真核生物的基因表達(dá)調(diào)控.ppt

第九章 真核生物的基因表達(dá)調(diào)控,第一節(jié) 特點(diǎn) 一. 與原核生物的相同點(diǎn) 1. 有轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控 2. 在真核生物的結(jié)構(gòu)基因的上游和下游也同樣存在相應(yīng)的特異調(diào)控因子 二. 不同點(diǎn) 1. 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不同造成調(diào)控系統(tǒng)的不同 2. 原核生物多為操縱子為單位進(jìn)行調(diào)控 3. 真核生物有致密的染色體結(jié)構(gòu)、龐大的基因組 4. 真核生物基因組DNA中有許多重復(fù)序列，基因內(nèi)部被內(nèi)含子隔開(kāi)，基因組之間分布著大段的非編碼序列,5. 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及與DNA相互結(jié)合的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，成為調(diào)節(jié)基因的開(kāi)關(guān) 6. 核膜的存在，使得轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間與空間上被分隔開(kāi)，從而形成多層次的調(diào)控系統(tǒng) 真核生物的基因調(diào)控貫穿于DNA到功能蛋白質(zhì)的全過(guò)程，涉及基因結(jié)構(gòu)的變化、轉(zhuǎn)錄的起始及其后加工、mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)及翻譯的幾個(gè)調(diào)控階段,第二節(jié) 真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的步驟,1. 染色體核染色質(zhì)水平上的結(jié)構(gòu)變化與基因活化 2. 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控，包括基因的開(kāi)啟與關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄效率的高低 3. RNA水平上的調(diào)控包括初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的特異性剪接、修飾、活化與編輯等 4. 轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控 5. 翻譯水平的調(diào)控 6. 蛋白質(zhì)合成后的選擇性調(diào)控 7. 控制mRNA的選擇性降解的調(diào)控,短期調(diào)控: 基因的快速活化或封閉 長(zhǎng)期調(diào)控: 基因被永久性地或半永久地開(kāi)啟或關(guān)閉，從而不間斷和不可逆地改變細(xì)胞的生活特性，最終導(dǎo)致細(xì)胞的分化，成為具有特定生理機(jī)能的細(xì)胞。,第三節(jié) DNA染色體水平的調(diào)控,一. 概述 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、DNA在染色體上的位置、基因 拷貝數(shù)的變化、基因重組、基因丟失、基因重排 以及基因修飾等 二. 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu) 以核小體為基本結(jié)構(gòu)單位形成染色質(zhì)，其組裝 影響著DNA的復(fù)制、基因的表達(dá)和細(xì)胞周期進(jìn)程,緊密壓縮狀態(tài): DNA分子被緊密地壓縮在細(xì)胞核內(nèi)，從而導(dǎo)致基因處于非活性狀態(tài) 被阻遏狀態(tài): DNA分子與組蛋白結(jié)合導(dǎo)致染色質(zhì)處于被阻遏狀態(tài) 有活性狀態(tài): 能使基因處于可轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為染色質(zhì)的活性狀態(tài) 被激活狀態(tài): 當(dāng)啟動(dòng)子被激活因子結(jié)合，從而促使RNA聚合酶等在啟動(dòng)子區(qū)域形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，使染色質(zhì)成為激活狀態(tài),三. 異染色質(zhì) 在細(xì)胞核中處于凝聚狀態(tài)，不具有轉(zhuǎn)錄活性。組成型異染色質(zhì)在整個(gè)細(xì)胞周期一直保持壓縮狀態(tài)，其DNA不含有基因，而兼型異染色質(zhì)只在一定的發(fā)育階段或生理?xiàng)l件下由常染色質(zhì)凝聚而成，沒(méi)有持久的活性。 四. 組蛋白對(duì)基因活性的影響 組蛋白是基因活性的重要調(diào)控因子，當(dāng)組蛋白與裸露的基因DNA混合后，能使該基因的轉(zhuǎn)錄停止。經(jīng)研究表明，組蛋白H1比核心組蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄的作用強(qiáng)，組蛋白H1與連接DNA相結(jié)合后穩(wěn)定了核小體的結(jié)構(gòu)，通過(guò)維持染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)而抑制了轉(zhuǎn)錄過(guò)程。,五. 組蛋白的乙酰化-去乙?；?與基因活化、染色質(zhì)變化及基因表達(dá)水平密切相關(guān)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，組蛋白的乙?；^(guò)程由組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase, HAT)催化 乙?；艽龠M(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的活性 組蛋白乙?；c轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物裝配 組蛋白的去乙?；c基因沉默,六. 活性染色質(zhì)對(duì)DNase的敏感性 基因組不同區(qū)域的染色質(zhì)被不同濃度的酶水解的特性定義為基因組DNA對(duì)酶的敏感性。 染色質(zhì)對(duì)DNaseI敏感性的表現(xiàn) 基因活性區(qū)域?qū)NaseI的敏感性有細(xì)胞和組織特異性，只有在活躍表達(dá)的細(xì)胞中，基因才具有這種敏感性 該基因具有被轉(zhuǎn)錄的潛在能力，并非就一定能轉(zhuǎn)錄 有一定界限 基因編碼轉(zhuǎn)錄的大范圍表現(xiàn)為一般敏感性，而只有基因的調(diào)控區(qū)域才顯示高度敏感性 組蛋白的乙?；苁谷旧|(zhì)對(duì)DNaseI和微球菌核酸酶的敏感性顯著增強(qiáng),第四節(jié) DNA水平上的調(diào)控,二. DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制,通過(guò)甲基化的DNA上結(jié)合特異性轉(zhuǎn)錄阻遏物，即甲基化CpG結(jié)合蛋白，該蛋白能與轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子競(jìng)爭(zhēng)甲基化DNA結(jié)合位點(diǎn)而起作用 甲基化影響DNA與蛋白質(zhì)的相互作用 C上加5-甲基能增強(qiáng)或減弱DNA與蛋白質(zhì)之間的相互作用 能使基團(tuán)擁擠在DNA大溝內(nèi)，導(dǎo)致DNA構(gòu)象偏離標(biāo)準(zhǔn)的B型 綜上所述，DNA構(gòu)象的變化能極大程度地改變阻遏蛋白或激活蛋白的結(jié)合能力,第五節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,一. 真核與原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的異同 1. 基因組結(jié)構(gòu)的不同 2. 調(diào)節(jié)元件與數(shù)量的不同 3. 轉(zhuǎn)錄都受反式調(diào)節(jié)因子的調(diào)節(jié) 通過(guò)調(diào)節(jié)因子的生物合成 通過(guò)它們進(jìn)行構(gòu)象轉(zhuǎn)變或共價(jià)修飾 4. 染色質(zhì)改型,二. 基因基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),概述: 由核心啟動(dòng)子與通用轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后起始的轉(zhuǎn)錄過(guò)程 作用: 由它所控制的基因呈組成型表達(dá)，用以合成細(xì)胞所必需的各種成分，又稱(chēng)持家基因 機(jī)理: 依賴(lài)各種通用轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用，按照特定的時(shí)空次序組建轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，其中TBP與TATA框的結(jié)合是這一過(guò)程的開(kāi)始,三. 真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式作用元件,（一） 順?lè)醋?概述: 由染色體上突變位確定的遺傳功能單位 順式作用元件: 具有調(diào)節(jié)功能的特定DNA序列只能影響統(tǒng)一分子中的相關(guān)基因，發(fā)生在一個(gè)序列中的突變不會(huì)改變其他染色體上等位基因的表達(dá)，這樣的序列即為順式作用元件 分類(lèi): 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子與沉默子,（二） II型基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控,（三）增強(qiáng)子的作用機(jī)能,概述: 能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄效率明顯增加的DNA序列 機(jī)能 作用效率明顯，能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍 無(wú)基因?qū)Ｒ恍?，?duì)于同源或異源基因以及不同的基因組合上都有促進(jìn)轉(zhuǎn)錄作用，而且可以位于基因的不同區(qū)域 不具有方向性,4. 能遠(yuǎn)距離對(duì)啟動(dòng)子產(chǎn)生影響，即對(duì)遠(yuǎn)距離基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)起作用 5. 增強(qiáng)效應(yīng)具有組織和細(xì)胞特異性，只有在特定的蛋白質(zhì)參與下才能發(fā)揮其功能 6. 多為重復(fù)序列，一般長(zhǎng)度約為50bp，適合與某些蛋白質(zhì)因子結(jié)合 7. 增強(qiáng)子內(nèi)部一般都含有一個(gè)核心序列(G)TGGA/TA/TA/T(G),該序列是在另一個(gè)基因附近產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需 8. 受外部信號(hào)的調(diào)控 上述機(jī)能有別于上游調(diào)控元件,機(jī)制 與反式作用因子結(jié)合，引起DNA構(gòu)象變化，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)增強(qiáng)子上的各種反式作用因子間的相互作用促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝，從而激活轉(zhuǎn)錄 是一些特異蛋白質(zhì)因子的結(jié)合位點(diǎn)，能使模板DNA固定在細(xì)胞核特定機(jī)構(gòu)上，有利于DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶發(fā)揮作用 假說(shuō): 增強(qiáng)子為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)的位點(diǎn) 能改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)象,與啟動(dòng)子的異同 位置不固定 無(wú)方向性 由模塊組成的順式元件，但是更密集,（四）絕緣子與沉默子,絕緣子: 近年發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)特殊順式作用元件，不同于增強(qiáng)子，其功能為阻止激活或阻遏作用在染色質(zhì)上的傳遞，使染色質(zhì)的活性限定于結(jié)構(gòu)域之內(nèi)。 沉默子: 基因的負(fù)調(diào)控元件，與調(diào)控蛋白結(jié)合后阻斷轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成與活化，使基因表達(dá)活性被關(guān)閉,四. 感受應(yīng)答調(diào)控,真核生物通過(guò)兩種機(jī)制精確控制基因表達(dá)： * 構(gòu)成重復(fù)結(jié)構(gòu)，不同類(lèi)型的細(xì)胞有選擇地表達(dá)重復(fù)序列中特定拷貝。 * 單一拷貝基因的復(fù)合控制，調(diào)控蛋白經(jīng)內(nèi)外源信號(hào)分子激活后，大幅度提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄頻率，即感受應(yīng)答調(diào)控模型(Britten-Davidson model)。,一. 基本原理,應(yīng)答元件（Response Elements)：一個(gè)或多個(gè)，位于啟動(dòng)子或增強(qiáng)子處，或遠(yuǎn)離的上游區(qū)域內(nèi)，為具有活性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白因子識(shí)別并結(jié)合。 編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白因子的調(diào)節(jié)基因遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，在其結(jié)構(gòu)基因上游還有一個(gè)或多個(gè)感受位點(diǎn)(Sensor Site)，負(fù)責(zé)接受細(xì)胞內(nèi)外的信息傳遞。,五. 真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的相互作用,應(yīng)答元件具有與啟動(dòng)子或增強(qiáng)子上游調(diào)控元件相同的 基本特征： 短保守序列 2. 位置：轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游200bp內(nèi)的不固定位置 3. 功能：通過(guò)蛋白質(zhì)與DNA的特異性結(jié)合將可誘導(dǎo)性的轉(zhuǎn)錄 調(diào)控因子激活形式吸引至啟動(dòng)子增強(qiáng)子區(qū)域，以便其實(shí) 施正調(diào)控作用。 熱休克響應(yīng)：普遍存在于原核生物與真核生物中，當(dāng)環(huán)境溫 度升高時(shí)，關(guān)閉一些基因的表達(dá)，同時(shí)啟動(dòng)熱休克基因組的 轉(zhuǎn)錄。 原核：有-10區(qū)特征的啟動(dòng)子，其表達(dá)依賴(lài)于新 因子的 合成。 b. 真核：通用HSE保守序列，為熱休克轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子HSTE 所識(shí)別，HSTE在激活（磷酸化）后，使熱休克基因轉(zhuǎn)錄。 一個(gè)HSE與HSTE結(jié)合會(huì)促進(jìn)另外位置二者的作用。,4.轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子作用機(jī)理： a. DNA結(jié)合功能域：識(shí)別相應(yīng)的應(yīng)答元件序列并與之結(jié)合 b. 轉(zhuǎn)錄激活功能域：借助長(zhǎng)臂伸縮，作用于轉(zhuǎn)錄基本因 子，進(jìn)而激活轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。 c. 結(jié)合功能域與激活功能域無(wú)必然聯(lián)系,5. 真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的激活方式： 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子由調(diào)節(jié)基因編碼，其表達(dá)依賴(lài)于感受位點(diǎn) 與信號(hào)分子的相互作用，但合成后并不直接作用于相關(guān) 基因的應(yīng)答元件，而是經(jīng)過(guò)修飾才能具有活性。誘導(dǎo)和激 活是轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子活性產(chǎn)生的兩大要素。 同質(zhì)異型蛋白質(zhì)：組織特異性表達(dá)，只在特定類(lèi)型細(xì)胞中 合成，表達(dá)后即有調(diào)控功能，不需激活程序。廣泛存在于 真核細(xì)胞中，作為DNA結(jié)合功能域，與多種形式的轉(zhuǎn)錄 激活功能域組合形成各種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子激活方式： （1）磷酸化（熱休克轉(zhuǎn)錄因子）與去磷酸化激活 （2）配體結(jié)合激活（影響調(diào)控因子的定位、運(yùn)輸及與DNA結(jié)合） （3）抑制劑釋放激活（NF-B） （4）亞基置換激活,與轉(zhuǎn)錄模板鏈結(jié)合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的一類(lèi)蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)因子，包括激活因子和阻遏因子。它們與順式作用元件中的上游激活元件、應(yīng)答元件、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等序列特異性結(jié)合，對(duì)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄分別起促進(jìn)和阻遏作用。 結(jié)構(gòu): 通常由DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域組成，另外，還有許多轉(zhuǎn)錄因子具有二聚化結(jié)構(gòu)域，以形成同型或異型的二聚體,六. 真核生物的轉(zhuǎn)錄因子,DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 1. 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域，這類(lèi)結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn) 是它的DNA結(jié)合蛋白包含一個(gè)60個(gè)氨基酸的同 源域，該同源域是由一段稱(chēng)為同源框序列編碼 2. 鋅指結(jié)構(gòu)域: 有C2H2型和C4型兩種 a. C2H2型: 有一個(gè)12氨基酸的環(huán)，通過(guò)2個(gè)半胱氨酸和兩個(gè)組氨酸殘基固定，這四個(gè)殘基與鋅離子在空間上形成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)，這種鋅指折疊形成一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)，由兩條鏈和一個(gè)螺旋組成，后者與DNA大溝結(jié)合 b. C4型: 鋅離子與4個(gè)半胱氨酸結(jié)合。,二聚體結(jié)構(gòu)域 1. 亮氨酸拉鏈:肽鏈上每隔7個(gè)殘基就有位