第七章 真核生物基因的表达调控.ppt
《第七章 真核生物基因的表达调控.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第七章 真核生物基因的表达调控.ppt(95页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、基 因 的 表 达 调 控 Gene Regulation,Part II: Eukaryotes,第七章 真核生物基因的表达调控,(Gene Regulation in Eukaryotes),主要内容,第一节 真核生物基因表达调控概述,第二节 DNA水平的表达调控,第三节 转录水平的表达调控,第四节 其他水平上的表达调控,第一节 真核生物基因表达调控概述,(Introduction of Gene Regulation in Eukaryotes),一、调控的细胞学基础,原核生物一般为自由生活的单细胞有机体。直接暴露在变化莫测的环境中,食物供应无保障,只有根据环境条件的变化而改变其代谢途径
2、,才能维持自身的生存和繁衍。因而,营养条件和环境因素是其基因表达调控的主要信号。,真核生物主要由多细胞组成。食物来源和代谢途径相对比较稳定。但是由于它们多为多细胞有机体,在个体发育中出现细胞分化,而不同类型的细胞在质和量上对蛋白质的需求是不同的。因而,激素水平和发育阶段是其基因表达调控的主要信号。,原核生物,真核生物,真核生物和原核生物细胞结构的不同,导致其基本生活方式完全不同,所以在基因表达调控上各具特点。,对于原核生物而言,既无充足的能源贮备,又无高等植物制造有机物的本领,也不能象动物一样主动获取食物。因此,调控是为了适应环境,获取营养,达到生存最优化。调控特点体现一个“快”字,快速适应环
3、境,获取营养,合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化,获得的适应应变能力。-适应环境获取营养、解决“温饱”问题,真核基因表达调控的最显著特征是程序调控、按“既定方针办”。在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因,从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程,并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常生理功能,期间仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下,主要组织或器官仍能维持正常功能。-“处世不惊”,二、真核生物基因表达调控的种类,1、根据基因表达调控的性质可分为两大类:,第一类是瞬时调控或称为可逆调控,它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反
4、应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降,及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。,第二类是发育调控或称不可逆调控,是真核基因调控的精髓部分,它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。,2、根据基因表达调控在同一事件中发生的先后次序又可分为:,DNA水平的调控 Gene Regulation at DNA level 转录水平的调控 Transcriptional Regulation 转录后水平的调控 Post transcriptional Regulation 翻译水平的调控 Translational Regulation 蛋白质加工水平的调控 Protein maturation a
5、nd Processing,第二节 DNA水平的基因表达调控,(Gene Regulation at DNA level),基因丢失,基因扩增,基因重排,DNA甲基化状态与调控,染色体结构与调控,一、基因丢失(Gene loss),在细胞分化过程中,可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中,许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体,只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。 例如:在蛔虫胚胎发育过程中,有27DNA丢失。在高等动植物中,尚未发现类似现象。,二、基因扩增(Gene amplification),基因扩增是指某些基因
6、的拷贝数专一性增大的现象。它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要,是基因活性调控的一种方式。 例如:非洲爪蟾的卵母细胞中原有rDNA约500个拷贝,在减数分裂的粗线期,基因开始迅速复制,到双线期拷贝数约为200万个,扩增近4000倍,可用于合成1012个核糖体,以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。,三、基因重排(gene re-arrangement),将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录,这种方式被称为基因重排。 通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。,免疫球蛋白由B-淋巴细胞合成,其肽链主要由可变区(V区)、恒定区(C区
7、)以及两者之间的连接区(J区)组成。,人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数量比较,所有Ig分子都含有两类轻链中的一类,即型或型。,V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时,通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起,从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。,四、DNA的甲基化与基因活性调控,DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,存在于所有高等生物中。DNA甲基化能关闭某些基因的活性,而去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。,DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。,1DNA甲基
8、化的主要形式,DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)及7-甲基鸟嘌呤(7-mG)。,真核生物中,5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。其中,CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上,因而被称为CpG岛(CpG island)。它们大多位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点,其中有6090%的CpG 被甲基化, 。,2、真核生物甲基化酶的分类,真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性:,日常型(maintenance)甲基转移酶:在甲基化母链指导下可使半甲基化的DNA甲基化。例如: DNA复制之后新链的甲基化。,从头合成(d
9、e novo synthesis)甲基转移酶:催化未甲基化的CpG成为mCpG,不需要母链指导,但速度很慢。,日常型甲基转移酶引起的半甲基化DNA的甲基化,3、甲基化抑制基因转录的机制,DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变,使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 直接影响了转录因子与启动子区DNA的结合效率。,DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合,从而降低转录活性。,甲基化的CpG可以通过与甲基化CpG结合蛋白1(Methyl CpG-binding protein1, MeCP1)的结合间接影响转录因子与DNA的结合。,甲基化对基因转录的影响,4、DNA甲基化程度与转录启动子的关系,对
10、弱启动子来说,少量甲基化就能使其完全失去转录活性。当这类启动子被增强时,即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。甲基化密度较高时,即使增强后的启动子仍无转录活性。 甲基化对转录的抑制强度与甲基化CpG结合蛋白因子MeCP1结合DNA的能力成正相关,甲基化的密度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性。,甲基化对基因转录影响模式图,5、DNA甲基化对基因表达的其他影响,DNA甲基化通过对基因转录的抑制,可直接参与细胞分化和个体发育。随着细胞的分化和个体发育,当需要某些基因保持“沉默”时,它们将迅速被甲基化,若需要恢复转录活性,则去甲基化。,DNA 去甲基化有两种方式:,被动途径: 一种核
11、因子可以粘附于上DNA, 使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化, 从而阻断甲基化酶的作用。,主动途径: 是由去甲基酶的作用, 将DNA的甲基基团移去。,五、染色质结构与基因表达调控,1、染色质结构对基因转录的影响,在细胞分裂间期的染色质的形态不均匀,根据其形态及染色特点可分为2类:,常染色质:呈疏松的环状,电镜下表现为浅染; 异染色质:呈现凝缩状态,电镜下表现为深染。,转录发生时,染色质需要在特定的区域解旋或松弛,导致基因暴露,转录因子与启动子区DNA结合,起始基因转录。 因此,染色质呈疏松或紧密结构,即是否处于“活化状态”是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。,2、组蛋白和核小体对基
12、因转录的影响,组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录,去除组蛋白基因又能够恢复转录;,核小体结构影响基因转录,转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。,第三节 转录水平的基因表达调控,( Transcriptional Regulation ),真核基因表达调控主要也是在转录水平上进行的,受大量特定的顺式作用元件(cis-acting element)和反式作用因子(trans-acting factor)的调控。 真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。,引 言,一、真核生物的顺式作用元件,定义:指对基因表达有调节活性
13、的DNA序列,其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。,例如: 启动子、增强子、沉默子等,1、启动子,定义:在DNA分子中,RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。,核心启动子和上游启动子元件( 类),2、增强子(Enhancer),定义:指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。,作为基因表达的重要调节元件,增强子通常具有下列性质:, 增强效应十分明显,一般能使基因转录频率增加10-200倍;, 增强效应与其位置和取向无关。不论增强子以什么方向排列(53或35),甚至和靶基因相距3 kb,或在靶基因下游,均表现出增强效应;, 大多为重复序列,一般长约50 bp,其内
14、部常含有一个核心序列:(G)TGGA/TA/TA/T(G),该序列是产生增强效应时所必需的;, 增强效应有严密的组织和细胞特异性,说明增强子只有与特定的蛋白质(转录因子)相互作用才能发挥其功能;, 没有基因专一性,可以在不同的基因组合上表现增强效应;, 许多增强子还受外部信号的调控, 如:金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子,就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。,增强子的作用原理是什么呢?,增强子可能有如下3种作用机制:, 影响模板附近的DNA双螺旋结构,导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下,以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接,活化基因转录;, 将模板固定在细
15、胞核内特定位置,如连接在核基质上,有利于DNA拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力,促进RNA聚合酶在DNA链上的结合和滑动;, 增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶进入染色质结构的“入口”。,3、沉默子(Silencer),为负性调节元件,当其结合特异蛋白因子时,对基因转录起阻遏作用。最早在酵母中发现,可不受序列方向的影响,也能远距离发挥作用。,4、 应答元件(Response Element),能与某个(类)专一蛋白因子结合,从而控制基因特异表达的DNA上游序列称为应答元件(Response Element)。,含有短的共有序列;在不同基因中,拷贝相似,有时有多个拷贝;与转录起点距离
16、不固定,一般位于上游元件或增强子内;,热激应答元件(heatshock response element,HSE) 糖皮质应答元件(glucocorticoid response element,GRE) 金属应答元件(metal response element,MRE),常见的应答元件有:,二、真核生物的反式作用因子,反式作用因子是参与转录调控的蛋白因子,能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元件上,与顺式作用元件一起对转录起调控作用。通过蛋白质-DNA,蛋白质-蛋白质相互作用是其发挥功能的基础。,1、反式作用因子的分类,(1)通用反式作用因子:在一般细胞中普遍存在,主要识别启动子的核心
17、成分。如识别TATA框的TBP;识别GC框的SP1;识别八聚体核苷酸的Oct-1等;,(2)特异反式作用因子:存在于特殊组织与细胞中的反式作用因子。如:淋巴细胞中的Oct-2;,(3)诱导型因子:与应答元件相结合的反式作用因子。 如:与激素应答元件GRE结合的糖皮质激素;与热激应答元件特异性结合的热激因子(HSF)等。,2、反式作用因子中的功能结构域,3个主要的功能结构域:,(1)DNA识别结合域(DNA-binding domain),与顺式作用元件结合的结构区域,主要起与DNA结合的作用。,(2)转录活化结构域(transcriptional activation domain),与其他蛋
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第七章 真核生物基因的表达调控 第七 生物 基因 表达 调控
链接地址:https://www.31doc.com/p-3026310.html