 蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 最常见的是二聚体(有同二聚体和异二聚体之分)最常见的是二聚体(有同二聚体和异二聚体之分)对称、或不完全对称结构。对称、或不完全对称结构。19ppt课件(四)(四)RNA聚合酶聚合酶1.启动序列启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性
17、 启动序列启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶的亲和聚合酶的亲和力直接影响转录起动的频率。力直接影响转录起动的频率。2.调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达,然后通过下表达,然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋蛋白质相互作用影响白质相互作用影响RNA聚合酶活性。如热休聚合酶活性。如热休克反应。克反应。二、基因转录激活的基本要素二、基因转录激活的基本要素20ppt课件第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录
18、调节特点(一)(一)因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性(二)操纵子模型的普遍性(二)操纵子模型的普遍性(三)原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节(三)原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上,共同组成一转录单位串联、密集于染色体上,共同组成一转录单位-操纵子操纵子,如乳糖操纵子。,如乳糖操纵子。原核基因转录调节存在正性调节和负性调节原核基因转录调节存在正性调节和负性调节,其中其中以负性调节为主以负性调节为主。21ppt课件二、操纵子调控模式二、操纵子调控模式(一)乳糖操纵子(一)乳糖操纵子
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