基因表达调控.ppt

1961年，法国科学家年，法国科学家F.Jacob和和J.Monod通通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制，提出了过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制，提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表达调控著名的操纵子学说，从而开创了基因表达调控研究的新纪元。研究的新纪元。对基因表达调控的研究是目前分子生物学对基因表达调控的研究是目前分子生物学领域最重要的研究内容之一。领域最重要的研究内容之一。(Regulation of Gene Expression)第十四章基因表达调控第一节基因表达调控的概念和原理(Concept and principle：Regulation of Gene Expression)一、基因表达调控的概念一、基因表达调控的概念 (一一)基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)是指基因经过是指基因经过是指基因经过是指基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。质分子的过程。质分子的过程。质分子的过程。(二二)基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性1.时间特异性时间特异性某一特定基因的表达严格按特定的时间顺某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性。2.空间特异性空间特异性某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出现，出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。空空间间特特异异性性是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的，故又称的，故又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。二、原核生物基因表达调控二、原核生物基因表达调控(一一)参与原核生物基因表达调控的蛋白因子参与原核生物基因表达调控的蛋白因子1.RNA聚合酶聚合酶RNA聚合聚合酶与与DNA的的亲和力和力，影响影响转录。2.因子因子4.激活蛋白激活蛋白3.阻遏蛋白阻遏蛋白主要参与主要参与RNA聚合聚合酶对启启动序列的序列的识别。能能够与特异操与特异操纵序列序列结合，阻断基因表达。合，阻断基因表达。增增强RNA聚合聚合酶与启与启动序列的序列的结合能力。合能力。1.操纵子的结构与功能操纵子的结构与功能一个操纵子一个操纵子一个操纵子一个操纵子=调节序列调节序列调节序列调节序列+启动序列启动序列启动序列启动序列+操纵序列操纵序列操纵序列操纵序列+编码序列编码序列编码序列编码序列调节序列调节序列调节序列调节序列(inhibitor,I):编码编码一种阻遏蛋白一种阻遏蛋白(repressor)。启动序列启动序列启动序列启动序列(promoter,P):结合结合RNA聚合酶，聚合酶，启动转录。启动转录。操纵序列操纵序列操纵序列操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。阻遏蛋白的结合位点。编码序列编码序列编码序列编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，编码功能性蛋白，26个。个。(二二)原核生物原核生物基因转录调控模式基因转录调控模式 操纵子机制操纵子机制 操纵子操纵子操纵子操纵子(operon)(operon)是原核生物中几个功能相关的是原核生物中几个功能相关的是原核生物中几个功能相关的是原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位。同单位。同单位。同单位。操纵子的本质是操纵子的本质是操纵子的本质是操纵子的本质是DNADNA序列。序列。序列。序列。2.乳糖操纵子的结构及其调节机制乳糖操纵子的结构及其调节机制控制区控制区CAP结合位点合位点启启动序列序列操操纵序列序列编码基因基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 信息区信息区调控控序列序列代谢产物基因激活蛋白代谢产物基因激活蛋白(catabolite gene activator protien,CAP)ZOPDNAIYAC(1)阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏基因阻遏基因ZOPDNAIYACpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶ZOPDNAIYACpol(2)CAP的正性调节的正性调节ZOPDNAIYACCAPcAMP+转录转录CAPCAPCAPCAP无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时CAPCAPCAPCAPRNA-pol(3)阻遏蛋白与阻遏蛋白与CAP的协调调节的协调调节低半乳糖时低半乳糖时(有阻遏蛋白有阻遏蛋白)高半乳糖时高半乳糖时(无阻遏蛋白无阻遏蛋白)葡萄糖浓度低葡萄糖浓度低cAMP 浓度高浓度高(有有CAP)葡萄糖浓度高葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低浓度低(无无CAP)OOOOmRNA(一一)顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列三、真核基因基因表达的调节1.启动子启动子 真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录转录起始点起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。高等真核生物高等真核生物CAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒RNA起始点起始点酵母酵母上游激活序列上游激活序列(UAS)TATA盒盒RNA起始点起始点2.增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的的DNA序列。序列。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。用。BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点B：增增强子或沉默子子或沉默子A：启：启动子子(二二)反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)1.基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶结合合启启动子子所所必必需需的的一一组蛋蛋白白 因因 子子，决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的的类别。2.特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个个别基基因因转录所所必必需需，决决定定该基基因因的的时间、空、空间特异性表达。特异性表达。转录激活因子激活因子转录抑制因子抑制因子分分为影响基因表达的蛋白因子影响基因表达的蛋白因子(三三)反式作用因子的反式作用因子的结构结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域(二聚化二聚化结构域构域)谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域1.同源结构域同源结构域3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链2.锌指锌指CCHHZnCysHisCH其他氨基酸其他氨基酸pol(四四)真核生物基因表达调控模式真核生物基因表达调控模式TBP2.真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成的转在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物。录起始复合物。DNA 1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平等均受调控。等均受调控。TFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTATAEBP第二节癌基因与抑癌基因(Oncogenes and,Anti-oncogenes)癌基因癌基因抑癌基因抑癌基因细胞细胞细胞细胞表达蛋白表达蛋白正正调控控负调控控一、癌基因一、癌基因控制细胞生长和分化的基因，它的结构或表控制细胞生长和分化的基因，它的结构或表达异常，可引起细胞癌变。达异常，可引起细胞癌变。分为分为细胞癌基因细胞癌基因和和病毒癌基因病毒癌基因。1.病毒癌基因是病毒癌基因是存在于病毒基因组中的癌基因，它存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。但可以使细胞持续增殖。(一一)病毒癌基因病毒癌基因(virus oncogene,v-onc)产产生病毒生病毒生病毒生病毒核心蛋白核心蛋白核心蛋白核心蛋白产产生逆生逆生逆生逆转录转录酶酶和整合和整合和整合和整合酶酶 产产生病毒生病毒生病毒生病毒 外膜蛋白外膜蛋白外膜蛋白外膜蛋白产产生生生生酪氨酸酪氨酸激激酶 调节调节和和和和启启启启动转录动转录LTR gag pol env srcLTR 长长末端末端末端末端重复序列重复序列重复序列重复序列癌基因癌基因正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因2.病毒基因组结构病毒基因组结构(二)细胞癌基因(cellular-oncogene,c-onc)1.细胞癌基因是存在于生物正常细胞基因组中的癌细胞癌基因是存在于生物正常细胞基因组中的癌基因，或称原癌基因基因，或称原癌基因(proto-oncogenes,pro-onc)。2.细胞癌基因的特点细胞癌基因的特点 (1)广泛存在于生物界中；广泛存在于生物界中；(2)基因序列高度保守；基因序列高度保守；(3)作用通过其产物蛋白质来体现；作用通过其产物蛋白质来体现；(4)被激活后，形成癌性的细胞转化基因。被激活后，形成癌性的细胞转化基因。(三三)癌基因的分类与功能癌基因的分类与功能根据表达产物在细胞中的定位和功能分为：根据表达产物在细胞中的定位和功能分为：1.蛋白激酶类蛋白激酶类2.信息传递蛋白类信息传递蛋白类3.生长因子类生长因子类4.核内转录因子类核内转录因子类跨膜生长因子受体跨膜生长因子受体膜结合的酪氨酸蛋白激酶膜结合的酪氨酸蛋白激酶可溶性酪氨酸蛋白激酶可溶性酪氨酸蛋白激酶胞浆丝氨酸胞浆丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶苏氨酸蛋白激酶非蛋白激酶受体非蛋白激酶受体二、抑癌基因二、抑癌基因(一一)什么是抑癌基因？什么是抑癌基因？抑癌基因又称肿瘤抑制基因抑癌基因又称肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)或抗癌基因或抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细胞，是指存在于正常细胞内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的基内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的基因。因。P53 17p 多种肿瘤多种肿瘤 编码编码P53蛋白蛋白(转录因子转录因子)P16 9P21 黑色素瘤黑色素瘤 编码编码P16蛋白蛋白(二)常见的抑癌基因NF1 7q12.2 神经纤维瘤神经纤维瘤 GTP 酶激活剂酶激活剂 名称染色体定位名称染色体定位 相关肿瘤相关肿瘤 作用作用 Rb 13q14 视网膜母细胞瘤、肺癌视网膜母细胞瘤、肺癌 编码编码P105Rb1蛋白蛋白(转录因子转录因子)APC 5q21结肠癌结肠癌 可能编码可能编码G蛋白蛋白DCC 18q21 结肠癌结肠癌 编码表面糖蛋白编码表面糖蛋白(细胞粘着分子细胞粘着分子)NF2 22q 神经鞘膜瘤、脑膜瘤神经鞘膜瘤、脑膜瘤 连接膜与细胞骨架连接膜与细胞骨架 VHL 3p 小细胞肺癌、宫颈癌小细胞肺癌、宫颈癌 转录调节蛋白转录调节蛋白 WT1 11P13 肾母细胞瘤肾母细胞瘤 编码锌指蛋白（转录因子）编码锌指蛋白（转录因子）三、癌基因和抑癌基因与肿瘤的发生三、癌基因和抑癌基因与肿瘤的发生1.点突变点突变2.启动子插入启动子插入3.增强子插入增强子插入4.甲基化程度降低甲基化程度降低5.原癌基因的扩散拷贝数增加原癌基因的扩散拷贝数增加6.基因易位或重排基因易位或重排(一)癌基因恶性活化的机制(二二)癌基因激活与肿瘤的发生癌基因激活与肿瘤的发生1.ras基因基因 结肠癌结肠癌2.myc基因基因 Burkitts淋巴瘤淋巴瘤3.bcl-2基因基因 淋巴瘤淋巴瘤 肿瘤的发生是一个极其复杂的细胞恶变过程：肿瘤的发生是一个极其复杂的细胞恶变过程：激活的癌基因可能是细胞恶性转化的内在因激活的癌基因可能是细胞恶性转化的内在因素。素。激活癌基因的协同作用是使细胞恶性转激活癌基因的协同作用是使细胞恶性转化的关键。化的关键。原癌基因的激活可能是部分或所原癌基因的激活可能是部分或所有致癌因素导致肿瘤的共同途径。有致癌因素导致肿瘤的共同途径。1.视网膜母细胞瘤基因（视网膜母细胞瘤基因（Rb基因）基因）G0 G1期期Rb蛋白蛋白E-2FS期期E-2FDNAmRNADNA(三)抑癌基因失活与肿瘤的发生P PRb蛋白蛋白2.P53基因基因P53蛋白蛋白解链酶解链酶复制因子复制因子AP21蛋白蛋白细胞停滞于细胞停滞于G G1 1期期细胞自杀细胞自杀酸性区核心区碱性区P53蛋白蛋白 DNA损伤损伤P21基因基因P53蛋白蛋白抑抑 制制P53蛋白蛋白成功修复成功修复修复失败修复失败(1)结构结构(2)作用机制作用机制