《生物基因表达调》PPT课件.ppt

第五章：生物基因表达调控,主要内容,一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式； 三、真核生物基因调控表达的特异性；,一、基因表达调控的基本概念：,1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的相关应答，都是基因表达的结果； 真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。,2、 基因表达的调控的方式：,transcriptional level； posttranscriptional level； translational level； posttranslational level 。,3、 遗传信息表达的方式,组成型表达（constitutive expression）,Housekeeping gene,适应性表达(adaptive expression）,Luxury gene,指其表达几乎不随环境变动而变化的一类基因表达。该类型基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,2）、适应性表达： 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化，基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)。 如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它，这种物质就是诱导物。（分解代谢）,1）、组成性表达：,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生与该物质合成相关的酶，这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）,安慰诱导物： 如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。,4、顺式作用(cis-acting)元件：指在原位发挥调控作用，仅影响与其相连的基因表达的一段DNA序列。,经常与启动子相邻的一个顺式作用元件称为操纵基因(Operator)，它是调控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白的结合位点。,当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就会阻止（或激活）RNA 聚合酶启动转录，操纵基因下游的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。,5、结构基因(Structural gene)和调控基因(Regulator gene) 的概念。 结构基因：编码蛋白质或RNA的任何基因。包括结构蛋白、具有催化活性的酶等。 调控基因：是编码调控蛋白的基因，该蛋白可以调控其它基因的表达。,6、调控的关键是调控蛋白质与顺式作用元件的结合来调控靶基因的转录。,这种相互作用可以通过两种方式进行： 正(Positive) 转录调控：如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因被转录表达，这样的调控是正转录调控。该调节蛋白称为激活蛋白。,负(Negative) 转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为负转录调控。该调节蛋白称为阻遏蛋白。,一）、 transcriptional level control,Prok. operon stringent response应急反应 attenuator 衰减子,1、Operon control (1961 Jacob. & Monod.),二、 基因表达调控的理论与模式, 各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ), P & O基因(cis)紧密连锁 或 彼此重叠 I 基因(trans) 位点不固定，编码一种反式作用因子，可以调控Z、Y、A结构基因的表达。含自己的启动子和终止子。,1）、 operon concept,定义：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,特点：,2）、 operon control type Negative & Positive,I gene,Neg.,Pos.,repressor,Negative,Positive,expressor (apoinducer),无辅基诱导物,（激活蛋白）,（阻遏蛋白）,（阻遏蛋白）,（激活蛋白）, Negative control 一般是原核生物利用的调控方式，使原核生物更好的适应外界营养条件的变化。, Positive control 一般是真核生物喜欢利用的调控方式。是一种灵活，严格，经济的调控机制,阻遏蛋白,激活蛋白,（辅阻遏物）,（诱导物）,负转录调控系统,负控诱导调节,负控阻遏调节,调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor）,阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合，使阻遏蛋白失活，结构基因转录；,阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合，使阻遏蛋白产生活性，结构基因不转录。,正转录调控系统,正控阻遏调节,正控诱导调节,调节基因的产物是激活蛋白（activator）。,效应物分子（诱导物）的存在使失去活性的激活蛋白处于活性状态；,效应物分子（辅阻遏物）的存在使有活性的激活蛋白处于非活性状态。,原核生物基因表达调控方式：,Operon control model,A、 Negativeinducible operon 例 (分解酶类 lactose operon),I gene active repressor,I,binding on Operator,38 kd / monomer,tetramer 152 kd,例如：在Lactose operon中,大肠杆菌乳糖操纵子的结构：,Z：编码-半乳糖苷酶：将乳糖（1，4糖苷键）水解成葡萄糖和半乳糖 Y：编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 A：编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,-调控机理,Inducer (lactose) 与repressor 特异结合,作用于 O 位点上的repressor 变构 脱离O位,作用于游离的repressor,无诱导剂时：repessor tetramer与operator发生特异结合 operon off,变构 失去结合于O位的能力,当培养基中有诱导剂时：,调控机理,调控机理,葡萄糖对lac操纵子的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。 该现象称为葡萄糖效应 其原因是代谢物阻遏效应。,B、 Negativerepressible operon (合成酶类),tryptophan synthease operon,R gene inactive repressor,Co-repressor ( tryptophan ),色氨酸是一系列酶促反应的终产物,辅阻遏物,Inactive expressor,active expressor,C、Positiveinducible operon (多为分解酶类),I inactive expressor,operon off,inducer,active expressor,binding on front P site,激活RNA polymerase启动,（失活的激活蛋白）,e.g. cAMP control (universal controlling system),Lac operon open but no transcripts,Glucose,Why?,Lactose,E.coli,当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它分解利用葡萄糖，而抑制乳糖的利用。这种选择是通过阻止包括乳糖操纵子、半乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子等的表达来实现的。这种作用被称为代谢产物阻遏(Catabolite repression)作用。,ATP,ppp c A,cAMP,p c A,5-AMP,p c A,I (cap gene),(catabilite gene activator protein),+,细胞中葡萄糖水平低，较低的葡萄糖代谢中间产物,Lac.Operon I P O,腺苷酸环化酶,激活,细胞中葡萄糖水平升高,较高的葡萄糖代谢中间产物,激活,磷酸二酯酶,二聚体,激活聚合酶,active expressor,coexrepressor,D、Positiverepressible control,I active expressor (apoinducer),operon on,Co-repressor,Inactive expressor,operon off,（正控阻遏调节）,2、 stringent response control,1）、 基本概念,应急反应(Stringent response)：细菌处于极差的生长条件下，由于缺乏足够的氨基酸，蛋白质合成受到抑制，因而细菌会关闭大量的代谢过程，这就是应急反应或应急调控。,stringent response 是对任何氨基酸饥饿时表现的 一种广泛的调节机制。,stringent response control,2）、 相关因子,stringent factor ( Rel gene ） pyrophosphate transferase,（焦磷酸转移酶）,Rel + stringent factor,uncharged tRNA in A site,(P)PPG,ATP AMP,ppGpp pppGpp,10 up,应急反应底触发：细胞核糖体A 位点上空载tRNA的增多。,当细菌的生存条件恢复正常时，一种名为spoT 的基因编码降解ppGpp 的酶。它能以约20 秒的半衰期快速将ppGpp （ pppGpp）降解； 应急反应能随着(p)ppGpp的消失很快逆转；,应急反应的消除：,4、 Attenuator control,1) discovery, E.coli trp synthetase operon ( Charles Yanofsky stanford .U ),Negativerepressible operon 但还发现了另外一种奇怪的现象 ？,I P O leading seq. E D C B A,trp,+,（弱化子）, leading sequence中存在精细微调的机制,I+; operon off E酶活低 i C ; operon on E酶活高(70倍),trpa+与trpa-的 E 酶活差异(10倍)在于Leading seq.,I po L.S. E D C B A,genotype I+ iC,trpa+ 0.17 11.8,trpa- 1.82 100,When rich trp,测定E 酶活,Controls the operon over a 700-fold range from full inactive to full active,S.D. Seq,14 amino acid leader peptide,stop,UGA,trp E,2) trp operon RNA 一级结构分析,162 碱基 with poly (U)；,2768 base ORF of 14aa; trp high frequency with 1/7 in 14 aa(2个）；,114 121 126 134 140,27,68,Trp 1/7,整个一级序列可以分为四段（1、2、3、4区），其中1、2区，3、4区以及2、3区可以形成茎环结构。,1-2 / 3-4,2 - 3,由于Trp缺乏，核糖体停留在1区，导致2、3区配对，RNA聚合酶可以越过4区，进入结构基因的翻译。,3) 调控机制,Trp较丰富，核糖体很快进入2区，导致3、4区配对，形成终止子结构，RNA聚合酶脱落下来，合成140碱基的RNA,4) Attenuator control 的生物学意义,原核生物细致的精细调控机制，增强原核生物对环境的适应性,衰减作用约10倍作用于转录物。 在缺乏色氨酸时，所有的RNA聚合酶都经过衰减子继续参与转录。加上取消阻遏增加的约70 倍的表达，缺乏色氨酸时，色氨酸操纵子表达量增强约700 倍。,5、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,二）、Translational level control,1. 重叠基因对Operon内各基因以一定比例的协调翻译的影响：,Trp操纵子五个基因在正常时，翻译效率是相等的； 由于E和D基因有部分重叠，可以保证E和D基因翻译量是相等的。,3. Informasome,mRNA + 自身翻译产物,infomasome,储存信息,绵羊的受精卵第四次卵裂前核基因不转录， 利用卵细胞质中储存的mRNA完成细胞分裂,2. 利用稀有密码子对操纵子中的基因翻译进行调控 对蛋白质翻译速率的调控,-NNN-,codon usage 低 tRNA少，停工待料，翻译速率慢,三）、 Gene expression control in post-translation level,1）、蛋白质合成方式,-游离的核糖体,In Euk. -核糖体附着在粗糙内质网 (rough endoplasmic reticulum RER),蛋白质合成扩散在细胞质内,进入cis-Golgibody inter-golgibody,选择， 加工，分泌，扩散,tran-golgibody,合成蛋白质,高尔基体中间,高尔基体反面,原核生物：,2. protein degradation,1）、protein degradation 的调控是生理代谢的需要,（鸟苷酸脱羧酶）,加氧酶,脱氢酶,2) 蛋白质降解机制,自身结构， 电荷状况,泛素标签， 降解标志（Ubiquitination）,-Ubiquitin 8.5kd, 76aa, acidic protein ；,-其功能是 检测、识别到达寿命的蛋白；,-进化高度保守 yeast-3 aa different -human,-E1, E2, E3 enzyme be needed for ubiquitination,知之甚少，只知与蛋白质的下列情况相关：,泛素的特点：,O,Ubi.Lys.CS-E2,targeting protein,(E3 对靶蛋白N-end aa 的识别),Degradation,Ubi.Lys.,targeting protein,E2S,蛋白酶体,被E3识别的N-end aa marker of targeting protein,Met, Gly, Ala, Ser, Thr, Val 20 hrs (稳定因子),Ile, Glu 30 (不稳定因子),Gln 10,Leu, Phe, Asn, Lys 3 (极不稳定因子),Arg 2,Pro 7,- N 端氨基酸种类对蛋白质寿命的决定性，从原核到真核生物高度一致；,N末端的氨基酸种类决定了细胞中蛋白质的寿命：,原因：该氨基酸决定了被 E3 识读结合难易程度；,1）、insulin,How to process & fold?,30aa,21aa,信号序列,三、真核生物基因表达调控的特殊类型,（一） gene copies 的改变,a) 基因的丢失 （DNA fragment or chromosome lose）,在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。,目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。,b) 基因的扩增 (特定基因在特定阶段的选择性扩增),基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。 如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。,（二）、 转录区染色质的结构对基因表达的控制,按功能状态的不同可将染色质分为常染色质和异染色质； 常染色质是指具有转录活性的染色质； 异染色质是指没有转录活性的染色质。 常染色质往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合，同时，有利于RNA聚合酶在转录模板上滑动。,常染色质在结构上的特点：,常染色质上具有DNaseI超敏感位点； 常性染色质上具有基因座控制区； 常性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）。,1、DNaseI超敏感位点：每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因启动子区域。,2、核基质结合区（ matrix attachment region ，MAR） ：与细胞核骨架结合的DNA序列称为MAR。MAR一般位于DNA活性转录基因