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文檔簡介
Chapter9Geneexpressioncontrols
1Basicconceptionandprinciple一、基因表達(dá)的概念二、基因表達(dá)特性三、生物學(xué)意義四、基本原理一、基因表達(dá)的概念proteintranscriptiontranslationDNARNA基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程。二、基因表達(dá)特性
基因表達(dá)時空性時間特異性(階段特異性)空間特異性(細(xì)胞特異性、組織特異性)
基因表達(dá)方式組成性表達(dá)(constitutivegeneexpression)管家基因(Housekeepinggene):相對缺少時間和空間特異性而持續(xù)表達(dá)的一類基因。誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)(inductionandrepression):受環(huán)境因素影響而呈現(xiàn)出基因表達(dá)升高(誘導(dǎo))或降低(阻遏)的現(xiàn)象。ProgrammingGeneExpression.Complexbiologicalprocessesofteninvolvecoordinatedcontroloftheexpressionofmanygenes.Thematurationofatadpoleintoafrogislargelycontrolledbythyroidhormone.Thishormoneregulatesgeneexpressionbybindingtoaprotein,thethyroidhormonereceptor,shownattheright.Inresponsetohormonebinding,thisproteinbindstospecificDNAsitesinthegenomeandmodulatestheexpressionofnearbygenes.Diagramofthehumanglobinfamilyofgenesonchromosome1ProcarboxypeptidaseA17.6Albumin3.52Pancreatictrypsinogen25.5ApolipoproteinA-I2.83Chymotrypsinogen4.4ApolipoproteinC-I2.54Pancreatictrypsin13.7ApolipoproteinC-III2.15ElastaseIIIB2.4ATPase6/81.56ProteaseE1.9Cytochromeoxidase31.17Pancreaticlipase1.9Cytochromeoxidase21.18ProcarboxypeptidaseB1.7a-1-Antitrypsin1.09Pancreaticamylase1.7Cytochromeoxidase10.910Bilesalt-stimulatedlipase1.4ApolipoproteinE0.9RankPancreas%Liver%Highlyexpressedprotein-encodinggenesofthepancreasandliver(aspercentageoftotalmRNApool)轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控
轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物:加工、轉(zhuǎn)運、降解翻譯水平基因表達(dá)的多級調(diào)控DNARNAPROTEIN基因激活翻譯后:加工、轉(zhuǎn)運、降解三、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化
四、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素(一)基因表達(dá)的調(diào)控序列(元件,element):一段特異DNA序列
1、原核生物基因表達(dá)調(diào)控單元—操縱元(operon)
調(diào)控區(qū):啟動序列(啟動子,promoter,P)
操縱序列(operator,O)
編碼區(qū):編碼序列(結(jié)構(gòu)基因)POABC調(diào)控序列(區(qū))編碼序列(區(qū))啟動子(promoter,P)啟動子概念:能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。啟動子組成特點:有兩段保守序列(共有序列,consensussequence),決定啟動子轉(zhuǎn)錄活性大小。-10區(qū):TATAAT(Pribnowbox),與RNA聚合酶核心酶結(jié)合-35區(qū):TTGACA,與σ因子結(jié)合操縱序列(operator,O):是阻遏蛋白結(jié)合位點,與啟動子序列毗鄰,常交叉、重疊。介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)激活蛋白結(jié)合序列---介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)間隔-35區(qū)間隔RNA起始TTGACAN17TTAACTN7ATTTACAN16TATGATN7ATTTACAN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN18TACTGTN6A-10區(qū)+1trptRNATyrlacRecAaraBADTTGACATATAAT共有序列2、真核生物基因表達(dá)調(diào)控序列—順式作用元件(cis-actingelement):
影響自身基因表達(dá)活性的序列,位于基因的兩側(cè)或中間:
啟動子(promoter)增強子(enhancer)沉默子(silencer)
BARNA聚合酶ⅡBADNADNA轉(zhuǎn)錄起始點mRNAmRNA圖14-2順式作用元件概念轉(zhuǎn)錄起始點RNA聚合酶Ⅱ(二)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)蛋白1、原核生物:特異因子:決定RNA聚合酶對一個或一套識別啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力,如因子:當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時,需要不同的因子。阻遏蛋白(repressor)結(jié)合操縱序列,阻遏基因表達(dá)激活蛋白(activator)與啟動子附近DNA序列結(jié)合,促進(jìn)RNA聚合酶與啟動子結(jié)合2、真核生物:轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor),可分為:
反式作用因子(trans-actingfactor),大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子由某一基因表達(dá)后,與特異的順式作用元件作用(DNA-蛋白質(zhì))激活另一基因的轉(zhuǎn)錄。
順式作用因子(cis-actingfactor):極少數(shù)可識別和結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列,調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉。蛋白質(zhì)mRNAPADNAPB轉(zhuǎn)錄起始點mRNA順式調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)圖14-3反式與順式作用蛋白反式調(diào)節(jié)BA(三)調(diào)節(jié)機(jī)制:通過非共價鍵分子間相互作用蛋白質(zhì)–DNA相互作用(protein-DNAinteraction):反式作用因子與順式作用元件特異識別和結(jié)合。蛋白質(zhì)–蛋白質(zhì)相互作用(protein-proteininteraction):蛋白質(zhì)之間相互作用可直接或間接結(jié)合DNA。(四)RNA聚合酶活性:
啟動子序列影響其與RNA聚合酶的親合力。調(diào)節(jié)蛋白影響RNA聚合酶的活性。
第二節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)乳糖操縱元(lac
operon)色氨酸操縱元(trp
operon)基因重組(geneticrecombination)SOS反應(yīng)(SOSresponse)(一)結(jié)構(gòu)組成:調(diào)控區(qū):Plac、O、CAP結(jié)合位點和
編碼區(qū):三個結(jié)構(gòu)基因(Z、Y、A)操縱元外有調(diào)節(jié)基因(lacI)編碼阻遏蛋白一、乳糖操縱元(lactoseoperon)圖16-2乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(二)調(diào)節(jié)方式:
阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)
CAP的正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)IPTG(乳糖類似物)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)CAP腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP;cAMP磷二酯酶水解cAMP產(chǎn)生5’-AMP圖16-3乳糖操縱子對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時,CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用;沒有CAP時,即使阻遏蛋白從operator上解離仍無明顯的轉(zhuǎn)錄活性;若有葡萄糖和乳糖時,細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖---分解代謝阻遏(catabolicrepression)2CAPcAMPCAP位點低乳糖阻遏蛋白操縱序列高乳糖RNA聚合酶mRNA5'圖14-5CAP,阻遏蛋白,cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)1.當(dāng)葡萄糖濃度低,cAMP濃度高時2.當(dāng)葡萄糖濃度高,cAMP濃度低時啟動序列啟動序列啟動序列啟動序列1二、色氨酸操縱子(trpoperon)(一)色氨酸操縱元組成:調(diào)控區(qū):啟動子(Ptrp)、操縱序列(Otrp)、前導(dǎo)序列(trpL)、衰減子序列(trpa);及遠(yuǎn)離的調(diào)節(jié)基因(trpR)結(jié)構(gòu)基因:trpE、trpD、trpC、trpB、trpA(二)調(diào)節(jié)方式:阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控;輔阻遏物(色氨酸)+輔阻遏蛋白=阻遏蛋白衰減子(trpa)機(jī)制阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控
色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)
色氨酸操縱子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制圖16-6λ噬菌體的開關(guān)事件操縱基因的結(jié)構(gòu)衰減子(attenuator):提前終止轉(zhuǎn)錄,調(diào)節(jié)基因表達(dá)的DNA序列。位于轉(zhuǎn)錄起始點前,存在前導(dǎo)序列(162nt)中,當(dāng)trp濃度很高時,在與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的翻譯過程中,在mRNA分子上形成一個不依賴
因子的終止結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制1234轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制在高濃度色氨酸環(huán)境中,能形成色氨酰-tRNA,核糖體在翻譯過程中能通過片段1,同時影響片段2和3之間的發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成,但片段3和4之間能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)就是P因子不依賴的轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu),因此RNA聚合酶的作用停止。當(dāng)色氨酸缺乏時,色氨酰-tRNA也相應(yīng)缺乏,此時核糖體就停留在兩個相鄰的色氨酸密碼的位置上,片段1和2之間不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu),而片段2和3之間可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu),結(jié)果使色氨酸操縱子得以轉(zhuǎn)錄。調(diào)節(jié)效應(yīng):trpAttenuation:10-foldrepressiontrprepressor:70-foldrepressionTotalregulatoryeffect:700-foldrepression第三節(jié)真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因表達(dá)調(diào)控特點真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)龐大:人30億(3×109)bp,基因占6%
單順反子(monocistron)
重復(fù)序列多基因不連續(xù)性(斷裂基因):外顯子(exon)、內(nèi)含子(intron)二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點三種RNA聚合酶(RNA-PolⅠ、Ⅱ、Ⅲ)
活性染色體結(jié)構(gòu)變化調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近對核酸酶敏感
RNA酶前方DNA呈負(fù)超螺旋,后方呈正超螺旋
5’側(cè)翼區(qū)CpG序列低甲基化組蛋白被修飾,核小體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)轉(zhuǎn)錄與翻譯分離轉(zhuǎn)錄后修飾、加工三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)
(一)順式作用元件
啟動子:含有一組轉(zhuǎn)錄控制組件(module)
轉(zhuǎn)錄起始點
TATA盒:位于-25~-35bp處,是TFIID結(jié)合位點,控制轉(zhuǎn)錄的準(zhǔn)確性和頻率
CAAT盒
GC盒
增強子(enhancer):
增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。含有若干功能組件—增強體(enhanson)是TF結(jié)合的核心序列位于啟動子內(nèi)、或交錯、或相鄰、或其它部位遠(yuǎn)距離起作用,專一性不強,無方向性沉默子(silencer)負(fù)性調(diào)控元件,當(dāng)結(jié)合特異調(diào)控蛋白因子時,對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。Generalpatternofcis-actingcontrolelementsthatregulategeneexpressioninyeastandmulticellularorganisms(invertebrates,vertebrates,andplants).(a)Genesofmulticellularorganismsconta
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