医学课件基因结构与基因表达调控.ppt

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1、第第 一一 节节基因与人类基因组计划基因与人类基因组计划Basic Conceptions and Principle（一）（一）原核生物原核生物基因结构特点基因结构特点 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)（二）（二）真核生物真核生物基因结构特点基因结构特点BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等

2、，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子子的的结合位点。结合位点。（三）基因表达的方式（三）基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1 1 组成性表达组成性表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)。无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达

3、达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成性性基基因因表表达达(constitutive gene expression)。2 2 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达在在在在特特特特定定定定环环环环境境境境信信信信号号号号刺刺刺刺激激激激下下下下，相相相相应应应应的的的的基基基基因因因因被被被被激激激激活活活活，基基基基因因因因表表表表达达达达产产产产物物物物增增增增加加加加，这这这这种种种种基基基基因因因因称称称称为为为为可可可可诱诱诱诱导导导导基因基因基因基因。可可可可诱诱诱诱导导导导基基基基因因因因在在在在特特特特定定定定环环环环境境境

4、境中中中中表表表表达达达达增增增增强强强强的的的的过过过过程程程程，称为称为称为称为诱导诱导诱导诱导(induction)(induction)。如如如如果果果果基基基基因因因因对对对对环环环环境境境境信信信信号号号号应应应应答答答答是是是是被被被被抑抑抑抑制制制制，这这这这种种种种基基基基因因因因是是是是可可可可阻阻阻阻遏遏遏遏基基基基因因因因。可可可可阻阻阻阻遏遏遏遏基基基基因因因因表表表表达达达达产产产产物物物物水水水水平平平平降低的过程称为降低的过程称为降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏阻遏阻遏(repression)(repression)。在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能

5、能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共 同同 表表 达达，即即 为为 协协 调调 表表 达达(coordinate expression)，这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 调调 调调 节节(coordinate regulation)。基因组基因组(genome)泛泛指指一一个个有有生生命命体体、病病毒毒或或细细胞胞器器的的全全部部遗遗传传物物质质；在在真真核核生生物物，基基因因组组是是指指一一套套染染色色体（单倍体）体（单倍体）DNA。二、二、基因组基因组基因组学基因组学(genomics)就是发展和应用就是发展

6、和应用DNA制图、测序新技术以制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。因组结构及功能。基因组学包括基因组学包括3个不同的亚领域个不同的亚领域结构基因组学结构基因组学(structural genomics)功能基因组学功能基因组学(functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)基因组学概念基因组学概念（一）人类基因组分析的主要内容（一）人类基因组分析的主要内容结构基因组学结构基因组学结结构构基基因因组组学学(structural genomics)是是通通

7、过过HGP的实施来完成的。的实施来完成的。HGP的的内内容容就就是是制制作作高高分分辨辨率率的的人人类类遗遗传传图图和和物物理理图图，最最终终完完成成人人类类和和其其它它重重要要模模式式生生物物全全部部基基因因组组DNA序序列列测测定定，因因此此HGP属属于于结结构基因组学范畴。构基因组学范畴。（一）物理制图（一）物理制图（二）遗传制图（二）遗传制图（三）基因组（三）基因组DNA序列测定序列测定（四）创建计算机分析管理系统（四）创建计算机分析管理系统 HGP包括以下研究内容包括以下研究内容HGP主要任务及内容主要任务及内容通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成了结构获得的广泛基因组信息组

8、成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供传病提供“平台平台”，并将成为复杂的多基因遗，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。传病研究的发端。功能基因组学功能基因组学完成一个生物体全部基因组测序后即进入完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段后基因组测序阶段详尽分析序列，描详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组的表达及其调控模式，这就是功能基因组学（学（functi

9、onal genomics）。）。1 鉴定鉴定DNA序列中的基因序列中的基因 2 同源搜索设计基因功能同源搜索设计基因功能 3 实验性设计基因功能实验性设计基因功能 4 描述基因表达模式描述基因表达模式 主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 功能基因组学研究策略及主要内容功能基因组学研究策略及主要内容比较基因组学比较基因组学比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)涉及涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。个基因组的功能和进化关系。（二）基因组学与医学关系（二）基因组学与医学关系The

10、 Relation between Genomics and Medicine基因病的概念基因病的概念以基因组学为基础，从疾病和健康的角以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有相关，故有“基因病基因病”概念产生。根据这一概念产生。根据这一概念，人类疾病大致分为三类：概念，人类疾病大致分为三类：（一）单基因病（一）单基因病 （二）多基因病（二）多基因病 （三）获得性基因病（三）获得性基因病 疾病相关基因的鉴定疾病相关基因的鉴定1 1 检测人类基因变异或突变检测人类基因变异或突变 2 2 疾病时基因组差异表达分析疾病时

11、基因组差异表达分析 3 3 染色体制图定位及疾病相关基因克隆染色体制图定位及疾病相关基因克隆 第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点 1 因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 2 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 3 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控

12、区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因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ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol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+转录转录无葡萄糖，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（三三）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPC

13、APCAPCAP（四四）协调调节协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。Trp Trp 高时高时 T

14、rp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 二、二、色氨酸操纵子色氨酸操纵子转录调节机制转录调节机制色氨酸操纵子色氨酸操纵子UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列

15、序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被

16、转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 第第 三三 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1.启动子启动子真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转转录录起起始始点点以以及及一一个个以以上上的的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒2.增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录起起始始点点、决决

17、定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列。列。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异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用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（二）反式作用因子二）反式作用因子 1.转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）*基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白 因因 子子，决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、

18、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。*特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子2.转录调节因子结构转录调节因子结构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（二聚化结构域）（二聚化结构域）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最常见的最常见的DNA结合域结合域 1.锌指锌指(zinc finger)C CysH

19、His常结合常结合GC盒盒ZnCysHis 2.-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒（三（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物的转录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调节方式；调节方式；*多多种种转转录录因因子子又又可可结结合合相相同同或或不不同同的的DNA元元件。件。*转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产产生生的的效效果果各各异异，有有正正性性调调节节或或负负性性调调节之分。节之分。