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文檔簡介
1、第七章 基因的表達與調控(下) 真核基因表達調控的一般規律真核生物的基因組 真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調控 真核生物轉錄水平上的基因表達調控 真核基因轉錄后水平上的調控Contents一、真核基因組結構特點真核基因組結構龐大 3109bp、染色質、核膜單順反子基因不連續性 斷裂基因(interrupted gene)、內含子(intron)、 外顯子(exon)非編碼區較多 多于編碼序列(9:1)含有大量重復序列第一節 真核生物的基因組 基因組很小,大多只有一條染色體 結構簡煉 存在轉錄單元多順反子原核生物基因組結構特點 有重疊基因二、真核細胞與原核細胞在基
2、因轉錄、翻譯及DNA的空間結構方面存在以下幾個方面的差異 試說明真核細胞與原核細胞在基因轉錄,翻譯及DNA的空間結構方面存在的主要差異,表現在哪些方面? 武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題 高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的,大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內含子。 真核生物能夠有序地根據生長發育階段的需要進行DNA片段重排,還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數。 在真核生物中,基因轉錄的調節區相對較大,它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對,這些調節區一般通過改變整個所控制基因5上游區DNA構型來影響RNA聚合酶與它的結合。 在原核生物中,轉錄的調節區都很小,大都位于
3、啟動子上游不遠處,調控蛋白結合到調節位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結合。三、基本概念(一)基因家族(gene family)真核生物的基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因,將這些基因稱為基因家族。 同一家族中的成員有時緊密地排列在一起,成為一個基因簇(gene cluster) 。如:編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族1.簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯方式前后相連。The eukaryotic ribosomal DNA repeating unitOrganization of histone genes in the animal g
4、enome(二)斷裂基因 基因的編碼序列在DNA分子上是不連續的,為非編碼序列所隔開,其中編碼的序列稱為外顯子,非編碼序列稱內含子。外顯子(Exon) : 真核細胞基因DNA中的編碼序列,這些序列被轉錄成RNA并進而翻譯為蛋白質。內含子(Intron) :真核細胞基因DNA中的間插序列,這些序列被轉錄成RNA,但隨即被剪除而不翻譯。 1.外顯子與內含子的連接區 指外顯子和內含子的交界或稱邊界序列,它有兩個重要特征:內含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性連接區序列很短,高度保守,是RNA剪接的信號序列 5GTAG 32.外顯子與內含子的可變調控組成型剪接:一個基因的轉錄產物通過剪接只能產生一種成熟
5、的mRNA。選擇性剪接:同一基因的轉錄產物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。 (三)假基因是基因組中因突變而失活的基因,無蛋白質產物。一般是啟動子出現問題。真核生物的基因組 真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調控 真核生物轉錄水平上的基因表達調控 真核基因轉錄后水平上的調控Contents第二節 真核生物基因表達調控的特點和種類一、真核生物基因表達調控的特點1. RNA聚合酶 2. 多層次3. 活性染色體結構變化:對核酸酶敏感 、DNA拓撲結構變化 、DNA堿基修飾變化 、組蛋白變化 4. 正性調節占主導5. 轉錄與翻譯間隔進行 6. 轉錄后修飾、加工 DNA拓撲
6、結構變化天然雙鏈DNA均以負超螺旋構象存在;基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化,甲基化范圍與基因表達程度呈反比。根據其性質可分為兩大類:一是瞬時調控或稱為可逆性調控,它相當于原核細胞對環境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時,及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節。二是發育調控或稱不可逆調控,是真核基因調控的精髓部分,它決定了真核細胞生長、分化、發育的全部進程。根據基因調控在同一事件中發生的先后次序又可分為:DNA水平調控轉錄水平調控轉錄后水平調控(RNA加工成熟過程的調控、翻譯水平的調控、蛋白質加工水平的
7、調控)二、真核生物基因表達調控的種類:真核生物的基因組 真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調控 真核生物轉錄水平上的基因表達調控 真核基因轉錄后水平上的調控Contents第三節 真核生物DNA水平上的基因表達調控基因丟失基因擴增基因重排DNA的甲基化與基因表達調控染色質的結構與基因表達調控抗體分子的形成Ti質粒轉座子一、基因丟失在細胞分化過程中,可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發育中,許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體,只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。目前,在高等真核生物(包括動物
8、、植物)中尚未發現類似的基因丟失現象。二、基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性大量增加的現象,它使得細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發育的需要,是基因活性調控的一種方式。如非洲爪蟾卵原細胞中rRNA基因(rDNA)擴增是因發育需要而出現的基因擴增現象。基因組拷貝數增加,即多倍性,在植物中是非常普遍的現象。基因組拷貝數增加使可供遺傳重組的物質增多,這可能構成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。發育或系統發生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的發育控制 利用流式細胞儀對從擬南芥不同發育階段的組織中分離到的間期細胞核進行分析,發現多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成
9、正比。對于一給定的物種,C是單倍體基因組中的DNA質量。將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄,這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調節基因活性的典型例子是免疫球蛋白結構基因的表達。三、基因重排四、DNA的甲基化與基因表達調控1.DNA的甲基化在真核生物中,5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出現在DNA上,CpG島 真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性:日常型甲基轉移酶:催化處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。從頭合成型甲基轉移酶:催化未甲基化的CpG成為mCpG2.DNA甲基化抑制基
10、因轉錄的機理DNA甲基化導致某些區域DNA構象變化,從而影響了蛋白質與DNA的相互作用,即抑制了轉錄因子與啟動區DNA的結合效率。 五、染色質的結構與基因表達調控按功能狀態的不同可將染色質分為活性染色質和非活性染色質。活性染色質是指具有轉錄活性的染色質;非活性染色質是指沒有轉錄活性的染色質。1.活性染色質活性染色質由于核小體發生構象的改變,往往具有疏松的染色質結構?!盁羲⑿汀比旧w真核細胞中基因轉錄的模板是染色質而不是裸露的DNA,因此染色質呈疏松或緊密結構,即是否處于活化狀態是決定RNA聚合酶能否有效行使轉錄功能的關鍵。疏松的染色質結構便于轉錄調控因子與順式調控元件結合和RNA聚合酶在轉錄模
11、板上滑動?;钚匀旧|上具有DNaseI超敏感位點。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點,大部分位于基因5端啟動子區域。2.活性染色質的結構特點活性染色質上具有核基質結合區( matrix attachment region,MAR),MAR一般位于DNA放射環或活性轉錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR,可增加基因表達水平10倍以上,說明MAR在基因表達調控中有作用,是一種新的基因調控元件。活性染色質上具有基因座控制區。真核生物的基因組 真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調控 真核生物轉錄水平上的基因表達調控 真核基因轉錄后水平上的調控Contents第四節
12、 真核生物轉錄水平上的基因表達調控一、真核基因轉錄二、真核基因轉錄調控的主要模式一、真核基因轉錄(一)真核基因結構“基因”的分子生物學定義:產生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。(二)順式作用元件定義:影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。 例: 啟動子、增強子、沉默子等(1)啟動子:在DNA分子中,RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子元件(2)增強子:指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。SV40的轉錄單元上發現,轉錄起始位點上游約200bp處有兩段長72bp的正向重復序列。增強子特點: 增強效應十分明顯,一般能使基因轉錄頻率增加1
13、0-200倍 增強效應與其位置和取向無關,不論增強子以什么方向排列(53或35),甚至和靶基因相距3kb,或在靶基因下游,均表現出增強效應;大多為重復序列,一般長約50bp,適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列:(G)TGGA/TA/TA/T(G),該序列是產生增強效應時所必需的; 增強效應有嚴密的組織和細胞特異性,說明增強子只有與特定的蛋白質(轉錄因子)相互作用才能發揮其功能; 沒有基因專一性,可以在不同的基因組合上表現增強效應; 許多增強子還受外部信號的調控,如金屬硫蛋白的基因啟動區上游所帶的增強子,就可以對環境中的鋅、鎘濃度做出反應。增強子作用機理: (3)沉默子:某些基因含
14、有負性調節元件沉默子,當其結合特異蛋白因子時,對基因轉錄起阻遏作用。(三)反式作用因子 1、定義:能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件的核心序列上,參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。 TFD(TATA)、CTF(CAAT)、SP1(GGGCGG)、HSF(熱激蛋白啟動區)2、結構DNA結合結構域轉錄活化結構域反式作用因子連接區DNA結合結構域:螺旋-轉折-螺旋(Helix-turn-helix,H-T-H)鋅指結構(zinc finger)堿性-亮氨酸拉鏈(basic - leucine zipper)堿性-螺旋-環-螺旋(basic helix /loop /helix,bHLH)螺旋-
15、轉折-螺旋鋅指結構配位鍵2-9個定義:是一種常出現在DNA結合蛋白中的結構基元(motif)。是由一個含有大約30個氨基酸的環和一個與環上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構成,形成的結構像手指狀。 Cys2 / Cys2鋅指Cys2 / His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1,TF A等轉錄因子SP1 (GC盒) 、連續的3個鋅指重復結構。 堿性-亮氨酸拉鏈二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體,形成“拉鏈” 。肽鏈氨基端有一個含2030個堿性氨基酸的結構域,能與DNA結合。堿性-螺旋-環-螺旋(四)轉錄起始復合物(一)概 述單細胞生物 直接作出反應多細胞生物 通過細胞間復雜的信息傳
16、遞系統來傳遞信息,從而調控機體活動。外界環境變化時二、真核基因轉錄調控的主要模式信息傳遞 反式作用因子的活性跨膜信息傳遞的一般步驟:特定的細胞釋放信息物質信息物質經擴散或血液循環到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結合受體對信息進行轉換并啟動細胞內信使系統靶細胞產生生物學效應細胞間信息物質:是由細胞分泌的調節靶細胞生命活動的化學物質的統稱,又稱作第一信使。如生長因子、細胞因子、胰島素等第二信使(secondary messenger):在細胞內傳遞信息的小分子物質,如:Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。受體:是細胞膜上或細胞內能特異識別信息物質并與之結合的成分。它是一種能把識別和接受的
17、信息正確無誤地放大并傳遞到細胞內部、進而引起生物學效應的特殊蛋白質,個別是糖脂。 配體(ligand):能與受體特異性結合的信息物質。存在于細胞膜上的受體,根據其結構和轉換信號的方式又分為三大類:離子通道受體、G蛋白偶聯受體、跨膜蛋白激酶受體。膜受體(membrane receptor)胞內受體(endocellular receptor)高度可變區位于N端,具有轉錄活性DNA結合區含有鋅指結構激素結合區位于C端,結合激素、熱休克蛋白,使受體二聚化,激活轉錄配體:類固醇激素、甲狀腺素等功 能:多為反式作用因子,當與相應配體結合后,能與DNA的順式作用元件結合,調節基因轉錄。1、膜受體介導的信息
18、傳遞(1) cAMP -激酶途徑 A激酶(PKA):依賴于cAMP的蛋白激酶。(二)信息傳遞途徑cAMP調控的A激酶活性 實例:在肌肉細胞,激活的A激酶可在1秒鐘內啟動糖原磷酸解為葡萄糖-1-磷酸,而抑制糖原的合成。 在某些分泌細胞,激活的A激酶需要幾個小時才進入細胞核,將CRE結合蛋白磷酸化,調節相關基因的表達。 CRE(cAMP response element, cAMP應答元件)是DNA上的調節區域,是一個順式作用元件。 (TGACGTCA) CRE結合蛋白(cAMP response element bound protein, CREB),是一個反式作用因子。小結:該信息傳遞途徑涉
19、及的反應鏈可表示為 激素G蛋白偶聯受體G蛋白腺苷酸環化酶cAMP依賴cAMP的A激酶反式作用因子基因轉錄磷脂酰肌醇- 4,5-二磷酸(PIP2)磷脂酶C(PLC-)肌醇- 1,4,5-三磷酸(IP3)二酰基甘油(DAG)(2)磷脂酰肌醇途徑 2、胞內受體介導的信息傳遞激素激活胞內受體的分子機制胞內受體的基本結構分析細胞內受體的本質是激素激活的反式作用因子 甲狀腺激素與類固醇激素通過胞內受體調節生理過程真核生物的基因組 真核生物基因表達調控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調控 真核生物轉錄水平上的基因表達調控 真核基因轉錄后水平上的調控Contents五、真核基因轉錄后水平上的調控(一
20、)RNA的加工成熟1、rRNA和tRNA的加工成熟 rRNA的切割 rRNA的加工:分子內的切割和化學修飾 rRNA的化學修飾 原核生物:堿基甲基化 真核生物:核糖甲基化tRNA基因轉錄時也可能先生成前體tRNA,然后再進行加工成熟。一般認為,tRNA基因的初級轉錄產物在進入細胞質后,首先經過核苷的修飾,生成4.5S前體tRNA,再行剪接成為成熟tRNA(4S)。 tRNA的加工:2、mRNA的加工成熟3、真核生物基因轉錄后加工的多樣性 真核生物的基因可以按其轉錄方式分為兩大類:簡單轉錄單位和復雜轉錄單位。(1) 簡單轉錄單位。這類基因只編碼產生一個多肽,其原始轉錄產物有時需要加工,有時則不需要加工。這類基因轉錄后加工有3種不同形式:(2) 復雜轉錄單位。含有復
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