分子生物学原理基因表达调控课件

《分子生物学原理基因表达调控课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子生物学原理基因表达调控课件（62页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,分子生物学原理,*,第 十 三 章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,2024/12/12,分子生物学原理,第十三章 基因表达调控,通常情况下，真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态。,,表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因,表达或不表达,，而且按一定的时间、空间有次序高效地运作。,,调控水平： 转录、转录后、翻译、翻译后,

2、2024/12/12,分子生物学原理,第十三章 基因表达调控,调控： 细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境）基因表达的调控（生命延续、适应大环境）,,多水平的调控、多途径的调控,,调控特点：复杂、多变、灵敏、准确,2024/12/12,分子生物学原理,第一节、原核生物的操纵子调控模式,操纵子,： 几个相关基因排列在一起，转录出一个,mRNA，,翻译出

3、多种具相关功能的蛋白质，完成一个功能 。,,有一个调控成分。,,是原核生物的转录单位。,,2024/12/12,分子生物学原理,,第一节、原核生物的操纵子调控模式,一、酶的诱导（,enzyme induction）,,二、操纵子（,operon,）,的结构与功能,,三、乳糖操纵子（,Lac,operon,）,与色氨 酸操纵子（,Trp,,operon,）,,四、,,cAMP,对转录的调控,,五、原核生物转录的整体调控模式,2024/12/12,分子生物学原理,,inducer,,added,inducer,,removed,酶蛋白合成量,细胞孵育时间,一、诱导现象,由底物导致利用该底物

4、的酶的合,,成增加。,2024/12/12,分子生物学原理,,,一、诱导现象,葡萄糖,乳糖,,无,半乳糖苷酶,乳糖,葡萄糖+半乳糖,2024/12/12,分子生物学原理,一、诱导现象,酶的诱导是生物进化中的一种合理、经济地利用有限资源的本能。,,酶的诱导是低等生物的普遍现象。,,1961年，,Jacob and Monod,提出了操纵子学说。,,酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢的酶的合成量调节。,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,,,操纵子,,,阻遏物基因 上游启动子 操纵基因 一组结构基因,,,R ( i )

5、 P O S,,,inhibitor,promotor,,operator,structural gene,,gene,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,启动子,是结合,RNA,聚合酶的DNA序列,,强：-35TTGACA、-10TATAAT,,弱：-35区共有序列,,-10Pribnow,不一致,一般：基因工程选用强启动子，或杂交融合生成新启动子,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,Lac,operon,的启动子,Plac

6、,的-10,Trp,,operon,的启动子,Ptrp,的-35,Ptac,Ptac-17,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,操纵基因,是结合阻遏物的部位，位于启动子和结构基因之间，可与启动子部分重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关。,,无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录下游的结构基因,,有阻遏物时酶就不能通过,,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,阻遏物基因,：,产生阻遏物，位于离操纵子较远的上游区。,,负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制转录,关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活,开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----

7、阻遏物激活,2024/12/12,分子生物学原理,二、操纵子的结构与功能,操纵子,：结构基因、上游启动子(,P),和操纵基因(,O),组成。,P,和,O,合称,调控区,2024/12/12,分子生物学原理,可诱导和可阻遏的操纵子,Lac,Trp,2024/12/12,分子生物学原理,三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子,2024/12/12,分子生物学原理,乳糖操纵子,操纵子的三个结构基因为,-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转移酶,。,,在无乳糖时，,阻遏,蛋白与,O,区结合，阻止RNA聚合酶的转录,,在有乳糖时，乳糖与,阻遏蛋白,结合后，改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O区结合。

8、,2024/12/12,分子生物学原理,,(,1,kb),(155000),,,DDRP,,DDRP,2024/12/12,分子生物学原理,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子有5个结构基因,D、E,基因：共产生,邻氨基苯甲酸合成酶,C基因：产物是,吲哚甘油磷酸合成酶,B、A基因：共同产物是,色氨酸合成酶,,这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成。,,色氨酸合成仅限细菌。,2024/12/12,分子生物学原理,色氨酸操纵子调控方式,（-）,（+）,2024/12/12,分子生物学原理,乳糖和色氨酸操纵子的共同点,以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏物）对受调控的区域起抑制作用。,,由低分子物质（底物或

9、产物）影响蛋白质对,DNA,的结合。,,结果： 既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。,2024/12/12,分子生物学原理,乳糖和色氨酸操纵子的不同点,乳糖操纵子 色氨酸操纵子,,阻遏物,阻遏物,R,基因,R,基因,阻遏物,阻遏物,代谢物,,基因开放 基因关闭,2024/12/12,分子生物学原理,四、,cAMP,对转录的调控,在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用？,,,,2024/12/12,分子生物学原

10、理,四、,cAMP,对转录的调控,乳糖操纵子的启动子属于弱启动子,,正调控方式,,CAP,：catabolite,gene activator protein,分解代谢基因活化蛋白，受,cAMP,激活,,cAMP,-CAP,复合物,：结合于,DNA,上游的,CAP,位点，促进分解代谢基因表达,,CAP,位点,：位于,PO,上游，属正调控位点,2024/12/12,分子生物学原理,四、,cAMP,对转录的调控,培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起细胞内,cAMP,水平下降，乳糖操纵子基因关闭。,,培养基中葡萄糖不足时：,cAMP,水平升高，,cAMP,-CAP,复合物生成，,cAMP,使,CAP,

11、变构，而与,CAP,位点结合，促进乳糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳糖。,2024/12/12,分子生物学原理,四、,cAMP,对转录的调控,1,2024/12/12,分子生物学原理,阿拉伯糖操纵子,B、A、D,：,编码三种酶，共催化阿拉伯糖的代谢。,,C,：R,1,（,阻遏蛋白），变构后成,R,2。,,起始区,：initiator（I）,,R,1,和,R,2,在变构前后，分别执行负和正调控功能。,,诱导物可以使抑制蛋白在,R,1,和,R,2,两种构象之间转变。,,2024/12/12,分子生物学原理,阿拉伯糖操纵子,2024/12/12,分子生物学原理,五、原核生物转录的整体调控模式,调节

12、子,：,regulon,,操纵子是基因表达的基本单元，成群操纵子所组成的高一级的调控网络称为调节子,,调节原理,： 内、外环境的变化通过传感器使膜内产生信号，这种信号可同时作用于多个操纵子，或激活或抑制，从而达到群体协调的目的。,2024/12/12,分子生物学原理,调节子模式,2024/12/12,分子生物学原理,SOS,修复系统的调节子,,DNA,损伤和复制受阻是刺激因子和信号。,,LexA,蛋白是一系列操纵子的阻遏物。,,,recA基因,转录产物,R,ecA,蛋白,可水解,LexA,蛋白。,,LexA,阻遏,recA基因，,RecA,蛋白可水解,LexA,蛋白，二者之间的平衡移动，使细胞

13、在应急时可迅速启动大量基因的转录。,2024/12/12,分子生物学原理,SOS,修复系统的调节子,2024/12/12,分子生物学原理,第二节、真核生物的基因转录调控,,真核生物的基因转录调控更为复杂：,,总量大：30亿,bp，10,万基因,,分散在各染色体上，23对染色体：定位,,大量的内含子：比结构基因多十数倍,,大量的重复序列：重复次数可达几千~百万次,,更多的蛋白质参与,,基因的多态性：不同的地域、人种、个体,2024/12/12,分子生物学原理,一、人类基因的研究,基因组：,DNA,双螺旋 天书,,人类基因组即将全部破译，一本书已通读一遍，但阅读

14、理解的任务还刚开始。,2024/12/12,分子生物学原理,一、人类基因的研究,人类基因组计划,：,（,HGP）,,,human genomic project,,对人类基因组大约30亿核苷酸对的全序列测定。,,在完成结构分析过程中，对基因的,功能,，包括其表达,调控,，作进一步研究，以便彻底了解生命的奥秘。,,2024/12/12,分子生物学原理,HGP,的内容,建立人类基因组高分辨率的遗传图谱,,完成全部人类染色体的各种物理图谱及选择某些模型生物的,DNA,物理图谱。,,人类,DNA,和模型生物的,DNA,全部序列的测定。,,建立收集、储存、分类和分析所有有关资料和数据的工作系统。,,创

15、建完成以上目标所需的新技术、新方法。,2024/12/12,分子生物学原理,二、基因转录调控元件,分子辨认：,molecular recognition,探讨,DNA-,蛋白质、蛋白质-蛋白质之间的辨认与结合的机制，以及与调控的关系。,2024/12/12,分子生物学原理,二、基因转录调控元件,TATA box：-30,区,,CAAT box,启动子,,GC box,,上游活化序列：（,USA） upstream activator sequence,,应答元件与可诱导因子：-200,bp,,八聚体,TATA box：,免疫球蛋白,2024/12/12,分子生物学原

16、理,增强子的特点,增强子,：,enhancer,它是在远距离影响启动的转录调控元件，必须被蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的功能。,,增强子影响启动子，但没有严格的专一性。,,增强子作用无方向性。,2024/12/12,分子生物学原理,二、基因转录调控元件,顺式作用元件,：真核生物结构基因上游的调控区，有特定的相似或一致性的序列。,,反式作用因子,：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的蛋白质因子。,2024/12/12,分子生物学原理,真核生物,RNA,pol,II,转录的基因,2024/12/12,分子生物学原理,RNA,聚合酶II的转录因子,2024/12/12,分子生物学原理,转录前起

17、始复合物,TFIID,是唯一与 DNA特异位点即TATA盒结合的转录因子。,,TATA和TFIID、TFIIA、TFIIB、,RNApolII、TFIIF,和,TFIIE形成,转录前起始复合物,(,PIC)。,2024/12/12,分子生物学原理,反式作用因子性质,同一,DNA,序列可被不同蛋白质识别，同一蛋白质因子也可与多种不同DNA序列结合 。,,DNA,与蛋白质,的结合,少数是直接结合，多数是蛋白质,-,蛋白质相互作用后再影响,DNA。,,蛋白质-蛋白质或,DNA-,蛋白质结合后，可导致构象上的变化。,,反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。,2024/12/12,

18、分子生物学原理,三、顺式作用元件与反式作用因子的结合,反式作用因子蛋白质至少包括三个功能域：,DNA,识别结合域,、,转录活性域,和,结合其它蛋白的结合域,。,,模体：（motif）,在结合域中存在的一些局部对称二聚体。,,在,DNA,的,某些,序列中，也存在一定的对称性。,,顺式作用元件与反式作用因子的结合与这些对称区域有关。,2024/12/12,分子生物学原理,三、顺式作用元件与反式作用因子的结合,DNA,结构简单：开放或关闭 序列不变,蛋白质因子：复杂、多变,二者结合,基因表达调控的多变性,2024/12/12,分子生物学原理,螺旋-转角-螺旋、螺旋-环-螺旋,两个亚基通过

19、,-折叠形成二聚体，相当于,DNA,的一个螺距。,2024/12/12,分子生物学原理,锌指,锌是很多酶的辅助因子,,锌指,：（,Zinc finger）,锌螯合在多肽链中，以配价键和半胱氨酸残基或组氨酸残基结合。,,Cys2/His2,型：,Cys,-X,2~4,-,Cys,-X,3,-Phe-Leu- X,2,-,His,- X,3,-,His,,Cys2/ Cys2,型：,Cys,-X,2,-,Cys,-X,13 -,Cys,-X,2,-,Cys,,一个单位以指部伸入,DNA,双螺旋的深沟，接触5 个核苷酸。,2024/12/12,分子生物学原理,锌指,2024/12/12,分子生物学

20、原理,亮氨酸拉链(,Leu,zipper),：,,两组平行的带亮氨酸的,螺旋形成的对称二聚体。,,,DNA,结合蛋白的,C,端，每隔7个氨基酸出现一个亮氨酸。,,蛋白质的,螺旋每圈为,3.6 个氨基酸残基。每二圈出现的,亮氨酸与轴平行列在同一直线上，构成拉链的一半。,亮氨酸拉链,2024/12/12,分子生物学原理,亮氨酸拉链,常出现于真核生物,DNA,结合蛋白的C 端，与癌,,基因表达调控功能,,有关。,2024/12/12,分子生物学原理,第三节、癌基因,癌基因,：,oncogene，onc,,能使细胞癌变的,DNA,序列。 首先在致癌病毒中发现，现已证实它是正常存在于生物基因组内

21、。,,,致癌性,：正常基因的不正常表达的后果,,癌症,：基因以特殊形式表达后的性状,,原癌基因,：（,pro-,onc,）,正常存在于生物基因组内的癌基因。,2024/12/12,分子生物学原理,第三节、癌基因,一、病毒癌基因和细胞癌基因,,二、癌基因分类,,三、癌基因激活,,四、抑癌基因,2024/12/12,分子生物学原理,,,,病毒癌基因：,V-,onco,,细胞癌基因：,c-onco,,把致癌病毒与正常细胞一起培养，可使正常细胞变为癌细胞，这个过程称为,转化。,,致癌病毒存在的某些核苷酸序列称为,癌基因,，即病毒癌基因。,一、病毒癌基因和细胞癌基因,2024/12/12,分子生物学原理

22、,癌基因表达产物功能,,生长因子及其类似物或生长因子的受体。,,酪氨酸蛋白激酶。,,结合,GTP,而影响细胞内的信号系统。,,结合DNA发挥转录调控的作用，甚至影响复制过程。,2024/12/12,分子生物学原理,二、癌基因的分类,src,家族：,src、abl、fes、fgr、ros,,酪氨酸蛋白激酶,,ras,家族：,Ha-,ras、Ki-ras、N-ras,,信息传递蛋白,,myc,家族：,C-、N-、L-,myc、fos、myb,DNA,结合蛋白或反式作用因子,,sis,家族：各类生长因子,,erb,家族：,erbA、B、mas、trk,,细胞骨架类蛋白,2024/12/12,分子生物

23、学原理,三、癌基因的激活,点突变,,基因重排和放大,,化学致癌剂,,病毒感染,2024/12/12,分子生物学原理,,,GF-,受体-信号-,DNA,表达无限循环,癌基因的激活机制,2024/12/12,分子生物学原理,癌基因的激活机制,正常时：,onc,, GF ,信号  复制、细胞生长,,异常时：,,,GF,,,onc,突变,GF,复制、细胞生长,失控,,,,GF,2024/12/12,分子生物学原理,四、抑癌基因,抑癌基因：,tumor suppressor gene,,Rb：retinoblastoma,，,视网膜母细胞瘤 第一个分离到的抑癌基因,,Rb,基因：位于13号染色体，200,kb，27,个外显子，编码928个氨基酸,,Rb,基因缺失：视网膜母细胞瘤及其他多种癌症,2024/12/12,分子生物学原理,四、抑癌基因,抑癌基因的作用机制涉及基因表达调控、细胞分裂、分化过程，也可能与生长因子、激酶、信息在胞内的传递密切相关,2024/12/12,分子生物学原理,本章小结,诱导物、阻遏物,,操纵子、调节子,,启动子、增强子,,负调控、正调控,,操纵基因、结构基因,,顺式作用元件、反式作用元件,,癌基因、原癌基因、抑癌基因,,模体：,HTH，HLH、,锌指、亮氨酸拉链,2024/12/12,分子生物学原理,