第七章真核基因表达调控

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,西北师范大学,-,生命科学院,第七章真核生物基因表达调控,真核生物基因调控根据性质可分为两大类,:,第一类是瞬时调控或称可逆性调控,包括,:,某种底物或激素水平的升降,酶活性和浓度的调节,。,第二类是发育调控或称不可逆调控，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。按调控发生的先后次序也可分为如下过程：图,9-1,1,、,DNA,水平的调控：,是真核生物发育调控的一种形式,它包括：基因丢失、甲基化、扩增、重排、等方式。,基因丢失：目前认为这种调节方式主要是在较低等的真核生物中。如马蛔虫，只有在生殖细胞核中保持个体发育的全部基因，而体细胞核中却失去了一部分基因。在原生动物和昆虫中也有类似现象，体细胞不具有全能性。高等生物没有发现类似的现象，可进行体细胞核移植。,一、转录前调控,(2),基因扩增：是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象。它使得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，是基因活性调控的一种方式。如：非洲爪蟾的卵母细胞中原有,rRNA,基因约,500,个拷贝，在减数分裂,I,的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线期它的考贝数约为,200,万个，扩增近,4000,倍，以满足卵裂期间和胚胎期间合成大量蛋白质的需要。是基因调控的一种方式。,(3),基因重排：一个基因可以通过远离其启动子的地方移到距它很近的位点，而被起动转录，这种方式称为基因重排。,如：小鼠免疫球蛋白结构基因的表达：,Ig,分子的肽链主要是由,V,区、,C,区及两者之间的,J,区组成的，而且,V,基因、,C,基因、和,J,基因在小鼠胚胎细胞中是相隔较远的。当免疫球蛋白形成细胞（淋巴细胞）发育分化时，能通过染色体内重组，把,3,个远离的基因紧密的连接在一起，从而产生免疫球蛋白,Ig,分子。,（）甲基化,Robertson KD,，,Nature Reviews Genetics,6(8,）：,597,610 Aug 2005DNA,甲基化是一种重要的基因组表观遗传修饰，参与调控许多细胞过程，包括胚胎发育、转录、染色质结构、,X,染色体失活、基因组印迹以及染色体稳定性。同这些重要功能相符合的是，越来越多的人类疾病被发现同,DNA,甲基化的异常有关。对这些疾病的研究提供了对,DNA,甲基化以及其他表观遗传修饰在发育和正常细胞动态平衡中的作用的新认识。,（,1,）染色质结构影响基因转录：细胞分裂时松开分散在核内的染色质称为常染色质,(,euchromatin,),，常染色质的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后，仍保持紧凑折叠的结构，在间期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质,(heterochromatin),，基因不能转录表达。,原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达；哺乳类雌体细胞,2,条,X,染色体，到间期一条变成异染色质者，这条,X,染色体上的基因就全部失活，可见紧密的染色质结构阻止基因表达。,2,、真核基因的转录与染色质的结构变化相关,（,2,）组蛋白的作用：早期体外实验观察到组蛋白与,DNA,结合阻止,DNA,上基因的转录，去除组蛋基因又能够转录。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，从而遮蔽了,DNA,分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用；染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞特异性，可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录作用。,（,3,）转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加：在核小体区,DNA,受组蛋白掩盖的结构有变化，出现了对,DNase,高敏感点,(hypersensitive site),。这种高敏感点常出现在转录基因的,5,侧区,(5,flanking region),、,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，可能有利于调控蛋白结合而促进转录。,（,4,）,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。,（,5,）,DNA,碱基修饰变化：真核,DNA,中的胞嘧啶约有,5%,被甲基化为,5,甲基胞嘧啶,(5methylcytidine,m5C),，而活跃转录的,DNA,段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。这种甲基化最常发生在某些基因,5,侧区的,CpG,序列中，实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录。甲基化可能阻碍转录因子与,DNA,特定部位的结合从而影响转录。,1,、顺式作用元件,(,cis,acting,elements),真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的,DNA,序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子,(promoter),、增强子,(enhancer),；近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子,(silencer),。,二、转录调控,真核启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列，而且单靠,RNA,聚合酶难以结合,DNA,而起动转录，而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用。,真核启动子一般包括转录起始点及其上游约,100,200bp,序列，包含有若干具有独立功能的,DNA,序列元件，每个元件约长,7,30bp,。最常见的哺乳类,RNA,聚合酶,启动子中的元件序列见表,9,1,。,(1),启动子,表,1,哺乳类,RNA,聚合酶,启动子中常见的元件,元件名称,共,同,序,列,结,合,的,蛋,白,因,子,名称,分子量,DNA,长度,TATA,TATAAA,TFIID,30,000,10bp,GC,GGGCGG,SP-1,105,000,20bp,CAAT,GGCCAATCT,CTF/NF1,60,000,22bp,kB,GGGACTTTCC,NFkB,44,000,10bp,ATF,GTGACGT,ATF,?,20bp,Octane,ATTTGCAT,Oct-1,76,000,10bp,原核生物,TTGACA-TATAAT-,起始位点,-35 -10,真核生物,增强子,-GC-CAAT-TATAA,5mGpp,起始位点,-110 -70 -25,真核与原核生物启动子的比较,核心启动子元件,(core promoter element ,CPE),指,RNA,聚合酶起始转录所必需的最小的,DNA,序列，包括转录起始点及其上游,25,处的,TATA,盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。,上游启动子元件,(upstream promoter element ,UPE),或称上游激活序列（,upstream activating,sequence,UAS,),包括通常位于,70bp,附近的,CAAT,盒和,GC,盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。,启动子中的元件可以分为两种：,是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在,SV40,病毒中发现的长约,200bp,的一段,DNA,，可使旁侧的基因转录提高,100,倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占,100,200bp,长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为,8,12bp,，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。,(2),增 强 子,增强子提高,DNA,链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离,1,4kb,、甚至,30kb,仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。,增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。,增强子要有启动子才能发挥作用，否则增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。,增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定了它具有组织或细胞特异性。,增强子的作用有以下特点：,最早在酵母中发现，以后在,T,淋巴细胞的,T,抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有的例子看到：沉寂子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。,（,3,）沉寂子,以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子,(transcription factors,TF),。,RNA,聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。在真核细胞中,RNA,聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要与其他转录因子共同协作。与,RNA,聚合酶,、,、,相应的转录因子分别称为,TF,、,TF,、,TF,，对,TF,研究最多。,表,-2,列出真核基因转录需要基本的,TF,。,2,、反式作用因子,(trans acting factors),表,-2,RNA,聚合酶,的基本转录因子,转录因子,分子量（,kD,),功,能,TFII-D,30,与,TATA,盒结合,TF,-A,12,19,35,稳定,TF,-D,的结合,TF,-B,30,74,帮助,RNA,聚合酶,II,与启动子区结合,TF,-E,34,37,帮助,RNA,聚合酶起始转录,螺旋,-,转角,-,螺旋,(,helix,turn,helix,HTH),及螺旋,-,环,-,螺旋,(,helix,loop,helix,HLH,),一种和,DNA,结合的调控蛋白。由串联的,a,螺旋构成,a,螺旋之间形成转角,HTH,常结合于大沟,常为阻遏蛋白。这类结构至少有两个,螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连接，两个这样的,motif,结构以二聚体形式相连，距离正好相当于,DNA,一个螺距,(3.4nm),，两个,螺旋刚好分别嵌入,DNA,的深沟,(,图,9,5),。,与,DNA,结合的转录因子大多以二聚体形式起作用，与,DNA,结合的功能域常见有以下几种：,其结构如图,9-6,所示，每个重复的“指”状结构约含,23,个氨基酸残基，锌以,4,个配价键与,4,个半胱氨酸、或,2,个半胱氨酸和,2,个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有,2-9,个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入,DNA,双螺旋的深沟，接触,5,个核苷酸。例如与,GC,盒结合的转录因子,SP1,中就有连续的,3,个锌指重复结构。,锌指（,zinc finger,）,这结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔,6,个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在,螺旋的同一个方向出现。两个相同的结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体，这二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与,DNA,双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二聚体则对,DNA,的亲和结合力明显降低。,碱性,-,亮氨酸拉链（,basic,leucine,zipper,，,bZIP,）,受精卵发育为新个体，是受一系列基因调控的，这些基因在发育过程中，按照时间、空间顺序启动和关闭，互相协调，对胚胎细胞的生长和分化进行调节。细胞分化的实质是在外界信号的作用下，胞内核质相互作用的结果。,果蝇：母体基因，产物是一种,DNA,结合蛋白即转录因子，它激活分节基因的转录，决定胚胎的前后轴和背腹轴。分节基因的功能是把胚胎分为划分为体节，分为三类：间隙基因（,gap genes,），成对基因（,pair-rule genes,）和体节极性基因（,segment polarity gene,）。这三组基因也是等级关系，体节极性基因又激活同源异形基因（,homeotic,gene,，,hox,）。决定每一体节的性质与形态特征，即选择体节向某个方向发育、分化，由于这类基因的产物都含有,HD,结构，所以又称为同源异形框（盒）基因（,homeobox,genes,，,Hox,）。同