第8章 基因表達和調(diào)控.ppt

第八章基因表達與調(diào)控 基因表達 geneexpression 基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯 產(chǎn)生蛋白質(zhì)產(chǎn)物和直接轉(zhuǎn)錄RNA參與生物功能的過程 基因調(diào)控 涉及基因的啟動關(guān)閉 活性的增加或減弱 發(fā)生在轉(zhuǎn)錄階段 轉(zhuǎn)錄后加工階段和翻譯階段 負調(diào)控 Negativecontrol 阻遏蛋白 repressorprotein 結(jié)合在受控基因上時不表達 不結(jié)合時就表達的形式 正調(diào)控 Positivecontrol 基因表達的活化物 activators 結(jié)合在受控基因上時 激活基因表達 不結(jié)合時就不表達的形式 Cis acting 順式作用與靶基因位于同一條染色體上的DNA序列發(fā)揮調(diào)控作用Trans acting 反式作用基因編碼產(chǎn)物 RNA或protein調(diào)控另一簇基因的表達 Basicconceptoftranscription Anexampleofgeneticcontrolofmetabolism TheproductsofgeneexpressioncanbeRNAorprotein Basicconceptoftranscription Atranscriptionunit 基因和表達與調(diào)控 調(diào)節(jié)元件轉(zhuǎn)錄調(diào)控翻譯調(diào)控 TheLactoseOperoninE coli PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS 調(diào)節(jié)基因 操縱子 Lac阻遏物 半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶 E Coli誘導型Lac操縱子結(jié)構(gòu)模型 基因長度 PI i基因啟動子genei 調(diào)節(jié)基因P 結(jié)構(gòu)基因啟動子geneZ Y A 結(jié)構(gòu)基因O 操縱單元 誘導系統(tǒng)負調(diào)控 乳糖操縱子 在乳糖存在下 乳糖作為誘導物 與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合 改變了阻遏物結(jié)構(gòu) 不能再結(jié)合到操作基因上 使得RNA多聚酶能夠與啟動子結(jié)合 啟動 轉(zhuǎn)錄了分解乳糖的三個結(jié)構(gòu)基因 當乳糖分解完以后 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合到操作基因上 使得RNA多聚酶不能夠與啟動子結(jié)合 啟動 停止轉(zhuǎn)錄分解乳糖的結(jié)構(gòu)基因 誘導系統(tǒng)負調(diào)控 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物結(jié)合到操作基因基因上 啟動結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄 在底物存在下 底物作為誘導物 與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合 改變了阻遏物結(jié)構(gòu) 不能再結(jié)合到操縱基因上 使得RNA多聚酶能夠與啟動子結(jié)合 啟動 轉(zhuǎn)錄了分解底物的結(jié)構(gòu)基因 當?shù)孜锓纸馔暌院?調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合到操縱基因上 使得RNA多聚酶不能夠與啟動子結(jié)合 啟動 停止轉(zhuǎn)錄分解底物的結(jié)構(gòu)基因 誘導系統(tǒng)正調(diào)控 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物結(jié)合到操作基因基因上 啟動結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄 在底物存在下 底物作為誘導物 與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活化物結(jié)合 改變了活化物結(jié)構(gòu) 使得復合物能夠結(jié)合到操縱基因上 RNA多聚酶能夠與啟動子結(jié)合 啟動 轉(zhuǎn)錄了分解底物的結(jié)構(gòu)基因 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物在沒有底物存在下 不能與結(jié)合到操縱基因上 RNA多聚酶不能夠與啟動子結(jié)合 啟動 停止轉(zhuǎn)錄分解底物的結(jié)構(gòu)基因 阻遏系統(tǒng)負調(diào)控 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物結(jié)合到操作基因基因上 啟動結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄 在底物存在下 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物不能與操縱基因結(jié)合 使得RNA多聚酶能夠與啟動子結(jié)合 啟動 轉(zhuǎn)錄了合成底物的結(jié)構(gòu)基因 當?shù)孜锖铣梢院?調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物與底物的復合物結(jié)合到操縱基因上 使得RNA多聚酶不能夠與啟動子結(jié)合 啟動 停止轉(zhuǎn)錄合成底物的結(jié)構(gòu)基因 阻遏系統(tǒng)正調(diào)控 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物結(jié)合到操作基因基因上 啟動結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活化物與操縱基因結(jié)合 使得RNA多聚酶能夠與啟動子結(jié)合 啟動 轉(zhuǎn)錄了合成底物的結(jié)構(gòu)基因 當?shù)孜锖铣梢院?調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活化物與底物的復合物不能結(jié)合到操縱基因上 使得RNA多聚酶不能夠與啟動子結(jié)合 啟動 停止轉(zhuǎn)錄合成底物的結(jié)構(gòu)基因 誘導和阻遏系統(tǒng)主要區(qū)別 調(diào)控類型有底物無底物誘導系統(tǒng) 阻遏系統(tǒng) 正負調(diào)控區(qū)別 調(diào)控類型有阻遏物無阻遏物負調(diào)控 正調(diào)控 Lac操縱子基因的組成型表達 外源誘導物不存在時 功能基因仍表達 復制與轉(zhuǎn)錄 DNA復制 DNA多聚酶 轉(zhuǎn)錄 依賴于 的RNA多聚酶反轉(zhuǎn)錄 依賴于RNA的DNA多聚酶 THECENTRALDOGMA 基因表達過程 DNA SnRNA tRNA rRNA mRNA THEPROCESSOFGENEEXPRESSION 原核與真核生物基因轉(zhuǎn)錄 原核 mRNA真核 pre mRNA mRNA Thedifferenceofgeneexpressionbetweenprokaryotesandeukaryotes 調(diào)節(jié)水平 轉(zhuǎn)錄m 加工翻譯翻譯后加工 Basicconceptoftranscription 轉(zhuǎn)錄模版 轉(zhuǎn)錄時 一般以 一條鏈為模版鏈 但是也有一些基因以另一條鏈為模版 Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription 反義RNA 一種由兩條 互補鏈轉(zhuǎn)錄成的兩條完全互補的RNA鏈 結(jié)果形成復合體 不能翻譯出蛋白多肽 Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription RNASYNTHESIS Basicconceptoftranscription RNA多聚酶與啟動子 解旋與啟始 10區(qū) TATAbox Pribnowbox 核心酶結(jié)合區(qū) 35區(qū) sigma因子結(jié)合區(qū) Basicconceptoftranscription RNAinitiationinE coli A TrichregionInitiateunwinding RNApolymerasebindingsite Transcriptionbegins Basicconceptoftranscription PROMOTEROFBACTERIA Basicconceptoftranscription 解旋酶和恢復螺旋的酶解旋酶打開部分DNA雙螺旋 使得RNA轉(zhuǎn)錄 恢復螺旋的酶在轉(zhuǎn)錄結(jié)束后 恢復原來DNA的雙螺旋狀 Basicconceptoftranscription RNAelongationinE coli TerminationofRNA ARho dependenttranscriptionterminator resultinterminationonlyinthepresenceofproteinrho ARho independenttranscriptionterminator resultinterminationwithouttheinvolvementofproteinrho Basicconceptoftranscription 轉(zhuǎn)錄終止 終止 RNA轉(zhuǎn)錄停止在終止信號上 RNA釋放 Rho因子 在轉(zhuǎn)錄中起到終止轉(zhuǎn)錄的作用的輔助蛋白 依賴Rho因子的終止子是弱終止子 不依賴Rho因子的終止子是強終止子 終止子結(jié)構(gòu)特征 基因3 端的具有反向重復特殊序列 具有終止轉(zhuǎn)錄的作用 Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription ARho independenttranscriptionterminator Basicconceptoftranscription TranscriptioninEukaryotes Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription StructureofapromoterrecognizedbyRNApolymeraseII Basicconceptoftranscription 參與RNA多聚酶作用的因子 TFIID 結(jié)合到TATA上TFIIA 結(jié)合到D上TFIIB 結(jié)合復合物TFIIF 與RNAII多聚酶結(jié)合 參與解旋TFIIE 結(jié)合復合物 Basicconceptoftranscription InitiationoftranscriptionbyRNApolymeraseII Basicconceptoftranscription Basicconceptoftranscription RNA加工 5 加甲基MG3 加多聚 Basicconceptoftranscription RNAelongationandtheadditionof5 cap Basicconceptoftranscription RNAterminationandtheadditionof3 poly A tails RNAprocessing RNASPLICING RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing alternativesplicing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAEDITING GeneticinformationisalteredinthemRNA RNAeditingprocessesaltertheinformationcontentofgenetranscriptsintwoways 1 changingthestructuresofindividualbases2 insertingordeletinguridinemonophosphateresidues RNAprocessing RNAprocessing Editingoftheapolipoprotein BmRNAintheintestinesofmammals RNAprocessing Editingofthemitochondrialcytochromebpre mRNA RNAprocessing Thetwo stepmechanismbywhichuridinemonophosphateresiduesareinsertedintopre mRNAmoleculesduringeditinginmitochondriaoftrypanosomes tRNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing RNAprocessing 1 Transcription 2 RNAprocessing 4 Translation 5 Post translation 3 RNAstability 5levelsofregulation TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION TRANSLATION BacteriophageLambda LysogenyorLysis PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Bacteriophagelambda Twointracellularstates Lyticgrowth lysogeny Thedeterminationofwhetherlambdaentersthelyticorthelysogenicpathway 1 thelyticregulatorycascadeor2 theautogenouslymaintainedrepressioncircuitoflysogenyQ Howthegeneticswitchofthesetworegulatorynetworkstakesplace PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS RepressionofthelambdalyticgenesinlysogenicE coli PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Thelambdarepressordimercontactsitsbindingsitesinlambdaoperatorregion OLandOR PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Autogenousregulationofphagelambdarepressorsynthesis PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Genesandrecognitionsitesinvovledinthelambdalyticregulatorycasade Genescro NandQencoderegulatoryproteinsrequiredforlyticdevelopment PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Functionsofthecrogeneproduct PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Nproteinfunctionsasanantiterminatoroftranscription PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Regulatoryelementinvolvedinsettingthelambdageneticswitchtolyticortolysogenygrowth PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS ThelambdaCII CIII PREregulatorycircuit PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Summaryofthelambdaregulatoryelements PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Translationalcontrolofgeneexpression Theregulationattheleveloftranslationisjustfine tuningInprokaryotes transcription translationandmRNAdegradationarecoupledThesametranscriptproducesdifferentamountsofgeneproduct unequalefficienciesoftranslationalinitiationalteredefficienciesofribosomemovementdifferentialratesofdegradation PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS ThecoordinationbetweenribosomalproteinsynthesisandribosomalRNAsynthesisoccursattheleveloftranslation PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Post translationregulatory PROKARYOTESANDTHEIRVIRUS Feedbackinhibitionorend productinhibition RegulationofEukaryoticgeneexpression Spatialregulationtissue specificgeneexpressionTemporalregulationtemporalspecificity differentgenesareexpressedatdifferenttimes inresponsetobiologicalsignalsorenvironmentstimuli eukaryotes Orgnanizationandtemporallyspecificexpressionofhuman and globingenes eukaryotes Thestagesatwhicheukaryoticgeneexpressioncanberegulated TranscriptionProcessingTranslation eukaryotes RNAprocessingistypicalineukaryotesPhysicalseparationoftheeventsofgeneexpressionmakeitpossibleforregulationtooccurindifferentplaces eukaryotes AlternatesplicingofRNA eukaryotes eukaryotes eukaryotes CytoplasmiccontrolofmRNAstabilitythelengthofthepoly A tailthestructureofthe3 UTRthemetabolicstateofthecell eukaryotes 環(huán)境因素誘導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 由于環(huán)境因子的改變 使得生物體特定基因的表達受到了相關(guān)基因的調(diào)控 這種調(diào)控形式稱為環(huán)境因素誘導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 溫度誘導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件 熱休克基因 Heat Shockgene 編碼熱休克蛋白的基因 例如 hsp70gene熱休克轉(zhuǎn)錄因子 heat shocktranscriptionfactor HSTF 存在于細胞核中一種對溫度敏感的多肽因子 熱休克反應(yīng)因子 heatshockresponseelements HSEs 在hsp70gene上游40 90bp 被HSTF識別的DNA序列 溫度誘導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 熱休克基因 Heat Shockgene 在原核和真核生物中都發(fā)現(xiàn)了這類基因 當生物體處于高溫時 熱休克轉(zhuǎn)錄因子 heat shocktranscriptionfactor HSTF 被激活 結(jié)合到熱休克反應(yīng)序列上 促使熱休克基因轉(zhuǎn)錄 表達的蛋白為HSP70 對細胞在高溫下起穩(wěn)定作用 eukaryotes Environmentfactorsinducetranscriptionalactivity temperature eukaryotes 生物因子誘導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 生物體在生物因子誘導下的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 這類因子的調(diào)控一般都需要通過細胞信號傳導系統(tǒng) 將信息傳遞細胞核內(nèi)的DNA上 誘導了轉(zhuǎn)錄進行 其中有的因子直接進入細胞內(nèi)參與誘導 有些因子通過細胞跨膜蛋白受體 間接進行誘導 eukaryotes Biologicalfactorsinducetranscriptionalactivity1 steroidhormones eukaryotes Biologicalfactorsinducetranscriptionalactivity2 peptidehormone Threegeneralpropertiesofenhancerstheyactoverrelativelylargedistancestheirinfluenceongeneex