《真核基因表达调控》PPT课件.ppt

Chapter 10真 核 生 物 基 因 表 达 的 调 控 第 一 节 概 述一 、 真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 的 特 点 1、 多 层 次 2、 无 操 纵 子 和 衰 减 子 3、 个 体 发 育 复 杂 4、 受 环 境 影 响 较 小 二 、 基 因 表 达 的 时 间 性 及 空 间 性 1 时 间 特 异 性 按 功 能 需 要 ， 某 一 特 定 基 因 的 表 达 严 格 按 特 定 的 时 间顺 序 发 生 ， 这 是 基 因 表 达 的 时 间 特 异 性 。 多 细 胞 生 物基 因 表 达 的 时 间 特 异 性 又 称 阶 段 特 异 性 。 2 空 间 特 异 性 在 个 体 生 长 全 过 程 ， 某 种 基 因 产 物 在 个 体 按 不 同 组 织空 间 顺 序 出 现 ， 这 就 是 基 因 表 达 的 空 间 特 异 性 。 又 称细 胞 特 异 性 或 组 织 特 异 性 。 三 、 真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 的 层 次 ：1、 DNA水 平 调 节2、 转 录 水 平 调 节3、 转 录 后 水 平 的 调 节4、 翻 译 水 平 调 节5、 翻 译 后 加 工 的 调 节 DNA转 录 初 产 物RNAmRNA蛋 白 质 前 体 mRNA降 解 物 活 性 蛋 白 质 DNA水 平 调 节转 录 水 平 调 节转 录 后 水平 的 调 节翻 译 调 节 mRNA降 解的 调 节 翻 译 后 加工 的 调 节核细 胞 质 第 二 节 DNA水 平 的 基 因 表 达 调 控一 、 基 因 扩 增 (gene amplification) 是 指 某 些 基 因 的 拷 贝 数 专 一 性 大 量 增 加 的 现 象 ， 它使 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 表 达 调 控 的 一 种 方 式非 洲 爪 蟾 的 卵 母 细 胞rDNA的 拷 贝 数 目 ：500份 2 10 6份 ， 可 装 配 1012个 核 糖 体当 胚 胎 期 开 始 ， 增 加 的 rDNA便 失 去 功 能 并 逐 渐 消 失 二 、 基 因 丢 失 有 的 生 物 在 个 体 发 育 的 早 期 在 体 细 胞 中 要 丢失 部 分 染 色 体 ， 而 在 生 殖 细 胞 中 保 持 全 部 的基 因 组 。小 麦 瘿 蚊 （ 染 色 丢 失 了 32条 ， 只 保 留 8条 ） 马 蛔 虫 三 、 基 因 重 排 (gene rearrangement) 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 的 基 因 表 达 调 控 方 式 基 因 重 排 与 免 疫 球 蛋 白 多 样 性抗 体 结 构 ： 四 聚 体 , 重 链 和 轻 链 ； 可 变 区 和 恒 定 区链 家 族 V基 因 数 C 基 因 数 人 鼠 人 鼠链 300 2 6 4链 300 1000 1 1 重 链 (H) 300 1000 9 8 VV C C 重 链 轻 链基 因 组 成 要 点 ：1、 免 疫 球 蛋 白 的 肽 链 主 要 由 可 变 区 （ V区 ） 、 恒 定 区（ C区 ） 以 及 两 者 之 间 的 连 接 区 （ J区 ） 组 成 ， V、 C和J基 因 片 段 在 胚 胎 细 胞 中 相 隔 较 远 。2、 在 浆 细 胞 成 熟 过 程 中 ， 通 过 染 色 体 内 DNA重 组 把 几 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 免 疫 球 蛋 白 的 基 因3、 编 码 V区 的 基 因 很 多 ， 而 只 有 少 数 几 个 基 因 编 码 C区 ；多 个 V区 基 因 中 的 一 个 和 C基 因 组 合 ， 产 生 一 条 DNA4、 V区 和 C区 不 同 片 段 在 DNA水 平 上 的 各 种 排 列 组 合 是形 成 Ig分 子 多 态 性 的 根 本 原 因 V “gene” C “gene” Leader Variable J segment ConstantGerm line淋 巴 细 胞mRNA链链 Germ line淋 巴 细 胞mRNA Leader Variable J segments Constant轻 链 基 因 的 重 排 重 链 基 因 的 重 排Germ line淋 巴 细 胞 Leader Variable Diversity J segment Constant 1-10 1-4 C H1 Hinge CH2 CH3 四 、 染 色 质 结 构 影 响 基 因 转 录常 染 色 质 （ euchromatin） -基 因 可 以 转 录 异 染 色 质 （ hetrochromatin） -基 因 不 能 转 录 活 性 基 因 置 于 异 染 色 质 内 会 失 活位 置 效 应 （ Position effect） ： 指 基 因 转 移 到 基 因组 上 新 位 置 而 引 起 基 因 表 达 的 改 变 异 染 色 质 化 ： 基 因 组 某 些 区 域 被 组 装 成 高 度 压缩 的 异 染 色 质 的 过 程巴 氏 小 体 ： 哺 乳 类 雌 体 细 胞 1条 X染 色 体 异 染 色 质化 （ 雌 性 X染 色 体 基 因 表 达 的 蛋 白 质 可 能 是 雄性 的 两 倍 ）剂 量 补 偿 ： 女 性 两 条 X染 色 体 的 作 用 与 男 性 一 条X染 色 体 基 因 产 物 剂 量 平 衡 的 现 象 五 、 DNase 的 敏 感 性 和 基 因 表 达转 录 活 跃 区 域 对 核 酸 酶 的 敏 感 度 增 加 1、 DNase 超 敏 感 位 点 （ hypersensitive site） ： 具 有 转 录 活 性 的 基 因 周 围 的 DNA区 域 对DNase 降 解 高 度 敏 感 。 2、 特 点 ： （ 1） 一 般 在 转 录 起 始 点 附 近 ， 即 5启 动 子 区 域（ 2） 低 甲 基 化 区（ 3） 不 存 在 核 小 体 结 构（ 4） 裸 露 易 与 反 式 作 用 因 子 结 合 六 、 组 蛋 白 修 饰 与 基 因 表 达 调 控（ 一 ） 组 蛋 白 的 修 饰 ： 乙 酰 化 /去 乙 酰 化 （ Lys） 转 录 增 强 /抑 制 甲 基 化 （ Lys, His, Arg） 转 录 增 强 或 抑 制 磷 酸 化 （ Ser, His） 泛 素 化 ADP核 糖 基 化 哈 佛 大 学施 洋 -组 蛋 白 去甲 基 化 酶 （ 二 ） 组 蛋 白 乙 酰 化1、 两 种 酶（ 1） 组 蛋 白 乙 酰 转 移 酶 (Histone acetyltransferase)： 催 化 组 蛋 白 乙 酰 化 ， 将 乙 酰 基 转 移 到 组 蛋 白 N端赖 氨 酸 的 -氨 基 上 乙 酰 基 供 体 ： 乙 酰 辅 酶 A （ 2） 组 蛋 白 去 乙 酰 酶 (Histone deacetylase): 去 除 乙 酰 基 团 2、 组 蛋 白 乙 酰 化 与 基 因 表 达 调 控（ 1） 关 系 ： 组 蛋 白 的 高 乙 酰 化 是 活 跃 转 录 染 色 质 的 一 个 标志 ， 而 低 乙 酰 化 则 与 转 录 抑 制 有 关（ 2） 机 理 ： 乙 酰 基 转 移 到 组 蛋 白 N端 赖 氨 酸 的 -氨 基 上 ，中 和 了 其 正 电 荷 ， 增 加 了 疏 水 性 ， 削 弱 了DNA 与 组 蛋 白 的 相 互 作 用 ， 有 利 于 转 录 因 子与 DNA 的 结 合 ， 促 进 转 录 七 、 DNA 甲 基 化(一 ） 甲 基 化 酶 :1、 维 持 性 甲 基 化 酶 (日 常 型 甲 基 化 酶 )： 在 DNA复 制 时 , 可 识 别 新 合 成 的 半 甲 基 化 双 链 ,并 将 甲 基 加 到 新 链 的 非 甲 基 化 胞 嘧 啶 上 ;2、 从 头 合 成 型 甲 基 化 酶 ： 不 需 要 甲 基 化 的 DNA 模 板 作 指 导 ,可 以 直 接 使 非甲 基 化 的 DNA 甲 基 化 （ 二 ） 原 核 细 胞 的 DNA甲 基 化1、 限 制 修 饰 系 统 的 甲 基 化（ 1） 限 制 外 源 DNA： 限 制 性 内 切 酶 切 断 外 源 DNA（ 保 护 机 制 ）（ 2） 保 护 自 身 DNA： 通 过 内 切 酶 识 别 位 点 特 定 碱 基 的 甲 基 化 保 护自 身 DNA， 每 一 种 DNA内 切 酶 都 有 一 个 相 关的 甲 基 化 酶 2、 Dam甲 基 化（ 1） DNA腺 嘌 呤 甲 基 化 酶 ： 识 别 序 列 GATC（ 2） 作 用 ： a、 错 配 修 复 ： 识 别 母 链 ， 修 正 子 链 b、 转 录 调 节 ： 如 抑 制 转 座 酶 基 因 的 转 录 ， 抑 制 转 座3、 Dcm甲 基 化 （ 作 用 不 清 楚 ） （ 三 ） 真 核 细 胞 DNA 甲 基 化1、 甲 基 化 部 位 ： 胞 嘧 啶 （ C） 5-甲 基 胞 嘧 啶 （ 5-mC）（ 1） 脊 椎 动 物 ： 5-CG-3 （ 2） 植 物 （ 两 种 基 序 ） ： 5-CG-3， 5-CNG-3 （ 3） CpG岛 ：富 含 CpG的 一 段 DNA， 一 般 位 于 基 因 启 动 子 附 近特 点 ： a、 12kb； b、 位 于 基 因 5端 ； c、 富 含 CpG二 核 苷 酸 基 序 2、 甲 基 化 的 作 用 ：（ 1） 基 因 表 达 调 控 的 一 种 方 式（ 2） 抑 制 外 源 基 因 的 表 达（ 3） 抑 制 转 座 子 、 反 转 座 子 的 活 动 3、 DNA甲 基 化 与 基 因 表 达 调 控 基 因 表 达 与 甲 基 化 呈 负 相 关 DNA甲 基 化 转 录 抑 制 作 用 机 理（ 1） 识 别 位 点 中 胞 嘧 啶 被 甲 基 化 ， 转 录 因 子 不 能 与 其 结 合（ 2） 特 异 性 识 别 甲 基 化 DNA的 蛋 白 （ 如 MeCP1） 竞 争 性 地 抑 制 了 转 录 因 子 的 结 合（ 3） DNA甲 基 化 导 致 染 色 质 结 构 和 DNA构 象 的 改 变 4、 DNA甲 基 化 与 基 因 组 印 迹 （ 1） 基 因 组 印 迹 ： 来 源 于 父 母 本 的 一 对 等 位 基 因 表 达 不 同 （ 如 X染 色 体 失 活 ）（ 2） 基 因 组 印 迹 的 机 制 -DNA高 度 甲 基 化 5、 DNA甲 基 化 与 X染 色 体 的 失 活 X染 色 体 DNA序 列 高 度 甲 基 化 ， 基 因 被 关 闭（ 1） 与 X染 色 体 的 失 活 有 关 的 序 列 ： X染 色 体 失 活 中 心 （ Xic） Xist（ Xi-specific transcript） 基 因 转 录 产 物 ： RNA不 编 码 蛋 白 质（ 2） X染 色 体 的 失 活 的 机 制 ： Xist RNA分 子 与 Xic相 互 作 用 的 结 果（ 3） Xist基 因 的 调 控 ： DNA甲 基 化 与 去 甲 基 化 第 三 节 转 录 水 平 的 调 控顺 式 调 控 元 件 (cis-regulating element) 是 指 对 基 因 表 达 有 调 控 活 性 的 DNA序 列 ， 其 活 性 只 影 响 其 自 身 同 处 于 一 个 DNA分 子 上 的 基因 反 式 作 用 因 子 (trans-acting factor) 是 通 过 识 别 和 结 合 顺 式 调 控 元 件 的 核 心 序 列 而 调 控 靶 基 因 转 录 效 率 的 一 组 蛋 白 质 转 录 水 平 的 调 控 主 要 是 通 过 顺 式 调 控 元 件 与 反 式作 用 因 子 相 互 作 用 来 实 现 实 现 的 一 、 顺 式 调 控 元 件 (cis-regulating element)启 动 子 、 增 强 子 、 沉 寂 子 、 绝 缘 子 、 减 弱 子 、应 答 元 件（ 一 ） 启 动 子 (promoter） )1、 核 心 启 动 子 （ core promoter） ： TATA盒 起 始 子 (initiator， Inr)2、 上 游 启 动 子 （ upstream promoter element， UPE） -90bp ： GC盒 ； -70bp ： CAAT盒 （ 二 ） 增 强 子 (enhancer) 能 显 著 提 高 基 因 转 录 效 率 的 一 类 顺 式 调 控 元 件 1、 举 例 ： SV40 72bp repeats (paired)上 游 200bp 处 串 联 , 单 独 作 用 充 分 , 全 部 缺 失 减弱 转 录 2、 真 核 细 胞 的 增 强 子 作 用 特 点 ：（ 1） 能 提 高 同 一 条 链 上 的 靶 基 因 转 录 速 率 ；（ 2） 增 强 效 应 与 其 位 置 和 取 向 无 关（ 3） 大 多 为 重 复 序 列 ， 核 心 序 列 为 (G)TGGA/TA/TA/T(G)（ 4） 增 强 子 对 同 源 基 因 或 异 源 基 因 同 样 有 效 自 身（ 5） 增 强 子 一 般 具 有 组 织 或 细 胞 特 异 性 （ 6） 许 多 增 强 子 还 受 外 部 信 号 的 调 控 3、 增 强 子 作 用 机 理 -成 环 模 型 增 强 子 通 过 一 些 蛋 白 质 因 子 的 介 导 可 与 远 距 离 的 启 动子 结 合 ， 使 DNA形 成 了 一 个 环 ， 从 而 促 使 远 距 离 的 启动 子 的 转 录 （ 三 ） 上 游 激 活 序 列 （ upstream activating sequences， UASs）特 点1、 UASs是 酵 母 中 远 上 游 序 列 类 似 于 增 强 子 。2、 它 仅 影 响 转 录 效 率 ， 对 起 始 位 点 选 择 不 起 作 用 。3、 和 增 强 子 不 同 的 是 它 有 方 向 性 ， 不 能 在 启 动 子的 下 游 起 作 用 。4、 与 它 结 合 的 转 录 因 子 是 GCN4和 GAL4， 识 别 位点 为 ATGACTCAT。 （ 四 ） 绝 缘 子 (Insulator) 阻 止 激 活 或 失 活 效 应 的 元 件举 例 ：1、 当 绝 缘 子 位 于 增 强 子 和 启 动 子 间 时 ， 能 阻 止增 强 子 激 活 启 动 子 作 用 。2、 当 绝 缘 子 位 于 一 个 活 化 基 因 和 异 染 色 质 之 间时 ， 它 保 护 基 因 免 受 由 异 染 色 质 扩 展 造 成 的 失活 效 应 影 响 。 （ 五 ） 减 弱 子 （ dehancer） 在 某 些 基 因 的 上 游 远 端 或 下 游 远 端 具 有 负 调节 作 用 的 序 列特 点 ： 作 用 不 受 距 离 和 方 向 的 影 响 （ 六 ） 沉 寂 子 (silencer) ： 阻 遏 某 些 基 因 表 达 的 序 列 特 点 ：作 用 不 受 序 列 方 向 的 影 响 ， 也 能 远 距 离 发 挥 作 用 （ 七 ） 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 列如 HSE（ 热 休 克 反 应 元 件 ） ， GRE（ 糖 皮 质 激 素 反 应 元 件 ） ； MRE（ 金 属 反 应 元 件 ） ； 应 答 元 件 能 被 在 一 些 特 定 情 况 下 表 达 的 调 控 因子 识 别 应 答 元 件 (response elements)结 合 蛋 白 (protein binding)GRE BLE BLEMRE MRE MRE MRETRE GC TATASteroid-receptor AP2 AP2 AP1? ? ? SP1 TF IID +RNApolBLE basal level elementMRE metal response elementAP activator protein人 金 属 硫 蛋 白 基 因 启 动 区 结 构 应 答 元 件 的 特 点 ： 1. 具 有 与 启 动 子 、 增 强 子 同 样 的 一 般 特 性 . 2. 与 起 始 点 的 位 置 不 固 定 （ 多 在 -200以 内 ;单 个 功 能 充 分 ,但 多 为 多 拷 贝 ;可 位 于 启 动 子 /增 强 子 内 部 ） . 3. 多 基 因 由 同 一 因 子 调 控 （ 如 ： 热 激 效 应 ） 4. 同 一 基 因 由 多 种 途 径 调 控 （ 如 ： 金 属 硫 蛋 白 基 因 ） . 5. 各 效 应 元 件 不 论 位 置 如 何 都 有 独 立 的 活 化 功 能 . 二 、 反 式 作 用 因 子 (trans-acting factor) DNA结 合 结 构 域 (DNA binding domain) -用 来 结 合 DNA反 式 激 活 结 构 域 (Transactivation domain) -用 来 激 活 转 录 （ 一 ） 转 录 因 子 DNA结 合 域几 种 常 见 基 序 锌 指 (zinc finger) 螺 旋 -转 角 -螺 旋 (helix- turn- helix) 二 聚 体 结 构 域 ： 螺 旋 -环 -螺 旋 (helix- loop- helix， HLH ) 亮 氨 酸 拉 链 (Leucine zipper) 1、 锌 指 (zinc finger)C2H2型 ： 由 肽 链 的 保 守 序 列中 的 一 对 组 氨 酸 和 一 对 半胱 氨 酸 (His2 Cys2)与 锌离 子 形 成 一 个 四 面 体 结 构 有 两 条 链 和 一 个 螺 旋 ， 螺 旋 区 域 上 含 有 保 守 的碱 性 氨 基 酸 ， 负 责 与 DNA结 合如 TFIIIA、 与 GC盒 结 合 的SPl C2H2型 C4型 ： 2对 半 胱 氨 酸 (cys2 cys2)与 一 个 锌 离 子 形 成 配 位 键 ， 如 类 固 醇 激 素 受 体 家 族 2、 螺 旋 -转 角 -螺 旋 (helix- turn- helix)两 段 螺 旋 被 一 短 的 转 角 结 构 分 开多 种 果 蝇 胚 胎 发 生 的 调 节 蛋 白 ， 同 源 异 型 蛋 白 1 3 2 3、 亮 氨 酸 拉 链 (Leucine zipper)由 一 段 每 7个 氨 基 酸 残 基 就有 一 个 Leu的 伸 展 肽 链 组 成 ，这 些 周 期 性 出 现 的 Leu都 位于 -螺 旋 的 同 一 侧 面 ， 形成 一 个 疏 水 的 表 面 ， 因 此两 条 均 含 Leu拉 链 基 序 的 蛋白 质 通 过 亮 氨 酸 侧 链 的 疏水 作 用 形 成 二 聚 体 。 LL LL LL LL + + + + + + + + NH 2 NH2 COOH COOH肽 链 氨 基 端 富 含 碱 性氨 基 酸 残 基 区 ， 可 与DNA结 合 碱 性 结 构 域 富 含 碱 性 氨 基 酸 残 基 在 许 多 DNA结 合 蛋 白 质 中 发 现 通 常 与 其 他 的 二 聚 体 结 构 域 如 亮 氨 酸 拉 链 或 HLH基 序中 的 一 个 联 合 在 一 起 ， 结 果 被 称 为 碱 性 亮 氨 酸 拉 链（ bZIP） 或 碱 性 HLH（ bHLH） 蛋 白 。 蛋 白 质 二 聚 体 使 两 个 碱 性 结 构 域 相 邻 进 而 可 与 DNA发生 作 用 。 N-端 碱 性 结 构 域 形 成 一 个 对 称 结 构 ， 象 一 个 夹 子夹 在 DNA上 + + + + + +4、 螺 旋 -环 -螺 旋 (Helix-loop-Helix) HLH由 2个 螺 旋 间 隔 一 个非 螺 旋 的 环 (loop)组 成 ， 通过 C端 螺 旋 的 疏 水 作 用 形成 二 聚 体碱 性 结 构 域碱 性 HLH蛋 白 与 碱 性 亮 氨酸 拉 链 这 种 异 二 聚 体 的 形成 增 加 了 转 录 因 子 的 多 样性 和 复 杂 性 NH2 NH2COOHCOOH （ 二 ） 转 录 激 活 结 构 域 是 反 式 作 用 因 子 的 转 录 调 控 结 构 域 ， 一 般 由 DNA结 合结 构 域 外 的 30-100个 氨 基 酸 组 成 1 酸 性 结 构 域n 也 叫 做 “ 酸 斑 （ acid blobs） ” 或 “ 带 负 电 的 长 链 （ negative noodles） ”n 富 含 酸 性 氨 基 酸n 存 在 于 许 多 转 录 因 子 的 激 活 结 构 域 中 ， 如 ： yeast Gcn4 and Gal4, 哺 乳 动 物 的 糖 皮 质 激 素 受 体 的 两 个 激 活 结 构 域 2 富 含 谷 氨 酰 胺 激 活 结 构 域 ： 富 含 谷 氨 酰 胺 （ SP1， OCT 1， OCT 2， SRF等 ） 3 富 含 脯 氨 酸 激 活 结 构 域 富 含 脯 氨 酸 有 一 个 能 激 活 转 录 的 连 续 脯 氨 酸 残 基 链 （ AP 2、 Jun、 SRF 等 ） 4、 转 录 因 子 的 活 化 途 径 ：（ 1） 需 要 时 蛋 白 被 合 成 ， 但 很 快 被 降 解 ， 不 能 积 累 。（ 2） 通 过 与 配 体 结 合 被 活 化 。（ 3） 通 过 磷 酸 化 被 活 化 。（ 4） 结 合 DNA亚 基 的 加 入 ， 与 带 有 转 录 激 活 结 构 域 的 蛋白 质 形 成 复 合 物 。（ 5） 通 过 抑 制 因 子 的 磷 酸 化 ， 暴 露 隐 蔽 的 活 化 区 域 。（ 6） 通 过 去 除 一 个 抑 制 蛋 白 ， 刺 激 转 录 因 子 入 核 。 三 、 转 录 调 控 举 例1、 组 成 性 转 录 因 子 ： SP1 与 富 含 GC的 保 守 序 列 GGGCGG相 结 合 . 结 合 位 点 存 在 于 许 多 持 家 基 因 的 启 动 子 中 。 是 一 个 组 成 性 转 录 因 子 ， 存 在 于 所 有 的 细 胞 类 型 中 。 包 含 3个 锌 指 结 构 域 以 及 2个 富 含 谷 氨 酰 氨 转 录 激 活 结构 域 。 SP1的 富 含 谷 氨 酰 氨 结 构 域 与 TAF 110发 生 特 异 作 用 ， TAF 110是 TAF 中 的 一 种 ， 后 者 与 TATA结 合 蛋 白（ TBP） 相 结 合 组 成 TF D。 2. 激 素 调 控 :类 固 醇 激 素（ 如 糖 皮 质 激 素 ）n 脂 溶 性 的 ，n 能 够 穿 过 细 胞 膜 与类 固 醇 激 素 受 体（ 转 录 因 子 ） 相 互作 用 。 steroid GRE Inhibitor(HSP90)Glucocorticoid receptorDissociation, dimerization n 在 没 有 类 固 醇 激 素 时 ， 该 受 体 与 抑 制 蛋 白 结 合 ， 游 离在 细 胞 质 中 .n 有 类 固 醇 激 素 时 , 1. 激 素 结 合 到 受 体 上 ， 将 其 从 阻 抑 物 中 释 放 出 来 。2. 受 体 二 聚 化 并 转 移 到 核 中 。3. 受 体 与 其 特 异 的 DNA结 合 序 列 结 合 (应 答 元 件 ) ， 从 而激 活 靶 基 因 。 3. 通 过 磷 酸 化 调 控 ： STAT蛋 白 许 多 激 素 不 能 扩 散 进 细 胞 。 它 们 通 过 与 细 胞 表 面 的 受 体 结 合 ， 通 过 称 为 信 号 转 导的 过 程 将 信 号 传 递 给 细 胞 内 部 的 蛋 白 。 信 号 转 导 通 常 涉 及 到 蛋 白 质 的 磷 酸 化 。 如 -干 扰 素 通 过 激 活 一 种 称 为 JAK的 激 酶 诱 发 转 录因 子 STAT1 的 磷 酸 化 3. 通 过 磷 酸 化 调 控 ： STAT蛋 白 P P P P Interferon-IFN- receptor JAK kinaseUnphosphorylated STAT monomers +2ATPdimerization +2ADP phosphorylated STAT1 dimerNuclear translocation Response element 3. 通 过 磷 酸 化 调 控 ： STAT蛋 白（ 1） 未 磷 酸 化 的 STAT1 蛋 白 : 以 单 体 形 式 存 在 于 细胞 质 中 ， 无 转 录 活 性 。 （ 2） 在 特 异 的 酪 氨 酸 残 基 磷 酸 化 的 STAT1 形 成 同型 二 聚 体 进 入 核 ， 激 活 在 启 动 子 处 含 有 保 守 的 DNA结 合 基 序 的 靶 基 因 的 表 达 。 第 四 节 转 录 后 水 平 的 基 因 表 达 调 控一 、 RNA沉 默 与 siRNA（ 一 ） 基 因 沉 默 （ gene silencing） ： 指 生 物 体 中 特 定 基 因 由 于 种 种 原 因 不 能 表 达 或 表 达 量 很 低 的 遗 传 现 象 。 （ 二 ） 基 因 沉 默 类 型 ： 转 录 水 平 的 基 因 沉 默 (TGS) 转 录 后 水 平 的 基 因 沉 默 (PTGS) DNA mRNA ProteinDNA mRNA Protein 1、 定 义 （ Definition） : 是 由 dsRNA介 导 的 ， 通 过 目 标 mRNA的 降 解而 使 特 定 基 因 沉 默 的 现 象 。 （ 三 ） RNA SilencingDNA mRNA Protein RNA干 涉 （ RNA interference， RNAi） ： In animal转 录 后 水 平 的 基 因 沉 默 -PTGS （ In plants）静 息 或 阻 抑 作 用 - quelling（ In certain fungi）2、 Other names of RNA silencing 3、 RNA沉 默 的 发 现Untransformed Napoli, Lemieuz, Jorgensen, 1990Van der Krol, Mur, Beld, Mol, Stuitje, 199035S-P Chalcone synthase Nos-T “Cosuppression”RNA silencing first observed in plants during transgene studies Fire（ 美 国 卡 内 矶 研 究 所 ） Mello（ 美 国 麻 州 大 学 ） 双 链 RNA 是 导 致 线 虫 par-1基 因 沉 默 的 原 因 ，并 称 之 为 RNA干 扰 (RNA interference)。 Guo & Kemphuse（ 美 国 康 乃 尔 大 学 ） 正 义 和 反 义 RNA都 能 导 致 线 虫 par-1基 因 沉 默 。 Degraded RNA (Gene silencing or virus resistance)DICER (dsRNase) (DCLs)21-25nt small RNAs (siRNAs)Complex formationRISC complexTarget ss mRNAor viral RNAEndonuclease(s)Exonuclease(s) dsRNA RdRP Amplification( )Systemic silencingLong-distance signals( )CH3 CH3 CH3Homologous DNA RNA-directed DNA methylation ( DNA ) 4、 RNA沉 默 的 可 能 机 理 5、 RNA沉 默 的 功 能v PTGS在 生 物 界 中 是 一 种 普 遍 现 象 ， 是 真 核 生物 长 期 进 化 过 程 中 形 成 的 一 种 抵 御 病 毒 、 转 座子 等 外 来 核 酸 的 入 侵 、 识 别 并 抑 制 外 源 基 因 的表 达 ， 维 持 生 物 基 因 组 稳 定 性 的 重 要 防 御 机 制 。 6、 RNA沉 默 应 用Applications of RNA silencing（ 1） 基 因 功 能 分 析（ 2） 培 育 抗 病 毒 作 物 （ 3） 作 物 品 质 遗 传 改 良 How to Silencing a Genehairpin RNA transgene AAAAAAA-complementary regionsPromoter TerminatormRNA Hairpin RNA 二 、 MiRNA (MicroRNA)与 基 因 表 达 调 控（ 一 ） 特 点 ：1、 miRNAs是 一 种 21 25nt长 的 小 分 子 RNA 2、 具 有 高 度 的 保 守 性 、 时 序 性 和 组 织 特 异 性3、 主 要 作 用 于 靶 标 基 因 3-UTR区 ， 阻 遏 翻 译 （ 二 ） 功 能 ： 主 要 在 发 育 过 程 中 起 作 用 ， 调 节 内 源 基 因 表 达 （ 三 ） MiRNA的 生 成 及 作 用 机 制 MiRNA作 用 模 式1、 与 靶 标 基 因 3-UTR区 不 完 全 互 补 结 合 ， 阻 遏 翻 译 而不 影 响 mRNA的 稳 定 性 （ 这 种 miRNA是 目 前 发 现 最 多 的 种类 ， 如 线 虫 lin-4）2、 与 靶 标 基 因 完 全 互 补 结 合 ， 作 用 方 式 和 功 能 与 siRNA非 常 类 似 ， 最 后 切 割 靶 mRNA， 这 说 明 某 些 miRNA和siRNA一 样 参 与 了 机 体 内 一 些 特 异 性 mRNA的 剪 切 过 程 。（ 如 拟 南 芥 miR-171）3、 具 有 以 上 两 种 作 用 模 式 ， 当 与 靶 标 基 因 完 全 互 补 结 合时 ， 直 接 靶 向 切 割 mRNA； 当 与 靶 标 基 因 不 完 全 互 补 结合 时 ， 阻 遏 基 因 的 翻 译 （ 如 线 虫 let-7 ） （ 四 ） 小 RNA的 研 究 的 启 示1、 基 因 组 非 蛋 白 编 码 区 可 能 蕴 含 着 重 要 的 生 命功 能 活 动 信 息 。2、 生 命 的 一 些 重 要 活 动 如 幼 虫 的 生 长 发 育 、 细胞 的 发 生 和 分 化 、 神 经 系 统 的 分 化 等 都 被 一 些非 编 码 小 RNA的 调 控 附 ： RNA的 功 能（ 1） 储 存 遗 传 信 息 ， 如 RNA病 毒（ 2） mRNA： 进 行 遗 传 信 息 的 传 递 ， 作 为 蛋 白 质 合 成 的 模 板（ 3） rRNA： 可 装 配 成 核 糖 体 ， 参 与 蛋 白 质 合 成（ 4） tRNA： 携 带 氨 基 酸 ， 参 与 蛋 白 质 的 合 成（ 5） 核 酶 ： 内 含 子 的 自 我 剪 接 等（ 6） MicroRNA： 基 因 表 达 的 调 控 ， 在 发 育 过 程 中 起 作 用（ 7） SiRNA： 抑 制 病 毒 、 转 座 子 等 外 源 基 因 的 表 达（ 8） 指 导 RNA： 参 与 RNA的 编 辑（ 9） SnoRNA： 可 能 与 RNA的 甲 基 化 有 关（ 10） SnRNA： 参 与 RNA的 加 工 （ 如 剪 接 ）（ 11） 端 粒 酶 中 的 RNA： 与 端 粒 的 复 制 有 关 三 、 RNA加 工 的 调 节（ 一 ） 可 变 mRNA的 加 工 通 过 使 用 不 同 的 polyA位 点 或 不 同 的 剪 接 方式 将 前 mRNA转 化 为 一 种 以 上 的 成 熟 mRNA （ 二 ） 可 变 mRNA加 工 的 类 型 1、 利 用 不 同 的 启 动 子 2、 利 用 不 同 的 poly（ A） 位 点 3、 选 择 性 剪 接 PS 外 显 子 S PL 外 显 子 L 外 显 子 2 外 显 子 3 DNA 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初 始 转 录 本 ： 在 唾 腺 中 转 录 成 熟 mRNA： 1663nt 初 始 转 录 本 ： 在 肝 中 转 录 成 熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小 鼠 淀 粉 酶 (amy) 基 因 利 用 不 同 启 动 子 产 生 两 个 不 同 的 mRNA 1、 利 用 不 同 的 启 动 子 在 唾 液 腺 中 ， 特 定 的 转 录 因 子 使 淀 粉 酶 基 因 从 上 游 启 动 子 开 始 转 录 在 肝 细 胞 中 ， 使 用 下 游 启 动 子 DNA 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 TATA TATA AATAAA 1 4 5 6 7 8 9 (在 心 脏 中 ) 190aa LC1 mRNA 20kb AUG (在 砂 囊 中 ) 149aa LC3 10kb 2 3 5 6 7 8 9 图 18-58 鸡 肌 球 蛋 白 轻 链 前 体 mRNA 在 不 同 的 组 织 中 进 行 不 同 的 选 择 性 拼 接 2、 利 用 不 同 的 poly（ A） 添 加 位 点 可 变 poly（ A） 添 加 位 点 某 些 前 mRNA含 有 一 个 以 上 的 polyA添 加 位 点 ，可 以 在 不 同 的 情 况 下 （ 如 在 不 同 的 细 胞 类 型 中 ）产 生 出 不 同 的 成 熟 mRNA。 3、 选 择 性 剪 接 (alternative splicing)： 在 mRNA前 体 的 剪 接 过 程 中 ， 参 加 剪 接 的 外显 子 可 以 不 按 其 线 性 次 序 剪 接 ， 内 含 子 也 可以 不 被 切 除 而 保 留 ， 即 一 个 外 显 子 或 内 含 子是 否 出 现 在 成 熟 mRNA中 是 可 以 选 择 的 ， 这种 剪 接 方 式 称 为 选 择 性 剪 接 。 W X Z W X ZW X Z 大 鼠 / 型 肌 钙 蛋 白 T内 含 子 是 相 对 的在 型 中 是 外 显 子而 在 型 中 是 内 含 子不 同 外 显 子 的 选 择 肌 钙 蛋 白 基 因 内 含 子 交 替 剪 切 ，产 生 / 两 种 类 型 的 蛋 白 第 五 节 翻 译 水 平 调 控 调 控一 、 mRNA结 构 与 翻 译 控 制 （ 一 ） 5-UTR结 构1、 mRNA 5端 m7G帽 有 增 强 翻 译 水 平 的 作用 2、 起 始 AUG旁 侧 序 列 对 翻 译 效 率 的 影 响 Kozak序 列 ： GCCAUGG 二 、 mRNA稳 定 性 与 翻 译 控 制mRNA稳 定 性 主 要 取 决 于 3 -UTR结 构1 poly(A)尾 增 加 mRNA稳 定 性 poly(A) 结 合 蛋 白 2 3-UTR中 UA序 列 (AUUUA)导 致 mRNA不 稳 定 ，降 低 翻 译 的 效 率 AUUUA是 mRNA快 速 降 解 的标 志三 、 掩 蔽 mRNA（ mask mRNA） ：蛋 白 质 结 合 到 mRNA上 并 阻 止 翻 译 Question名 词 解 释 ：顺 式 作 用 元 件 、 反 式 作 用 因 子 、 增 强 子 、 沉 寂 子 、 绝 缘子 、 减 弱 子 、 应 答 元 件 、 基 因 扩 增 、 基 因 丢 失 、 基 因重 排 、 位 置 效 应 、 异 染 色 质 化 、 巴 氏 小 体 、 剂 量 补 偿 、基 因 沉 默 、 RNA沉 默 、 MiRNA、 选 择 性 剪 接问 答 ：1、 请 你 尽 可 能 多 地 列 举 RNA生 物 功 能 的 种 类 2、 简 要 解 释 顺 式 作 用 元 件 与 反 式 作 用 因 子 ， 并 以 乳 糖 操纵 子 的 基 因 调 控 为 例 说 明 他 们 的 相 互 作 用 方 式 。 3、 简 述 组 蛋 白 修 饰 的 种 类 , 举 例 说 明 对 基 因 表 达 调 控 的作 用4、 简 述 真 核 转 录 因 子 DNA结 合 结 构 域 的 几 种 常 见 基 序 的结 构 特 点