分子生物學Chapter 6 基因表格達的調控.ppt

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Chapter 6 基因表達的調控 Control of Gene Expression 幾個重要的觀點和概念生物個體的各種組織和細胞具有全套相同的基因組,含有生物體生長、發育、新陳代謝和繁殖所需要的全部遺傳信息?;蚪M中基因的表達具有時空性:所有基因并非以同樣的強度、時時刻刻地表達不同組織和細胞表達的基因種類、數量和強度不同 – 組織特異性表達(Tissue-specific expression)在不同的發育階段表達的基因種類、數量和強度也不同 – 時序性表達(Temporal expression)基因表達的方式:組成型表達:基因(如:管家基因House-keeping gene)在不同的組織細胞和不同的生長時期中以幾乎相等的強度表達。誘導型表達:基因(如:奢侈基因Luxury gene)的表達具有明顯的時空性,或受到不同的內外因素因素影響?;虮磉_受到精細的調控:真核生物和原核生物的基因表達調控方式具有共性通過核酸分子之間、核酸和蛋白質分子之間、蛋白質分子之間的互作調控基因表達在基因表達的不同水平上進行全方位調控,其中以轉錄水平的調控最為經濟和有效。幾個重要的觀點和概念轉錄前的調控轉錄水平的調控轉錄后的調控翻譯水平的調控翻譯后的調控 通過對轉錄單位的選擇調控表達的基因種類并控制基因產物的種類; 通過轉錄水平的調節來提高生物體的適應性; 轉錄過程中順勢作用元件和反式調控因子的相互作用嚴格和靈活保證調控的高效和多樣;6.1 原核生物轉錄水平的基因表達調控一、操縱子模型和原核生物基因表達調控的主要模式總論二、典型操縱子的基因表達調控模式(3個綜合實例)三、嚴緊控制的應急反應一、操縱子模型1961,Jacob & Monod: 研究大腸桿菌的乳糖利用時提出乳糖操縱子(Lac operon)模型。PIOPLacILacZLacYLacAPromoter啟動子 Control elementPolycistron(多順反子)mRNAβ-半乳糖苷酶b-galactosidase 透過酶permease 轉乙?;竧ransacetylase Structural GeneOperator操縱基因 大腸桿菌利用乳糖作為能源的生物學途徑與操縱子有關的幾個名詞一些功能相關的基因緊密連鎖在一起受同一操縱序列協調的控制其轉錄,并生成一個多順反子。操縱基因(Operator):順式作用元件,能與調控蛋白結合從而調控基因轉錄起始效率。調控基因:如Lac Operon中的LacI基因,編碼調控蛋白作為反式作用因子,通過與相應順式元件結合后調控基因表達。編碼阻遏蛋白,與操縱基因結合對基因表達進行負調控。編碼激活蛋白,與操縱基因或上游控制元件結合對基因表達進行正調控。與操縱子有關的幾個名詞操縱子是原核生物基因組織和基因表達調控的主要方式。效應物(Effector):能與調控蛋白結合,改變調控蛋白的空間構象,從而改變基因轉錄水平的物質,多為內外源因子。誘導物(Inducer):誘導操縱子開放基因表達輔阻遏物(Corepressor):不直接作為阻遏物,但可以與調控蛋白結合后阻遏操縱子基因表達操縱子調控基因表達的4種模式注:一個特定的操縱子往往組合使用其中的多個調控模式。二、典型操縱子的基因表達調控模式基因表達的負控制負控誘導模型:乳糖操縱子負控阻遏模型:色氨酸操縱子基因表達的正控制分解代謝產物阻遏啟動子的正控制:乳糖操縱子操縱子基因表達調控的實例:乳糖操縱子組氨酸利用操縱子負控誘導模型:乳糖操縱子E.coli Conclusion:Lac operon is activated through adding lactose(inducer).Relative concentrationtimeAdd lactoseRemove lactoseLac mRNAβ-半乳糖苷酶透過酶沒有葡萄糖的培養基上適時添加或去除乳糖Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene : OFFNo mRNA productsrepressorLac operon #3Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene : ONmRNA productβ-GalactosidasePermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIso-lactoseLac operon #4幾個要點無異構乳糖(誘導物)時,基因的表達被阻遏蛋白阻遏而關閉;有異構乳糖(誘導物)時,基因表達被開放。異構乳糖的存在是基因開放的前提異構乳糖的來源吸收進入細胞培養基中的乳糖在胞內:轉化為異構乳糖透過性酶β-半乳糖苷酶兩個矛盾:Question : How the lactose enters into the cell and forms iso-lactose?胞內預存有透過酶以將誘導物運輸進入胞內 vs. 透過酶的誘導合成真正的誘導物—異構乳糖由乳糖經β-半乳糖苷酶催化轉化而得vs. β-半乳糖苷酶的誘導合成解釋:PIOPLacILacZLacYLacA泄露表達(Leaky Expression): 沒有乳糖存在時,阻遏蛋白偶然脫落,使下游結構基因保持本底表達。所以,細胞內含有極少量的基因表達產物。這些產物足以運送少量的外源乳糖進入細胞。 當乳糖成為唯一碳源時,起初本底表達的產物使少量的乳糖進入細胞,并被轉化成異構乳糖,獲得真正的誘導物。 異構乳糖誘導下游結構基因高效表達,使基因產物大量合成;導致運送大量的乳糖進入細胞,一方面分解產能,另一方面轉化為異構乳糖維持基因的持續表達。Summary: Negative regulation of Lac operonLactose operon is inducible. 乳糖操縱子的基因表達是可誘導的。LacI gene encodes the repressor (acts as the negative regulator) for the Lactose operon. LacI基因編碼乳糖操縱子的阻遏蛋白。Before induced, leaky expression of the Lactose Operon lead to maintenance of the pre-prepare status inside the cell. 誘導前,乳糖操縱子的泄露表達維持了胞內的預備狀態。負控阻遏模型:色氨酸操縱子阻遏物Trp:輔阻遏物色氨酸tRNA 合成酶分解代謝產物阻遏啟動子的正控制 (例:乳糖操縱子)Growthβ-Galactosidase050100耗盡葡萄糖Growthβ-GalactosidaseabaE.coliE.coliE.coliE.coliMedium No carbon s。省略部分。 5’ 5’(+ RNA) 3’ (-) 5’ ap 5’(+)在新的+RNA 的合成過程中,ap得以暴露而翻譯獲得Ap蛋白( )。但是暴露的時間很短,所以合成的蛋白量很少。新合成的+RNA 重新形成二級結構而將ap基因的AUG 隱藏起來。重疊基因對翻譯的影響UGAAUGCouple-translation of trpE and trpD: So : E and D 產物等量合成Stop codonStart codonSD sequence for galK gene gal operon in E.coli galTgalKSo: T = K4、核糖體蛋白質合成的自體調控 核糖體蛋白的合成與rRNA合成嚴格協調!這種調控的特點:核糖體蛋白基因分布在不同的操縱子中;這些操縱子中,有一個核糖體蛋白質基因作為自身操縱子的調節子基因;調節子基因的產物是調節子,它具有雙重功能:一是參與核糖體組裝,二是與自身操縱子的mRNA結合 而關閉翻譯。當rRNA充足時當rRNA 不足時6.4 真核生物基因表達調控的特殊類型一、原核生物和真核生物基因結構和表達調控的差異二、真核生物DNA水平的調控三、翻譯水平的調控一、基因表達調控的差異 原核生物 vs 真核生物1、真核生物基因組的復雜性真核生物基因組大得多。真核生物基因組被組裝成染色質并包裹在核內,與核外基因組(mtDNA, ctDNA)構成其基因表達調控的層次性和復雜性。真核生物基因為斷裂基因,其表達受到明顯的轉錄后調控。原核生物以操縱子組裝和調控基因及其表達;真核生物的基因分別組裝和表達,通過不同基因之間的協調來控制一個生物學過程的進行。已知真核生物基因只有少數的序列用于編碼蛋白質或功能RNA,其余80%以上的序列功能未明。真核生物存在大量的重復序列。真核生物的基因成套組裝成“基因家族”。原核生物 vs 真核生物原核生物真核生物基因組大小小大DNA暴露包裹于核內基因組織結構連續斷裂基因組裝形式操縱子基因家族調控序列/編碼序列少/多多/多重復序列極少,甚至沒有大量基因表達調控一些已知的基因組的大小比較1995-2002 Bacteria 細菌 (about 80 organisms); 0.5-5 Mb; hundreds to 2000 genes1996 April Yeast 酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 12 Mb, 5,500 genes1998 Dec. Worm 線蟲 (Caenorhabditis elegans) 97 Mb, 19,000 genes2000 March Fly 果蠅 (Drosophila melanogaster) 137 Mb, 13,500 genes2000 Dec. Mustard 擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 125 Mb, 25,498 genes2001 Feb. Human 人類 (Homo sapiens) 3000 Mb, 35,000~40,000 genesrRNA gene cluster (Pol Ⅰgene )18s-5.8s-28s18s-5.8s-28s18s-5.8s-28s18s-5.8s-28spromoterPromoterrepeatPromoter repeat60/81bp repeatNTS海膽組蛋白基因家族重復單位H1H4H2BH3H2A珠蛋白基因家族ψ ξ1θξ1ξ2ψ α2ψ α1α1α2α-珠蛋白基因家族β-珠蛋白基因家族βεGγAγψβδ胚胎時期假基因成年期成年期2、真核生物基因表達的復雜性在DNA水平上通過重排、基因丟失和擴增、染色質結構修飾和重建等方式調控基因表達。以正調控方式、轉錄水平為主?;虮磉_調控的環節多。二、DNA水平的基因表達調控1、染色質結構的修飾和重建基因表達的活性 vs. 染色質結構異染色質區域 – 基因關閉表達常染色質區域 – 基因開放表達基因表達開放的區域存在 DNaseI 超敏感位點: 核小體結構不完整無組蛋白結合DNaseI超敏感位點裸露的DNA,易于被DNaseI降解?;虮磉_活躍的位點:調控區域 和 編碼區組蛋白被修飾,引起核小體解開而DNA松弛。組蛋白N-端的修飾組蛋白密碼組蛋白乙?;揎椗c基因表達調控組蛋白含大量的Lys+和Arg+,具有穩定組蛋白與DNA相互作用的作用。組蛋白的乙?;饕l生在Lys+和Arg+殘基上,部分消除了組蛋白的正電荷,使組蛋白與DNA的相互作用減弱,導致核小體結構不穩定而解體。H3, H4 (Lys5, Lys8) 高度乙?;せ铑愃艱NA解旋酶的活性組蛋白脫離DNA核小體解體基因表達DNA 負超螺旋化:DNA松弛組蛋白甲基化與基因表達調控組蛋白以S-腺苷酰甲硫氨酸為甲基供體,在甲基化酶的催化下將甲基轉移到組蛋白的Lys和Arg上。甲基化的組蛋白靜電荷發生變化,改變了組蛋白之間、組蛋白與DNA之間的靜電作用,使染色質結構改變。DNA甲基化與基因表達調控甲基化能改變染色質結構、DNA構象、DNA穩定性、DNA與蛋白質相互作用方式甲基化常發生在:CpG的C(5-mC)少數在:N6-mA、7-mG兩種甲基化酶:日常型甲基化酶(維持甲基化酶)從頭合成型甲基化酶(重新甲基化酶)DNA甲基化抑制基因表達機制:甲基化的CpG可招募組蛋白的去乙?;?,去除組蛋白上的乙?;?,致使DNA與組蛋白組裝,抑制基因表達。引起核小體可逆性結構改變的3個主要因素2、基因拷貝數的改變基因丟失基因擴增三、翻譯水平的調控1、翻譯調控因子可逆磷酸化對翻譯的調節eIF3eIF1AMetGTPeIF1MetGTPeIF2翻譯起始過程中,eIF-2與GTP結合。eIF-2 α亞基上的Ser被磷酸化后,eIF-2與GDP親和力增強,不能分離,導致無法重新形成eIF-2·GTP,無法重新利用eIF-2而導致翻譯速度下降。2、mRNA結構對翻譯的調控5’UTR區5’UTR長度影響翻譯起始的精確性和翻譯效率:>80nt或<17nt,翻譯效率下降5’UTR的二級結構和GC含量對翻譯起負調控作用起始密碼的“前三后四”規則3’UTR區Poly(A)長度影響翻譯效率:通過影響mRNA半衰期3’UTR含有富含AU的重復序列,該序列與PABP結合可加速mRNA的降解。真核生物基因表達以正調控為主,在多個層次上進行表達調控Orphanides,G. and Reinberg, D. , 2002. Cell. 108:439-51.
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