chap12 真核生物基因表达调控

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,河北科技大学生工学院,分子生物学,真核生物的基因调控,本章内容简介,真核基因表达调控的,特点,真核基因表达调控的,层次,I. 真核生物基因表达的调节特点,真核基因表达调控的,环节,更多,真核基因的转录与,染色质的结构,变化相关,真核基因表达以,正性调控,为主,其它调控特点：如个体发育复杂；受环境影响较小,2.染色质结构影响基因转录,结论：紧密的染色质结构阻止基因表达,常染色质,（,euchromatin,）,基因可以转录,异染色质,（,hetrochromatin,）,基因,不,转录,3.真核基因表达以正性调控为主,多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。,真核,RNA,聚合酶,启动子,亲和力低,激活蛋白,协同作用,转录起始,真核,RNA,聚合酶,启动子,II.,真核基因表达调控的,层次,DNA,和染色体,水平上的调控,转录起始水平,上,转录后,RNA,加工,过程和运送中的调控,翻译水平,翻译后,的控制,1. DNA和染色体水平上的调控,1.1 基因拷贝数的扩增或丢失和基因重排,1.2染色质结构的变化（活化）,1.3 DNA在染色体的位置（常染色质、异染色质）,1.4 CpG的甲基化修饰,这些变化通常是永久性的，可随细胞分裂传递给子代，使这类细胞表达特定的基因谱，具有特定的表型，成为某种特化细胞，这就是细胞的决定于分化,基因扩增,基因扩增,（gene amplification）,：,即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。,例如：蛙成熟卵细胞在受精后的发育过程中其rRNA基因（可称为rDNA）的扩增,基因扩增的调控机理至今还不清楚,基因扩增的意义,基因的扩增能够大幅度提高基因表达产物的量，适合了受精卵其后迅速发育分裂要合成大量蛋白质要求有大量核糖体的需要。,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，被丢失的染色体其上的遗传信息可能对体细胞来说没有什么意义，而对生殖细胞的发育也许是不可缺少的。,例如：马蛔虫（,Parascaris equoorum,）和小表瘿蚊（,Mayetiole destructor,）的生殖细胞的形成。,基因重排,基因重排（gene rearrangement）：即胚原性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。,例如：免疫球蛋白的基因,基因重排,的生物学意义,这种基因重排使细胞可能利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达,10,8,种不同抗体的基因,，提高对外界环境的适应性。,1.2 染色质的结构变化（,染色质的活化,）,组蛋白的作用,转录活跃区域对核酸酶敏感度增加,DNA拓扑结构变化,DNA碱基修饰变化,染色质重塑,(chromatin remodeling),染色质中与转录相关的结构变化称为染色质重塑,组蛋白的作用,组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合。,组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。,1.2,染色质结构的变化（活化）,组蛋白对基因转录活性的影响,组蛋白H1作为核小体交联剂，可以增强由核心组蛋白引起的转录抑制,组蛋白的乙酰化和去乙酰化对转录活性的调节,未乙酰化的组蛋白可以抑制转录，而乙酰化的组蛋白抑制转录能力减弱,1.3 DNA在染色体的位置（常染色质、异染色质）,Euchromatin （常染色质）：染色质较伸展，处于转录活性状态,Heterrochromatin （异染色质）:染色质高度压缩，处于转录被抑制状态 （10%）,转录活跃区域对核酸酶敏感度增加,活跃进行转录的染色质区域受DNase消化常出现100-200bp的DNA片段，且长短不均一，说明其DNA受组蛋白掩盖的结构有变化，出现了对DNase高敏感点（hypersensitive site）。,高敏感点常出现在转录基因的5侧区、3末端或在基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的结构发生变化，有利于调控蛋白的结合而促进转录。,DNA拓扑结构变化,天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。,DNA,甲基化与基因表达,DNA,甲基化的主要形式,5-,甲基胞嘧啶,N6-,甲基腺嘌呤,7-,甲基鸟嘌呤,在真核生物中，,5-,甲基胞嘧啶主要出现在,CpG,和,CpXpG,中，原核生物中,CCA/TGG,和,GATC,也常被甲基化。,DNA甲基化与基因表达,真核生物基因组DNA的甲基化(Methylation),哺乳动物基因组中5%的C为甲基化(,m,C)，,m,C主要存在于CpG二核苷酸中,CG岛(CG islands),: CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因组中，形成,CpG岛,。CpG岛常与基因相连(可作为寻找基因的标记)。,DNA甲基化和CG岛,由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等真核生物中CG序列远远低于其理论值。,哺乳类基因组中约存在4万个CG islands，大多位于转录单元的5区。,基因甲基化状态：,1、高度甲基化： 基因为持续失活(如女性的一条X染色体；,2、诱导去甲基化：如组织或发育阶段特异性表达基因；,3、持续低水平甲基化：具有转录活性(如持家基因)。,DNA甲基化与基因表达,总结：基因表达与甲基化呈负相关,简答题,简述,真核,细胞基因组结构特点及,基因表达调控,方式。（10分）,（第四军医大分子生物学）,真核生物的基因表达调控可以在哪些水平上发生？何谓转录前调控，它有哪几种主要方式，各发生在什么发育时期？试举例说明之。,（10分）,（中科院2001细胞学）,选择题,真核生物DNA中大约有百分之2-7的胞嘧啶存在甲基化修饰，绝大多数甲基化发生二核苷酸对上,A. CC,B. CT,C. CG,D. CA,（中科院上海生化所 98）,选择题,非洲爪蟾体细胞中rDNA拷贝数约有500个，而在卵母细胞中的拷贝数约增加了倍，可以用来转录合成卵裂所需要的ribosome。,a.1000 b.2000 c.4000 d.400,（中科院上海生化所 2001）,判断题,活跃转录的基因均位于常染色质中，处于异染色质中的基因通常不表达。 ( ),2. 转录水平的调控,2.1 基因转录的,顺式调控元件,2.2 基因转录的,反式作用因子,2.3 转录激活因子的作用机制,2.1,基因转录的顺式调控元件,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，其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因,2.1,基因转录的顺式调控元件,a. 正调控元件：,启动子(promoter),增强子(enhancer),b. 负调控元件,沉寂子(silencer),负调控元件是能抑制基因表达的序列,c. 其它顺式调控元件 ：,应答元件,转座元件,最常见的应答元件：,热激应答元件（,heatshock,response,element,HSE,）,糖皮质应答元件（,glucocorticoid,response element,，,GRE,）,金属应答元件（,metal response,element,MRE,）,应答元件（response element）,GRE is the recognition site of glucocorticoid receptor.,Heat shock response element (HSE) is present in heat shock protein genes.,2.2,基因转录的反式作用因子,转录水平的调控主要是通过与多种DNA元件结合的蛋白因子来实现,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,反式作用因子对基因表达的调控可正(激活)可负(阻遏),补充：反式作用及反式作用元件,调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为,反式作用（trans-action）,，调控基因就属于,反式作用元件（trans-acting element）,，其编码产生的调控蛋白称为,反式调控因子（trans-acting factor）,。,2.2.1 反式作用因子的结构区域,DNA,结合域,（,DNA binding domain,），多由,60-100,个氨基酸残基组成的几个亚区组成。,转录激活域,（,activating domain,），常由,30-100,氨基酸残基组成，这结构域有,富含酸性氨基酸,、,富含谷氨酰胺,、,富含脯氨酸,等不同种类，一酸性结构域最多见；,连接区,，即连接上两个结构域的部分。,a.反式作用因子的DNA结构域,结构域(domain):,是指蛋白质中可以具有独立的超二级结构的部分。通常由一个基因外显子编码，并可具有特定的功能。在较大的蛋白质中，多个结构域间可通过较短的多肽柔性区互相联接,基序(motif)：,一般指构成任何一种特征序列的基本结构作为结构域中的亚单元，其功能是体现结构域的多种生物学作用,1 DNA结合结构域基序,a. Helix-turn-helix,（,螺旋-转角-螺旋,）。是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个aa，主要是两个-螺旋区和将其隔开的转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。,b.,Zinc finger（锌指）,。长约30个aa，其中4个氨基酸（Cys或2个Cys，两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。,含锌指基序的转录因子：与,GC,盒结合的,SPl,、类固醇激素受体家族，抑癌蛋白,WT1,等。,c.,Homeodomain（同源域）,，最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与 helix-turn-helix motif相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。,d.,Basic Leucine Zippers（碱性亮氨酸拉链）,是亲脂性（amphipathic）的螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。,具有亮氨酸拉链基序的转录因子：原癌基因,C-Jun/C-,fos(APl,家族,),E 碱性螺旋-环-螺旋(basic-Helix-loop-Helix，bHLH),基序,由,2个螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成,如原癌基因产物C-myc及其结合蛋白Max,几种常见基序,转录因子,DNA,结合域,Zinc finger domain,（锌指结构域）,Homologous domain,（同源域）,HTH domain,（螺旋,-,转角,-,螺旋结构域）,bZip,（碱性亮氨酸拉链结构域）,bHLH,（碱性 螺旋,-,环,-,螺旋结构域）,Transcription activation domains (激活域),Acidic activation domains,（酸性激活域）,Glutamine-rich domains,(富含谷氨酰胺结构域),Proline-rich domains,（富含脯氨酸结构域）,转录激活因子的作用机制,特异性基因转录的基本条件,（1）启动子(特别是核心启动子),（2）RNA Pol,（3）普通转录因子(GTFs),（4）与DNA结合的转录激活因子,（5）辅激活因子,真核生物转录调节序列：增强子,-,高等真核生物,上游激活序列,UAS-,酵母,转录因子的类型,普通转录因子(GTFs),与DNA结合的转录激活因子,辅激活因子或,介导因子（coactivator）,高级生物，至少包括果蝇和哺乳动物，利用绝缘子来阻断邻近的增强子对非相关基因的激活。绝缘子可以保护基因，免受邻近的增强子和沉默子的激活作用或抑制作用,转录激活的一般过程,在典型的RNA polII启动子处进行的转录激活过程一般包括：,染色质重塑使染色体结构松弛,转录激活因子与DNA结合,激活因子与组蛋白乙酰化酶和/或其它蛋白质相互作用，促进周围染色质的进一步重塑,激活因子通过辅激活因子介导因子，与RNA polII相关的转录因子相互作用，促进转录起始复合物前体的形成,外界刺激通过一系列的蛋白质将信号从一个蛋白质传递给另一个蛋白质，构成信号转导途径，最终常常是活化了某种转录因子，影响到一系列相关基因的表达，改变了细胞内的蛋白质表达谱，使细胞产生特定的表型,图,12-17,介导因子,CBP,作用机理,CRE,：,cAMP,响应元件,CREB,：与,CRE,结合的蛋白,CBP,：,CREB,结合蛋白,图,12-18 CBP,介导核受体的转录激活作用,SRC,：类固醇受体辅激活因子,转录激活因子活性调节与信号传导途径,转录激活因子通过几种不同方式调节活性,1. 与配体结合,2. 细胞内定位,3. 磷酸化修饰,4. 去除抑制蛋白,5. 更换结合蛋白,蛋白质的磷酸化反应,指通过酶促反应把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程,是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。,许多信号途径依赖于蛋白质的磷酸化将信号从一个蛋白传递给另一个蛋白，每一步酶促反应都可以使信号放大，因此转导途径存在放大效应,蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用,在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点。,蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶,活性,。,对外界信号具有级联放大作用,.,蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的持续反应。,3.转录后加工,在细胞核内对基因产物(mRNA前体)进行各种加工、成熟、转运过程中对基因表达的调控属,转录后加工, 有些基因还可进行组织特异性的选择性拼接，产生不同的mRNA模板，表达具有不同生物活性的蛋白质。特殊情况下mRNA还可进行编辑，改变编辑序列,简单转录单位,复杂转录单位,图,12-21,大鼠的免疫球蛋白,重链基因,mRNA,的可变拼接,可变拼接,图,12-22,果蝇性别决定过程中的可变拼接,RNA,编辑,RNA,编辑现象最早在锥形虫中发现，其细胞色素氧化酶（,COII,）,mRNA,的序列与,COII,基因序列不吻合，含有,4,个在基因中缺失的核苷酸，,mRNA,通过,RNA,编辑补上了这,4,个核苷酸，纠正了移码突变。,转录后RNA加工过程和运送中的调控,mRNA的转运,真核生物mRNA在细胞核内合成后必须转运到细胞质中进行翻译。完成转录和转录后加工过程的mRNA以,核蛋白复合物,的形式转运，转运过程依赖于外显子连接复合物，内含子的存在可以阻止mRNA的转运,4.翻译水平调控,mRNA稳定性对基因表达的影响,在翻译起始阶段对基因表达的影响,mRNA的选择性翻译,RNA干扰导致的基因沉默,mRNA结构与翻译控制,(一) 5-UTR结构,1、mRNA5端m,7,G帽有增强翻译水平的作用,2、“上游AUG密码子”(位于起始AUG上游的其他AUG密码子)的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率,3、起始AUG旁侧序列对翻译效率的影响Kozak序列：GCCAUGG,(二) 3-UTR,结构,1poly(A)尾增加翻译效率,2富含UA序列抑制翻译。,mRNA稳定性与翻译控制,mRNA稳定性主要取决于3UTR结构,1poly(A)尾增加mRNA稳定性，,23-UTR中UA序列导致mRNA不稳定,1）mRNA稳定性对基因表达的影响,真核生物在翻译水平上对基因表达的调控主要是控制mRNA的稳定性和选择性翻译。真核生物mRNA在成熟过程中形成的5-帽子和3-polyA尾巴对mRNA的稳定性和可翻译性等都有一定的影响。mRNA的5和3非编码区序列对mRNA的稳定性和翻译效率也起着重要的调控作用,翻译起始阶段对基因表达的影响,翻译起始因子(IF)的调节：,可逆磷酸化的作用,1eIF-4E的磷酸化激活蛋白质的合成,2. eIF-2的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平,图,12-24 eIF4E,结合蛋白,PHAS-,的磷酸化对翻译起始的调节,mRNA,的选择性翻译,生物体通过一定的机制控制各个亚基的合成比例，保证组装蛋白所需，又避免浪费。,在原核生物中，常通过操纵子来控制合成的相关蛋白的浓度比，而在真核生物中，可以通过选择性翻译控制蛋白质的浓度比（如血红蛋白,亚基和,亚基的合成）,RNA,干扰导致的基因沉默,将序列与目标,mRNA,对应的双链分子引入有机体后，可以被内切酶切割成短的片段，这些短的,RNA,片段可以与,mRNA,结合并使之沉默，这个过程称为,RNA,干扰（,RNA interferenc, RNAi,）,MicroRNA(miRNA),miRNA是由内源性发夹结构转录产物衍生而来的一种长为21-25nt的单链RNA。,miRNAs,的成熟及效应过程,miRNAs,的作用模式,miRNA,与靶,mRNA,的作用模式包括二种：,二者不完全互补，主要影响翻译过程；,二者完全互补，类似,siRNA,与靶,mRNA,的结合，特异性切割,mRNA,。,miRNA,是通过与靶,mRNA,之间序列互补程度的不同，而发挥对靶,mRNA,的基因调节作用。,5. 翻译后水平的基因表达调控,切除起始氨基酸,氨基酸侧链的共价修饰：乙酰化、磷酸化、糖基化（,N-,、,O-,）,蛋白质前体的切割和成熟。,Proproteinprotein,.,例：胰岛素的成熟。,4.,多肽链的折叠,