北大基础医学生物化学课件-基因表达调控.ppt

1、北京大学医学部生物化学与分子生物学系第一节第一节 概述概述 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 1 1、基因（、基因（genegene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基）：从遗传学讲，基因就是遗传的基本单位或单元，具有编码本单位或单元，具有编码RNARNA或多数情况下编码多肽功或多数情况下编码多肽功能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗传信息的传信息的DNADNA分子片段分子片段 2 2、基因表达、基因表达(gene expression)(gene expression)：基因表达就是基：基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控

2、制下，大多因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型；的功能或形态表型；rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录生成相编码基因转录生成相应应RNARNA的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达 二、基因表达的规律（特点）及方式二、基因表达的规律（特点）及方式 1 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1 1.1 时间特异性时间特异性(tempor

3、al specificity(temporal specificity，阶段特异，阶段特异性性stage specificity)stage specificity)：按功能需要，某一特定基因：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特异性又称阶段特异性达的时间特异性又称阶段特异性 1.2 1.2 空间特异性空间特异性(special specificity(special specificity，细胞或组，细胞或组织特异性（织特异性（tissue specificitytissue specificity

4、）：在个体生长全过）：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。2 2、基因表达的方式、基因表达的方式 2.1 2.1 组成性表达组成性表达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)管家基因管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)：在生物个体的几乎：在生物个体的几乎所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必需的或必不可少的基因需的或必不可少的基因组成性基因表达（基本的基

5、因表达）：管家基因的表组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表达，它只受启动子与达，它只受启动子与RNARNA聚合酶相互作用的影响聚合酶相互作用的影响 2.2 2.2 诱导诱导(induction)(induction)和阻遏和阻遏(repression)(repression)表达表达诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，诱导：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，该现象称为诱导。相应基因称为可基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可诱导的基因。诱导的基因。阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻

6、遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏为阻遏可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNARNA聚聚合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增强子）强子）2.3 2.3 协调调节（协调调节（coordinate regulationcoordinate regulation）在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论在一定机制控制下，机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，即为其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为

7、协调表达。这种调节称为协调调节协调表达。这种调节称为协调调节三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1 1、适应环境、维持生长和增殖、适应环境、维持生长和增殖 2 2、维持个体发育与分化、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理四、基因表达调控的基本原理 1 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 转录起始是基因表达的基本控制点转录起始是基因表达的基本控制点 2 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系）、基因转录激活

8、调节的基本要素（调控体系）2.1 2.1 特异特异DNADNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件序列：操纵子（原核）、顺式作用元件（真核）（真核）操丛子操丛子(operator)：原核生物中由原核生物中由2 2个以上的编码序个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成中成簇串联组成的基因调控单位的基因调控单位 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：）：可影响自身基可影响自身基因表达活性的因表达活性的DNADNA序列。包括启动子、增强子及沉默子序列。包括启动子、增强子及沉默子等等 2.2 2

9、.2 调节蛋白调节蛋白原核基因调节蛋白都是一些原核基因调节蛋白都是一些DNADNA结合蛋白结合蛋白阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子）真核：转录因子（主要为反式作用因子）正性调节机制在真核生物普遍存在正性调节机制在真核生物普遍存在 反式作用因子反式作用因子(transtrans-acting factor)-acting factor)：某一基因的：某一基因的编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基编码产物，与其它基因的调节序列结

10、合，调节其它基因的表达活性。大多数反式作用因子是因的表达活性。大多数反式作用因子是DNADNA结合蛋白结合蛋白 3 3、转录调节的作用机理（基本形式）：、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-DNA-蛋白质、蛋白质、蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质相互作用、RNARNA聚合酶活性调节聚合酶活性调节 3.1 DNA-3.1 DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合元件之间的特异识别及结合这种结合通常是非共价结合这种结合通常是非共价结合多数调节蛋白结合多数调节蛋白结合DNADNA前需通过蛋白质前需通过蛋白质-蛋白质相互作蛋白

11、质相互作用形成二聚体或多聚体用形成二聚体或多聚体 3.2 3.2 蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结合合DNADNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的DNADNA结合能力结合能力 3.3 RNA 3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由聚合酶：转录激活调节最终由RNARNA聚合酶活聚合酶活性体现性体现 五、原核与真核基因表达调控的区别五、原核与真核基因表达调控的区别 1 1、真核基因与原核基因的结构特点、真核基因与原核基因的结构特点 真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不真核细胞基因组非常

12、复杂：结构庞大、重复序列、不连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一条多肽链）条多肽链）2 2、原核基因表达调控特点、原核基因表达调控特点 因子决定因子决定RNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达控单个启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3 3、真核基因表达调控特点、真核基因表达调控特点 活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结活

13、性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、构变化、DNADNA碱基修饰、组蛋白减少碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导正性调节占主导 转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行 转录后修饰、加工转录后修饰、加工 RNA聚合酶有聚合酶有三种三种 第二节第二节 原核基因转录调节原核基因转录调节 一、乳糖操纵子（元）的调节机制一、乳糖操纵子（元）的调节机制 1、乳糖操纵子、乳糖操纵子(元元)的结构：的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A 结构基因：结构基因：Z、Y及及A，分别编码，分别编码-半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶乙酰基转移酶 控制序列：操纵序列控制序列：操纵序列O、启动序

14、列、启动序列P、分解代谢物基因、分解代谢物基因激活蛋白激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白结合蛋白)结合位点结合位点 调节基因调节基因I：编码阻遏蛋白（与：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵序列结合，关闭操纵子）子）2 2、阻遏蛋白的负性调节、阻遏蛋白的负性调节 诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达纵序列脱离，诱导基因表达 3 3、CAPCAP的正性调节的正性调节 正调节物：正调节物：cAMPcAMP。葡萄糖可促使。葡萄糖可促使cAMPcAMP浓度降低浓度

15、降低 机理：机理：cAMPcAMP与与CAPCAP结合形成复合物，促使结合形成复合物，促使CAPCAP结合结合CAPCAP位点，激活位点，激活RNARNA聚合酶聚合酶 4 4、协调调节、协调调节负性调节与负性调节与CAPCAP正性调节两种机制协调合作正性调节两种机制协调合作 功能相关基因协调合作，共同表达功能相关基因协调合作，共同表达二、其它操纵子二、其它操纵子第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点 二、真核基因转录激活调节二、真核基因转录激活调节 1 1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子 启动子（

16、启动子（promoterpromoter）：）：RNARNA聚合酶结合位点周围的一聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（上的机能组件（TATATATA盒、盒、GCGC盒、盒、CAATCAAT盒，等）盒，等）典型的启动子由典型的启动子由TATATATA盒及上游的盒及上游的CAATCAAT盒和盒和/或或GCGC盒组盒组成成 增强子（增强子（enhancerenhancer）：远离转录起始点、决定基因）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNAD

17、NA序列，序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件若干机能组件增强体（增强体（enhansonenhanson）组成组成 有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现 沉默子（沉默子（silencesilencer r）：结合特异蛋白因子时对基因转）：结合特异蛋白因子时对基因转录起阻遏作用录起阻遏作用 2 2、反式作用因子：基本因子、特异因子、反式作用因子：基本因子、特异因子 2.1 2.1 基本转录因子：是基本转录因子：是RNARNA聚合酶结合启动子所必需聚合酶结合启动子所必需的

18、一组蛋白因子的一组蛋白因子,决定三种决定三种RNARNA转录的类别。转录的类别。TFDTFD是通用的基本因子是通用的基本因子 多数基本因子是不同多数基本因子是不同RNARNA聚合酶所特有的聚合酶所特有的 2.2 2.2 特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达基因的时间、空间特异性表达 3 3、转录因子结构：、转录因子结构：DNADNA结构域、二聚化结构域、转录结构域、二聚化结构域、转录激活区激活区 Common patterns of regulation of transcription initiation 负性调节负

19、性调节正性调节正性调节1、诱导表达、诱导表达2、阻遏表达、阻遏表达3、阻遏表达、阻遏表达4、诱导表达、诱导表达高等生物高等生物酵母酵母启动子的启动子的常见组件常见组件原核生物原核生物Consensus sequence for promoters that regulate the expression of genes involved in the heat-shock response in E.coli.Binding of RNA polymerase to heat-shock promoters is mediated by a specialized subunit of th

20、e enzyme called 32,which replaces 70An operon.Genes A,B,and C are transcribed on one polycistronic mRNA.Typical regulatory sequences include binding sites for proteins that either activate or repress transcription from the promoter操纵子结构操纵子结构激活蛋白结合位点激活蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点启动子启动子调控序列调控序列结构基因结构基因A spa

21、ce-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA.Base pairs recognized by the protein are shown in green,and amino acid side chains that bind to these base pairs are shown in red.Note the bending of the DNA around the protein A ribbon representation with subunits shown in white and light bl

22、ue.The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red.Bound molecules of cAMP are shown in dark blue.CAP同源二聚体同源二聚体The bacteriophage repressor bound to DNA.The two identical subunits of the dimeric protein are shown in gray and light blue.噬菌体阻遏蛋白噬菌体阻遏蛋白Two examples of specific amino acid-base pai

23、r interactions that have been observed in the structures of DNA-bound regulatory proteins噬菌体噬菌体4 3 4阻遏蛋白阻遏蛋白the helix-turn-helix motif in each is shown in red and yellow.The red helices are the recognition helices 1、抑制状态、抑制状态2、诱导状态、诱导状态一、乳糖操纵子的负性调节一、乳糖操纵子的负性调节乳糖操纵子的负性调控结构乳糖操纵子的负性调控结构.The bases shade

24、d beige exhibit twofold(palindromic)symmetry about the axis indicated by the dashed line.2、别乳糖的生成、别乳糖的生成诱导物的结构诱导物的结构1、丙基硫代半乳糖苷、丙基硫代半乳糖苷二、乳糖操纵子的正性调节二、乳糖操纵子的正性调节正性调控序列正性调控序列启动子结构启动子结构三、乳糖操纵子的协调调节三、乳糖操纵子的协调调节1、只有正性诱导物、只有正性诱导物2、同时有正、负性诱导物、同时有正、负性诱导物3、无正、负性诱导物、无正、负性诱导物4、只有负性诱导物、只有负性诱导物阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构色氨酸操纵子的

25、前导序列色氨酸操纵子的前导序列前导序列的配对方式前导序列的配对方式色氨酸操纵子的衰减机理色氨酸操纵子的衰减机理1、Trp浓度高时衰减浓度高时衰减2、Trp浓度低时转录浓度低时转录其它操纵子类型其它操纵子类型The SOS response in E.coli.The LexA protein is the repressor in this system,with an operator site(indicated in red)near each gene.(a)The recA gene is not entirely repressed by the LexA repressor,an

26、d about 1,000 RecA protein monomers are normally found in the cell.(b)When DNA is extensively damaged(e.g.,by UV light),DNA replication is halted and the number of single-strand gaps in the DNA increases.(c)RecA protein binds to this single-stranded DNA,activating the proteins coprotease activity.(d

27、)While bound to DNA the RecA protein facilitates the cleavage and inactivation of the LexA repressor.When the repressor is inactivated,the SOS genes,including recA,are induced.RecA protein levels increase 50-to 100-fold 细菌鞭毛蛋白重组细菌鞭毛蛋白重组 A leucine zipper from the yeast activator protein GCN4.The heli

28、ces are shown in white and light blue.The interacting Leu residues are shown in r e d a n d p u r p l e.一、亮氨酸拉链一、亮氨酸拉链（Leucine zippers）闭合拉链闭合拉链开放拉链开放拉链拉链全貌拉链全貌亮氨酸拉链亮氨酸拉链碱性碱性螺旋螺旋锌指结构锌指结构(a)A ribbon representation of a single zinc finger derived from the regulatory protein Zif 268.The zinc atom is in

29、orange and the amino acid residues that coordinate it(two His and two Cys)are shown in red.锌指结构锌指结构(b)Three zinc fingers(light blue and gray)from Zif 268 are shown complexed with DNA.The zinc atoms are again shown in orange.(a)Typical eukaryotic transcriptional activators that affect RNA polymerase

30、II.TFIID is a general transcription factor.CTFI,GAL4,and Spl are transcriptional activators that bind to specific DNA sites.PPP:proline-rich;-:acidic;QQQ:glutamine-rich.Some or all of these proteins may activate transcription via intermediary proteins called coactivators.(b)A chimeric protein with t

31、he DNA-binding domain of Spl and the activation domain of CTFI activates transcription if a GC box is present.The life cycle of the fruit fly Drosophila melanogaster 果蝇幼虫（蛹）果蝇幼虫（蛹）最早期只有一最早期只有一组组“母亲效应母亲效应基因基因”表达，表达，使受精卵发生使受精卵发生头尾轴和背腹头尾轴和背腹轴固定轴固定 三组三组“分节分节基因基因”顺序顺序表达、控制表达、控制蛹的蛹的“分节分节”发育过程，发育过程，最后这些最后这

32、些“节节”分别分别发育为成虫发育为成虫的头、胸、的头、胸、翅膀、肢体、翅膀、肢体、腹及尾等腹及尾等 A micrograph of an immunologically stained Drosophila egg,showing distribution of the bicoid(bcd)gene product.The graph measures stain intensity.This distribution is essential for normal development of the anterior structures of the animal.If the bcd

33、 gene is not expressed,the resulting embryo has two posteriors,as shown The effects of mutations in homeotic genes.(a)Normal Drosophila head.(b)Drosophila homeotic mutant(Antennapaedia)in which antennae are replaced by legs.(c)Normal Drosophilcz body structure.(d)Homeotic mutant(Bithorax)in which a

34、segment has developed incorrectly to produce an extra set of wings.DNADNA结构域：锌指（结构域：锌指（zinc fingerzinc finger）、碱性）、碱性螺旋螺旋（basic helixbasic helix）、碱性亮氨酸拉链（）、碱性亮氨酸拉链（basic basic leucine zipper,bZIPleucine zipper,bZIP）、碱性螺旋）、碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic basic helix-loop-helix,bHLHhelix-loop-helix,bHLH）二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋二聚体结构域：亮氨酸拉链、螺旋-环环-螺旋螺旋 转录激活区：酸性激活域转录激活区：酸性激活域、GlnGln富含域、富含域、ProPro富含域富含域 4 4、mRNAmRNA转录激活及其调节转录激活及其调节 真核真核RNARNA聚合酶聚合酶不能单独识别、结合启动子不能单独识别、结合启动子 TFIIDTFIID是唯一具有位点特异的是唯一具有位点特异的DNADNA结合能力的因子结合能力的因子