研究生分生-基因调控

第一讲基因表达与基因表达调控吕社民,Ph.D西安交通大学医学院遗传学与分子生物学系Tel:82657764Email:[e-mail]3DNAreplication第一节基因表达的过程和特点第二节环境对基因表达的影响第三节原核生物基因表达的调控第四节真核生物基因表达的调控第五节基因表达调控异常与疾病基因表达（geneexpression）是指基因所贮存的遗传信息通过转录（transcription）和翻译（translation）产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程第一节基因表达的过程和特点一、基因的转录—RNA的合成二、蛋白质的生物合成—翻译复制和转录的区别模板原料酶产物配对两股链均复制模板链转录dNTPNTPDNA聚合酶RNA聚合酶子代双链DNAmRNA,tRNA,rRNAA-T,G-CA-U,T-A,G-C复制转录复制和转录的比较多核苷酸链的合成方向都是5’—3’在3’-OH末端与加入的核苷酸形成磷酸二酯键不同点类似点对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制转录是不对称的转录时不需要引物RNA链的合成是连续的●定义转录是以DNA为模板合成RNA的过程mRNA、tRNA、rRNA、小分子RNA●转录产物一、基因的转录1.转录的体系●原核细胞全酶（holoenzyme）α2ββ'σ●真核细胞RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III模板DNA原料ATP、CTP、GTP、UTPRNA聚合酶（一）基因转录的基本方式结构基因模板链，反意义链，Waston链编码链，有意义链，Crick链5’3’3’5’RNA合成中的DNA模板Transcription5’GATCTGACTGACATAGACATAGAT3’coding(=non-template)strand3’CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5’templatestrand5’GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3’mRNAE.coliRNA聚合酶全酶(holoenzyme)的结构β’βαασ决定被转录的基因识别转录起始点结合DNA模板与转录全过程有关β’βαα核心酶RNA-polI核仁45S-rRNA不敏感RNA-polII核质hnRNA低浓度敏感RNA-polIII核质5S-rRNA,tRNA,snRNA高浓度敏感MtRNA-pol线粒体线粒体RNAs不敏感真核生物的RNA聚合酶种类细胞内定位转录产物对抑制剂鹅膏蕈碱反应(二)转录的过程1.起始●原核细胞RNA聚合酶与启动子相互作用●真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子与顺式元件相互作用——拼板理论DNA原核生物启动子5’3’3’5’TTGACATATAAT10bp15bpStartoftranscriptionPribnowboxRNApolymerase-35区-10区+1DNA5’3’3’5’真核生物启动子StartoftranscriptionTATA10bpTATAboxHognessboxCCAATGCGCCAATboxGCbox-70区-25区+1RNApolymerase2.延伸核心酶催化磷酸化的RNA聚合酶催化，核小体解聚●原核细胞●真核细胞3.终止●原核细胞●真核细胞结合富含C的RNA区段，发挥ATP酶及解螺旋酶活性转录终止的修饰点处切离并加尾依赖ρ因子不依赖ρ因子RNA3‘端形成茎环结构RNA-pol5’3´ρDNARNApolyCρ因子和RNA转录产物结合RNA聚合酶构象改变引起转录终止（三）转录后加工●原核细胞●真核细胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核细胞和真核细胞的差异2.真核生物mRNA的转录后加工●5'端加帽转录未终止时加入m7G5'ppp，与稳定mRNA及翻译起始有关5’pppG…5’pG…ppi5’GpppG…pppGpi甲基化酶mGpppG…磷酸酶CH3核酸酶poly(A)3’-OH引入100-200bpA真核基因3’端AATAA切除3’尾10—25碱基●3'端加尾加尾信号处切离,并加poly(A)，与稳定mRNA及翻译效率有关●剪接（splicing）由小分子细胞核内核蛋白颗粒（snRNP）去除核不均一RNA（hnRNA）中的内含子转录序列通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质选择性剪接●RNA编辑（RNAediting）RNA编辑是对mRNA前体的序列进行的改编，在mRNA前体分子的碱基序列中C被U取代，A被G取代，使成熟mRNA的序列与基因组DNA序列不同成熟mRNA＋蛋白质→细胞核→细胞质3.真核生物成熟mRNA的运输信使核糖核蛋白颗粒(mRNP)二、蛋白质的生物合成——翻译以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息的核苷酸顺序转换为氨基酸顺序的过程组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带和转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的编码信息合成具有特定序列的多肽链(一)翻译的体系(二)翻译的基本过程(三)肽链翻译后的加工修饰(四)蛋白质的分拣与转运(一)翻译的体系●模板mRNA●氨基酸运输tRNA●肽链合成场所核糖体（rRNA+蛋白质）●蛋白质因子起始、延长、终止因子●原料20种有遗传密码的氨基酸●模板mRNAmRNA是翻译的直接模板mRNA的寿命一般较短编码单个蛋白或多个蛋白mRNA具有方向性，从5‘端到3’端。对应肽链从氨基端到羧基端3个核苷酸构成1个密码子，指令氨基酸●连续性●简并性●通用性●摆动性●方向性密码子特点遗传密码表由氨基酰-tRNA合成酶催化与氨基酸的连接●氨基酸运输tRNATC环反密码子氨基酸臂额外环(可变的)DHU环具有绝对专一性和校正功能运输氨基酸●肽链合成场所核糖体（rRNA+蛋白质）●原核细胞●真核细胞30S:16SrRNA和21种蛋白质50S:5S、23SrRNA和34种蛋白质）40S:18SrRNA和33种蛋白质60S:5S、5.8S、28SrRNA和49种蛋白质70S80S●蛋白质因子名称原核细胞真核细胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余种)延长因子EFTu,EFTs,EFGEF1(α,β,γ),EF2释放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子●原料20种有遗传密码的氨基酸●原核细胞●真核细胞起始氨基酸为N-甲酰蛋氨酸（密码子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸为蛋氨酸（密码子AUG）氨基酸+ATP+tRNA氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化与转运氨基酰tRNA的表示方法ala-tRNAalamet-tRNAemetarg-tRNAargmet-tRNAimet真核细胞起始用蛋氨酰tRNA真核细胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAimet原核细胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA1.一种氨基酸可由2-6种tRNA特异地运载2.tRNA的总数（40-50）大于氨基酸的数目3.氨基酰tRNA合成酶具有高度特异性（副密码子）4.氨基酰tRNA合成酶具有校读活性5.真核生物携带蛋氨酸的tRNA有两种，分别为tRNAimet和tRNAemet6.原核生物AUG只能辨认甲酰化的蛋氨酸氨基酸的活化与转运特点（二）翻译的基本过程1.起始形成翻译起始复合物2.延长指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位3.终止●原核细胞RF1,RF2识别终止密码，RF3激活转肽酶释放肽链●真核细胞eRF同时具有上述功能大小亚基的拆分mRNA与小亚基结合fmet-tRNA的结合核糖体大亚基结合翻译起始复合物形成过程1.起始30S·mRNA·fMet·tRNAfmet·GTP·IF2IF3·IF1+mRNA70S核糖体+IF3+IF130S小亚基·IF3·IF1+50S大亚基fMettRNAfmet+GTP+IF2fMet·tRNAfmet·IF2·GTP+50SIF2IF1IF3·GDP70S·mRNA·fMet·tRNAfmet70S起始复合物的形成1.特异的起始tRNA2.mRNA有5’端帽子结构和3’尾巴。2种帽子结合蛋白（CBP）参与mRNA与核蛋白体小亚基结合3.起始阶段,eIF2与met-tRNA及GTP结合形成复合物，eIF2是翻译所必须的因子真核生物翻译起始40S·Met·tRNAimet·GTP80S核蛋白体+eIF340S小亚基·eIF3+60S大亚基Met·tRNAimet+GTP+eIF2Met·tRNAfmet·eIF2·GTP80S·Met·tRNAfmet·mRNA80S起始复合物40S·mRNA·Met·tRNAimet·GTPeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF4D80S起始复合物的形成2.延长进位、成肽和转位三个阶段核糖体循环P位：给位或肽位DonorsiteorPeptidylsiteA位：受位或氨基酰位AcceptorsiteorAminoacylsite进位成肽转位核糖体小亚基PAmRNAAUGUUAGGUCCCAACAGCAUCUAC核糖体大亚基tRNAAAUtRNA蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCUACAAG蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCAAG亮蛋3.终止释放因子（RF）辨认终止密码RF3激活转肽酶，催化P位上的肽与tRNA解离在释放因子（RR）的作用下，tRNA，mRNA和RF从核糖体上解离，在IF的作用下核糖体自身分解为大小亚基。（三）肽链翻译后的加工修饰1.一级结构修饰●去掉N-甲酰基、N-蛋氨酸或N端序列●个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、形成-S-S-等）●多蛋白（polyprotein）的水解修饰2.空间结构修饰●折叠成天然构象分子伴侣（molecularchaperon）帮助新生多肽链折叠成高级结构的一类蛋白质●亚基聚合●辅基的结合（如糖基化等）(四)蛋白质的分拣与转运1.分拣（sorting）分拣信号蛋白质的一级结构或高级结构中存在被分配到目的地的信息●细胞核：核定位信号（富含碱性氨基酸）●各种细胞器：细胞器定位信号●分泌至细胞外：信号肽（signalpeptide）碱性氨基酸＋疏水氨基酸＋剪切位点●翻译转运同步（如多数分泌性蛋白）●翻译后转运（如核DNA编码的线粒体蛋白）2.转运靶向运输分泌至胞外留在胞浆内进入核内或其他细胞器穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质为分泌性蛋白蛋白质合成的调节四环素类，抑制原核氨基酰tRNA与核糖体结合氯霉素类，阻断延长，原核链霉素类，改变构象，原核嘌呤霉素，竞争抑制酪氨酰tRNA,原核真核放线菌酮，抑制转肽酶，真核抑制蛋白质合成的生物活性物质1.白喉毒素(DT)：对EF2进行修饰而失活2.干扰素(IF)：α-IF,β-IF,γ-IF诱导并激活一种蛋白激酶，使eIF2磷酸化而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，还可诱导产生一种RNA内切酶，破坏病毒RNA第二节环境对基因表达的影响一、外环境因素对基因表达的影响二、基因表达时空调控三、基因表达调控的基本原理一、外环境因素对基因表达的影响●原核生物基因表达●环境压力形成了特殊的表达方式●该表达方式对环境有高度适应性应变能力大肠杆菌可以利用许多糖作为碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等但大肠杆菌优先利用葡萄糖。当环境中的葡萄糖缺乏时，开始利用乳糖或其它糖。1960年，法国科学家Jacob-Monod提出操纵元模型——乳糖操纵元（LactoseOperon)●乳糖操纵子●组成结构基因（z、y、a）调控元件（启动子，操纵基因）●调控方式葡萄糖充足时，阻遏物与操纵基因结合,阻碍RNA聚合酶对下游三个结构基因的转录。葡萄糖不足时，利用乳糖去阻遏物,允许RNA聚合酶对下游三个结构基因的转录。大肠杆菌乳糖操纵子(lacoperon)的调节●真核生物基因表达●外环境比原核生物优越●主要受内环境变化的影响(有些细胞的基因表达也会受到环境变化的影响)二、基因表达的时空调控●调控对象可调节