真核基因表达调控-课件

真核基因表达调控The Nobel Prize in physiology or medicine 1983巴巴拉麦克林托克The Nobel Prize in physiology or medicine 1993发现断裂基因(split genes)The Nobel Prize in Chemistry 2004 for the discovery of ubiquitin(泛素)-mediated proteolysis蛋白质降解是一个有序的过程罗杰科恩伯格(Roger Kornberg),),斯坦福大学教授,因对“真核转录的分子基础所作的研究”而荣获20062006年诺贝尔化学奖。科恩伯格发现了构成染色体的基本单位核小体The Nobel Prize in Chemistry 2006Andrew ZAndrew Z、Fire FireCraig CCraig C、Mello MelloAlbertLaskerBasicMedicalResearchAwardVictor Ambros,University of Massachusetts Medical School2008年艾伯特拉斯克医学研究奖 discoveriesthatrevealedanunanticipatedworldoftinyRNAsthatregulategenefunctioninplantsandanimals 表观遗传学(epigenetics)热点诺贝尔奖？请大伙儿查阅表观遗传学相关的文献,并作总结。本章主要内容1.1.基因表达与调控的基本概念与原理2.2.转录水平的调控(transcriptional regulation):uGenetic leveluEpigenetic level3.3.转录后水平的调控(post-transcriptional regulation):uRNA interference(RNAi)uProtein degradation(Ubiquitin/proteasome)第一部分基本概念与原理Basic Concepts and PrinciplesGenome(cells repertoire of DNA)Transcriptome(cells repertoire of RNA transcripts)Proteome(cells repertoire of proteins)单个基因单个细胞中心法则一、基因表达的概念基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因表达(gene expression)基因经过转录、翻译,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA分子的过程。基因表达调控(gene regulation,or regulation of gene expression)基因表达是受严格调控的。RegulationofGeneExpressionChromatinepigenetic controlRNA silencingProteindegradation一般而言的基因表达调控范畴二、基因表达的时间性及空间性(一)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，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。人体发育过程中不同类型-珠蛋白的含量变化(二)空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,因此空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。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,称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。Expression pattern of BARD1In Situ hybridization四种母源影响基因的mRNA和蛋白沿果蝇胚胎前-后轴分布的浓度变化图 APBICOIDCAUDALHUNCHBACKNANOSFacts Identical genome:Virtually every cell in an organism contains a plete set of genes Spatial specificity:But they are not all turned on in every cell or tissueTemporal specificity:Each cell of an organism expresses a distinctive subset of genes at different time or developmental stageTight regulation:During development different cells express different sets of genes in a precisely regulated fashion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:1 1、组成性表达 (constitutive expression)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因(housekeeping gene)。-指那些在细胞结构和代谢途径中必不可少的基因(如 rRNA,actin,tubulin)-通常高水平表达。2 2、诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,基因表达产物增加,这种基因称为可诱导基因 (inducible genes)。假如基因对环境信号应答是被抑制,这种基因是可阻遏基因 (repressible genes)。基因表达调控大多数是对这些基因的转录和翻译速率的调节,从而导致其编码产物的水平发生改变,影响其功能。四、基因表达调控的生物学意义(一)维持细胞增殖、分化(二)维持个体生长、发育 (三)习惯环境变化1、Transcripts(转录本)beginandendbeyondthecodingregion(5UTRand3UTR)2、Theprimarytranscriptisprocessedby:5capping3formation/polyA splicing3、Maturetranscriptsaretransportedtothecytoplasmfortranslation一般而言,基因表达调控主要发生在基因转录水平上的调节,既mRNA合成的多少transcription五、基因转录调节基本要素(一)RNA聚合酶(RNA Polymerase)(二)特异DNA序列(cis-acting elements)(三)调节蛋白(trans-acting factors)Gene expression regulation at the level of DNA(transcriptional regulation)-highly sequence-dependent-varied regulation for different genescis-acting elements:promoters/regulatory sequences of genestrans-acting factors:proteins and RNAs that bind cis-elements and promote or repress gene expression (一)RNA)RNA聚合酶启动子、调节序列和调节蛋白通过DNA-DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNARNA聚合酶活性。RNARNA PolPol I:I:rRNA,rRNA,相对活性50-70%50-70%RNARNA PolPol II:II:mRNA,mRNA,相对活性20-40%20-40%RNA Pol III:tRNA,RNA Pol III:tRNA,相对活性10%10%RNA Pol IV:small ncRNA,RNA Pol IV:small ncRNA,相对活性?1.原核生物的特异DNA序列 原核生物的基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子(operon)是由功能上相关联的多个编码序列(2个以上)及其上游的调控序列(包括操纵序列、启动序列和调节序列)等成簇串联在一起,构成的一个转录协调单位。(二)特异DNA序列AB编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator)操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白2.真核生物的特异DNA序列真核生物基因组中含有能够调控自身基因表达活性的特异DNA序列,称为顺式作用元件(cis-acting element)。顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合,从而影响基因表达活性。启动子(promoter)顺式作用元件又分 增强子(enhancer)沉默子(silencer)En/SiProDNA编码序列转录起始点(三)调节蛋白1.原核生物的调节蛋白(3类)特异因子-DNA上的结合部位promoter 决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力;(RNA聚合酶的 因子)阻遏蛋白-DNA上的结合部位operator 通过与操纵序列结合,阻遏基因转录;(由调节基因表达的阻遏蛋白)激活蛋白-DNA上的结合部位regulatory element 与启动子上游DNA序列结合,促进RNA聚合酶与启动序列 结合,促进基因转录。(CAP:分解代谢物基因活化蛋白)2 2、真核基因的调节蛋白 反式作用因子(trans-acting factor)能直截了当或间接与顺式作用元件相互作用,进而调控基因转录的一类调节蛋白,统称为反式作用因子。按其功能不同,常有以下三类:基本转录因子:识别promoter元件 转录调节因子:识别enhancer或silencer 共调节因子:不能进行DNA-蛋白质相互作用RNA聚合酶在转录因子帮助下,形成的转录起始复合物polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBPTATA DNATAF:TBP associated factorsholoenzyme(1)基本转录因子(general transcription factor)是指能够直截了当或间接与启动子核心序列TATA盒特异结合、并启动转录的一类调节蛋白。TBP:TATA-box binding proteinTFII:pol II associated TF(2)转录调节因子(transcription factor,TF)这类调节蛋白能识别并结合转录起始点的上游序列和远端的增强子元件,通过DNA蛋白质相互作用而调节转录活性。决定不同基因的时间、空间特异性表达、转录激活因子(transcriptional activator)转录阻遏因子(transcriptional repressor)(3)共调节因子(transcriptional regulator/co-factor)首先与转录因子发生蛋白蛋白相互作用,进而影响它们的分子构象,以调节转录活性,本身无DNA结合活性。假如与转录激活因子有协同作用共激活因子;与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。(一)真核生物基因的特点(1)基因组结构庞大。人类的单倍体基因组由 3X109 的核苷酸组成,含有大约3万个基因。(2)形成染色体结构。真核生物的基因组是以DNA和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。(3)单顺反子。真核基因的转录产物一般是单顺反子,即一个编码基因转录生成一个RNA转录本。(4)重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列和异染色质。(5)断裂基因。有外显子和内含子。(6)大多数为非编码区。六、真核基因表达调控的基本原理Typical structure of an eukaryotic geneenhanceror silencer5 UTR3 UTRUTR:untranslated region(二)真核基因表达的多级调控组蛋白修饰DNA甲基化转录调控转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后修饰蛋白质降解真核基因表达调控的主要步骤 染色质去组装蛋白质修饰生化功能1、染色质水平的调节(三)真核基因表达调控的机理基因表达时(常常在调节蛋白结合位点附近)对核酸酶极度敏感TF染色质水平调节主要依赖于辅助调节因子对染色质结构进行修饰。辅助调节子通过三种方式对染色质结构起调节作用:1)依赖于ATP 的核小体重建复合体(ADRC):它们依靠水解ATP 所产生的能量来改变核小体的相对位置,将DNA 序列暴露出来,使转录因子能够与之结合。这是一个物理过程,染色质本身的结构并没有变化,只改变核小体的相对位置。2)组蛋白修饰:主要通过共价修饰组蛋白的末端来改变染色质结构。当构成染色质的组蛋白发生修饰时,就会影响染色质的构型,而结构的变化引起基因转录活性的变化。3)DNA甲基化:真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化。一般而言,DNA甲基化抑制基因表达。组蛋白发生修饰,碱基暴露等原因而引起核小体结构改变,使核小体不稳定性增加。Sequence-independentlinker histones:control DNA paction and accessibility to trans-acting factorspost-translational modifications of histone tails:control paction of DNA and serve as docking sites for trans-acting factorsacK:acetyl-Lys;meR:methyl-Arg、meK:methyl-Lys;PS:phospho-Ser、uK:ubiquitinated Lys DNA甲基化对基因转录的抑制作用 2、DNA水平的调节 真核基因一般都处于阻遏状态,RNA聚合酶对启动子的亲和力特别低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。真核基因转录调节是复杂的、多样的*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式。*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。*转录因子与DNA元件结合后,对转录激活过程所产生的效果各异,有正性调节或负性调节之分。Hypothetical model for the control of Amy32b a-amylase gene expression in barley aleurone cells、A,Negative regulators(HvWRKY38,BPBF,HRT,and HvMCB1)bind to their corresponding cis-acting elements in the absence of GA、B,Positive regulators(RAMY,SAD,HvGAMYB,and HvMYBS3)bind to corresponding cis-acting elements in the presence of GA、Double lines between proteins indicate that their physical interactions have been detected、The arrow denotes the transcription start site、3、RNA水平的调节转录后加工:真核基因大多为断裂基因,内含子和外显子一起被转录。转录后产物经剪接(包括可变剪切,alternative splicing)、加帽、加尾等加工修饰,才能转变为成熟的mRNA。RNA降解:包括非特异性降解(RNase,exosome)和特异性降解(NMD,RNAi)。可变剪接导致-淀粉酶基因在不同组织中的表达差异 siRNAmiRNARNA acts as a regulator of gene expression-gene silencing4、蛋白水平的调节蛋白质合成:ribosome蛋白翻译,构像折叠,细胞内定位蛋白质修饰:包括磷酸化(phosphorylation),乙酰化(acetylation),甲基化(methylation),糖基化(glycosylation),etc。蛋白降解:包括非特异性降解(protease,peroxisome,vacuole)和特异性降解(Ubiquitin/proteasome system。第一部分小结及进展真核生物与原核生物具有相似的转录调节机制1、调控的原理是相同的:signals(信号)activators and repressors(激活蛋白和阻遏蛋白)recruitment and allostery,cooperative binding(招募,异构和协同结合)2、基因表达调控的步骤是相似的,转录起始是最普遍的调控步骤。真核生物与原核生物表达调控的差异1.真核mRNA前体的要进行剪接;2.真核转录机器更复杂;3.核小体及其修饰体影响转录机器与基因的接触;4.真核基因有更多调节序列,具有更多的调节蛋白来控制转录。多细胞生物中含有更多的调节结合位点(顺势作用元件)对应着更多的信号整合 增强子(Enhancer):一个假定的结合位点,能够与一些负责激活基因转录的蛋白(调节蛋白)相结合、选择性的增强子(Alternative enhancer)能够与不同的调节蛋白,并在不同信号下,调节同一个基因在不同时间和部位表达、远端的转录激活在真核生物中是一种更为普遍的调控模式、绝缘子(Insulators)or临界元件(boundary elements):也是位于增强子和启动子之间的调节序列、它们能够阻断启动子与增强子结合激活因子间的联系,导致激活因子工作紊乱、关于基因表达调控历史上曾经的概念经典遗传学:gene=aunitofinheritancethattransmittedasinglecharacteristicfromparenttooffspringDNA编码的基因能够看做一个被串在一条长线生的不连续的珠子,其上的一个基因编码一个蛋白、but,isthisconceptofone-gene-one-proteinoutdated?目前关于基因表达调控相关的概念DNA上的编码的信息比原先认识的更为复杂:选择性的启动子(Alternativepromoters)RNAsplicingNon-codingrepetitiveDNA个别基因的产物具有分享相同的DNA序列(SeparategeneproductswithoverlappingDNAsequences)Antisensegenetranscripts多个基因产物结合形成一个蛋白(Multiplegeneproductsbinetoformasingleprotein)GenesalsoencodefunctionalRNAs(non-proteincoding)RNAbasedinheritancemechanisms选择性启动子和RNA剪接与原先一个单基因只能编码一个蛋白的观点相抵制非编码序列代表了绝大多数的核DNALINEs(longinterspersednuclearelements)SINEs(shortinterspersednuclearelements)不同的基因具有重叠的DNA序列转录能够在DNA双链不同方向,产生获得不同的转录产物15-25%ofmouseandhumangenesexpressantisensetranscripts(naturalantisensetranscriptsNATs),50%ofwhicharesplicedFunctionalproteinscanbemadeofseveralsubunitsthatarederivedfromseparategenesEmbryonichemoglobin:zeta(2),epsilon(2)alpha(2),epsilon(2)zeta(2)gamma(2)Fetalhemoglobin(HbF):alpha(2),gamma(2)Adulthemoglobin:alpha(2),beta(2)alpha(2),delta(2)bination of 2 dimers(and associated heme prosthetic groups)resultsin a functional hemoglobin protein感谢您的聆听！感谢您的聆听！