《第8章基因表达和调控.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章基因表达和调控.ppt（158页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第八章 基因表达与调控,。基因表达（gene expression):基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。 基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。 负调控（ Negative control ）：阻遏蛋白（repressor protein）结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。 正调控（ Positive control ）：基因表达的活化物（ activators ）结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。,Cisacting，顺式作用 与靶基因位于同一条染色体上的DNA序列发
2、挥调控作用 Trans-acting，反式作用 基因编码产物，RNA或protein调控另一簇基因的表达,Basic concept of transcription,An example of genetic control of metabolism,The products of gene expression can be RNA or protein,Basic concept of transcription,A transcription unit：,基因和表达与调控,调节元件 转录调控 翻译调控,The Lactose Operon in E.coli,PROKARYOTES
3、AND THEIR VIRUS,调节基因,操纵子,Lac 阻遏物,半乳糖苷酶,半乳糖苷 透性酶,半乳糖苷 乙酰基转移酶,E.Coli 诱导型Lac操纵子结构模型,基因 长度,PI: i基因启动子 gene i：调节基因 P： 结构基因启动子 gene Z,Y,A：结构基因 O： 操纵单元,诱导系统负调控 乳糖操纵子,在乳糖存在下，乳糖作为诱导物， 与调节基因产生的阻遏物结合，改变了阻遏物结构，不能再结合到操作基因上，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了分解乳糖的三个结构基因。 当乳糖分解完以后，调节基因产生的阻遏物结合到操作基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分
4、解乳糖的结构基因。,诱导系统负调控,调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因不能转录。 在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产生的阻遏物结合，改变了阻遏物结构，不能再结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了分解底物的结构基因。 当底物分解完以后，调节基因产生的阻遏物结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分解底物的结构基因。,诱导系统正调控,调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因转录。 在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产生的活化物结合，改变了活化物结构，使得复合物能够结合到操纵基因上，RNA多聚酶能够与启动子结合
5、，启动。转录了分解底物的结构基因。 调节基因的产物在没有底物存在下，不能与结合到操纵基因上，RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分解底物的结构基因。,阻遏系统负调控,调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因不能转录。 在底物存在下，调节基因产生的阻遏物不能与操纵基因结合，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了合成底物的结构基因。 当底物合成以后，调节基因产生的阻遏物与底物的复合物结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录合成底物的结构基因。,阻遏系统正调控,调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因能转录。 调节基因产生的活化物与操纵基因结
6、合，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了合成底物的结构基因。 当底物合成以后，调节基因产生的活化物与底物的复合物不能结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录合成底物的结构基因。,诱导和阻遏系统主要区别,调控类型 有底物 无底物 诱导系统 阻遏系统 ,正负调控区别,调控类型 有阻遏物 无阻遏物 负调控 正调控 _,Lac 操纵子基因的组成型表达： 外源诱导物不存在时， 功能基因仍表达,复制与转录,DNA复制：DNA多聚酶 转录：依赖于的RNA多聚酶 反转录：依赖于RNA的DNA多聚酶,THE CENTRAL DOGMA,基因表达过程,DNASnRNA; _t
7、RNA _rRNA _mRNA,THE PROCESS OF GENE EXPRESSION,原核与真核生物基因转录,原核 mRNA 真核 pre-mRNA -mRNA,The difference of gene expression between prokaryotes and eukaryotes,调节水平,转录 m加工 翻译 翻译后加工,Basic concept of transcription,转录模版,转录时，一般以一条链为模版链，但是也有一些基因以另一条链为模版。,Basic concept of transcription,Basic concept of transcri
8、ption,Basic concept of transcription,反义RNA：一种由两条互补链转录成的两条完全互补的RNA链，结果形成复合体，不能翻译出蛋白多肽。,Basic concept of transcription,Basic concept of transcription,Basic concept of transcription,RNA SYNTHESIS,Basic concept of transcription,RNA多聚酶与启动子,解旋与启始 10区：TATA box（Pribnow box），核心酶结合区。 35区：sigma因子结合区。,Basic con
9、cept of transcription,RNA initiation in E. coli,A:T rich region Initiate unwinding,RNA polymerase binding site,Transcription begins,Basic concept of transcription,PROMOTER OF BACTERIA,Basic concept of transcription,解旋酶和恢复螺旋的酶 解旋酶打开部分DNA双螺旋，使得RNA转录。 恢复螺旋的酶在转录结束后，恢复原来DNA的双螺旋状。,Basic concept of transcr
10、iption,RNA elongation in E. coli,Termination of RNA,A Rho-dependent transcription terminator: result in termination only in the presence of protein rho() A Rho-independent transcription terminator: result in termination without the involvement of protein rho(),Basic concept of transcription,转录终止,终止：
11、RNA转录停止在终止信号上，RNA释放。 Rho因子：在转录中起到终止转录的作用的辅助蛋白。 依赖Rho因子的终止子是弱终止子，不依赖Rho因子的终止子是强终止子。 终止子结构特征：基因3端的具有反向重复特殊序列，具有终止转录的作用。,Basic concept of transcription,Basic concept of transcription,A Rho-independent transcription terminator,Basic concept of transcription,Transcription in Eukaryotes:,Basic concept of
12、transcription,Basic concept of transcription,Basic concept of transcription,Structure of a promoter recognized by RNA polymerase II,Basic concept of transcription,参与RNA多聚酶作用的因子,TFIID:结合到TATA上 TFIIA：结合到D上 TFIIB：结合复合物 TFIIF：与RNA II多聚酶结合，参与解旋 TFIIE：结合复合物,Basic concept of transcription,Initiation of tra
13、nscription by RNA polymerase II,Basic concept of transcription,Basic concept of transcription,RNA加工,5加甲基MG 3加多聚,Basic concept of transcription,RNA elongation and the addition of 5- cap,Basic concept of transcription,RNA termination and the addition of 3- poly(A) tails,RNA processing,RNA SPLICING,RNA
14、 processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,alt
15、ernative splicing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA EDITING: Genetic information is altered in the mRNA,RNA editing processes alter the information content of gene transcripts in two ways: 1.changing the structures of individual bases 2.inserting or deleting uridine mon
16、ophosphate residues,RNA processing,RNA processing,Editing of the apolipoprotein-B mRNA in the intestines of mammals,RNA processing,Editing of the mitochondrial cytochrome b pre-mRNA,RNA processing,The two-step mechanism by which uridine monophosphate residues are inserted into pre-mRNA molecules dur
17、ing editing in mitochondria of trypanosomes,tRNA processing,RNA processing,RNA processing,RNA processing,1.Transcription,2.RNA processing,4.Translation,5.Post-translation,3.RNA stability,5 levels of regulation:,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANS
18、LATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,TRANSLATION,Bacteriophage Lambda: Lysogeny or Lysis,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Bacteriophage lambda,Two intracellular states：,Lytic growth,lysogeny,The determination of
19、 whether lambda enters the lytic or the lysogenic pathway: 1.the lytic regulatory cascade or 2.the autogenously maintained repression circuit of lysogeny Q: How the genetic switch of these two regulatory networks takes place?,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Repression of the lambda lytic genes in lysoge
20、nic E.coli,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,The lambda repressor dimer contacts its binding sites in lambda operator region(OL and OR),PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Autogenous regulation of phage lambda repressor synthesis,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Genes and recognition sites invovled in the lambda lytic
21、 regulatory casade,Genes cro, N and Q encode regulatory proteins required for lytic development,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Functions of the cro gene product,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,N protein functions as an antiterminator of transcription,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,
22、Regulatory element involved in setting the lambda genetic switch to lytic or to lysogeny growth,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,The lambda CII-CIII-PRE regulatory circuit,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Summary of the lambda regulatory elements,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Translational control of gene expre
23、ssion,The regulation at the level of translation is just fine-tuning In prokaryotes, transcription, translation and mRNA degradation are coupled The same transcript produces different amounts of gene product: unequal efficiencies of translational initiation altered efficiencies of ribosome movement
24、differential rates of degradation,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,The coordination between ribosomal protein synthesis and ribosomal RNA synthesis occurs at the level of translation,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,PROKARYOTES AND THEIR VIRUS,Post-translation regulatory,PROKARYOTE
25、S AND THEIR VIRUS,Feedback inhibition or end-product inhibition,Regulation of Eukaryotic gene expression,Spatial regulation tissue-specific gene expression Temporal regulation temporal specificity, different genes are expressed at different times, in response to biological signals or environment sti
26、muli,eukaryotes,Orgnanization and temporally specific expression of human and globin genes,eukaryotes,The stages at which eukaryotic gene expression can be regulated:,Transcription Processing Translation,eukaryotes,RNA processing is typical in eukaryotes Physical separation of the events of gene exp
27、ression make it possible for regulation to occur in different places,eukaryotes,Alternate splicing of RNA,eukaryotes,eukaryotes,eukaryotes,Cytoplasmic control of mRNA stability the length of the poly(A) tail the structure of the 3UTR the metabolic state of the cell,eukaryotes,环境因素诱导的转录调控,由于环境因子的改变，使
28、得生物体特定基因的表达受到了相关基因的调控，这种调控形式称为环境因素诱导的转录调控。,温度诱导的转录调控元件,热休克基因（HeatShock gene) ：编码热休克蛋白的基因。例如：hsp70 gene 热休克转录因子（heat-shock transcription factor,HSTF）：存在于细胞核中一种对温度敏感的多肽因子。 热休克反应因子（heat shock response elements,HSEs）：在hsp70 gene上游4090bp，被HSTF识别的DNA序列。,温度诱导的转录调控,热休克基因（HeatShock gene) 在原核和真核生物中都发现了这类基因，当生
29、物体处于高温时，热休克转录因子（heat-shock transcription factor,HSTF）被激活，结合到热休克反应序列上，促使热休克基因转录，表达的蛋白为HSP70，对细胞在高温下起稳定作用。,eukaryotes,Environment factors induce transcriptional activity: temperature,eukaryotes,生物因子诱导的转录调控,生物体在生物因子诱导下的转录调控。 这类因子的调控一般都需要通过细胞信号传导系统，将信息传递细胞核内的DNA上，诱导了转录进行。 其中有的因子直接进入细胞内参与诱导，有些因子通过细胞跨膜蛋白受
30、体，间接进行诱导。,eukaryotes,Biological factors induce transcriptional activity1: steroid hormones,eukaryotes,Biological factors induce transcriptional activity2: peptide hormone,Three general properties of enhancers they act over relatively large distances their influence on gene expression in independent
31、of orientation their effects are independent of position,增强子（enhancer）,生物中能够增强基因表达的调控序列。 作用特征： 可以相隔数千个碱基对远距离发生调控作用。 不管正向或反向，均可以发挥调控作用。 在结构基因的上游或下游都具有调控的作用。,eukaryotes,DNA sequences involved in the control of transcription: enhancer,eukaryotes,eukaryotes,Structure of the enhancer of SV40,融合基因构建：将细菌编码
32、半乳糖苷酶的lacZ基因插入果蝇P因子，lacZ基因受P因子启动子调控,P/lacZ 融合基因,转基因： 将融合基因（fusion gene）与催化P因子转座的酶共同显微注射至果蝇胚胎细胞中 在发育过程中，该P因子整合到胚胎细胞的染色体上 这个果蝇的后代与普通果蝇品系杂交构建基因组中含P/lacZ融合基因的品系,融合基因表达： 在各品系中分析lacZ基因表达 方法：组织切片染色 原理：Xgal显色 Xgal为显色底物，在半乳糖苷酶作用下显为蓝色,结果： 品系一 只有眼睛为蓝色 品系二 只有肠为蓝色 品系三 所有组织均显为蓝色 为什么在三个品系中结果不同？,P/lacZ融合基因在果蝇染色体上受调
33、控序 列增强子(enhancer)的调控。这一序列可 与P启动子相互作用，起始lacZ的转录。 在三个品系中，P/lacZ融合基因插入位置 不同 品系一 插入位置靠近眼特异性增强子，只在眼睛细胞中调控转录 品系二 插入位置靠近肠特异性增强子，只在肠细胞中调控转录 品系三 插入位置靠近非特异性增强子，在不同组织的各种细胞中均调控转录,只在眼中表达,只在肠 中表达,广泛表达,眼特异增强子,肠特异增强子,广泛增强子,Enhancer traps 增强子捕获： 假设不同组织特异性增强子在染色体上的位置靠近其所调控的基因。例如，在眼睛中，眼特异性增强子在对眼睛功能或发育重要的基因附近。用“随机插入”的融合基因P/lacZ可鉴别不同种类的增强子，以及其所控制的基因，因此称为增强子捕获,