真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控.ppt

第七章 真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控,第一節(jié) 真核生物表達(dá)調(diào)控特點(diǎn),真核生物基因的表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)遠(yuǎn)比原核生物復(fù)雜,真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所決定基因表達(dá)調(diào)控上的巨大差別。 原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個(gè)特定的環(huán)境中為細(xì)胞創(chuàng)造高速生長(zhǎng)的條件，或使細(xì)胞在受到損傷時(shí)，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達(dá)的開關(guān)經(jīng)常是通過(guò)控制轉(zhuǎn)錄的起始來(lái)調(diào)節(jié)的。 真核生物（除酵母、藻類和原生動(dòng)物等單細(xì)胞類之外）主要由多細(xì)胞組成，每個(gè)真核細(xì)胞所攜帶的基因數(shù)量及總基因組中蘊(yùn)藏的遺傳信息量都大大高于原核生物。人類細(xì)胞單倍體基因組就包含有3109bp總DNA，約為大腸桿菌總DNA的1000倍，是噬菌體總DNA的10萬(wàn)倍左右！,真核基因表達(dá)調(diào)控的最顯著特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定“的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。,真核生物基因調(diào)控，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：,第一類是瞬時(shí)調(diào)控或稱可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)，包括某種底物或激素水平升降及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。 第二類是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育的全部進(jìn)程。,真核生物與原核生物的調(diào)控差異,一、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn) 與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)： (一)真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多 基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個(gè)過(guò)程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。,(二)真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān) 。 真核基因組DNA絕大部分都在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中DNA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象： 1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄 染色體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 由DNA、組蛋白、非組蛋白等大分子組成; DNA順序重復(fù);基因不連續(xù)性,真核生物基因的不連續(xù)性和轉(zhuǎn)錄后加工是真核基因有別于原核基因的又一重要特征。,2、存在許多基因家族(gene family),來(lái)源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因組成單一的基因簇或稱基因家族。 同一家族中的成員有時(shí)緊密地排列在一起，成為一個(gè)基因簇；更多的時(shí)候，它們卻分散在同一染色體的不同部位，甚至位于不同的染色體上，具有各自不同的表達(dá)調(diào)控模式。,3、組蛋白的作用：,組蛋白與DNA結(jié)合阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋白基因又能夠轉(zhuǎn)錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質(zhì)中的非組蛋白成分具有組織細(xì)胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉(zhuǎn)錄作用。,4.轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。 5.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦缸饔妹舾卸仍黾?。活躍進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNase 消化常出現(xiàn)100200bp的DNA片段，且長(zhǎng)短不均一，說(shuō)明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對(duì)DNase 高敏感點(diǎn)(hypersensitive site)。 這種高敏感點(diǎn)常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5側(cè)區(qū)、3末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白 結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。 ,6. DNA堿基修飾變化： 真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶(5methylcytidine,m5C)，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5側(cè)區(qū)的CG序列中 實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見(jiàn)DNA的甲基化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控是重要的。 由此可見(jiàn)，染色質(zhì)中的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個(gè)被激活的過(guò)程，但目前對(duì)激活機(jī)制還缺乏認(rèn)識(shí)。,(三)真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主： 真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低，基本上不依靠自身來(lái)起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。 真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負(fù)性調(diào)控元件，但其存在并不普遍； 真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數(shù)真核基因在沒(méi)有調(diào)控蛋白作用時(shí)是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達(dá)時(shí)就要有激活的蛋白質(zhì)來(lái)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。因此，真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主導(dǎo)。,三、真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶(、和)中，只有RNA聚合酶能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 (一)順式作用元件(cis acting elements) 真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)控作用的順式作用元件，包括啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負(fù)性調(diào)控作用的元件靜止子(silencer) ,1.啟動(dòng)子 與原核啟動(dòng)子的含義相同，是指RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。 但真核啟動(dòng)子間不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠RNA聚合酶難以結(jié)合DNA而起動(dòng)轉(zhuǎn)錄，而是需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所需的蛋白因子也不完全相同，因而不同啟動(dòng)子序列也很不相同，要比原核更復(fù)雜、序列也更長(zhǎng)。 真核啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游約100200bp序列，包含有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件約長(zhǎng)730bp。最常見(jiàn)的哺乳類RNA聚合酶啟動(dòng)子中的元件序列見(jiàn)下表。,哺乳類RNA聚合酶啟動(dòng)子中的元件序列,啟動(dòng)子中的元件可以分為兩種： 核心啟動(dòng)子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游25/30bp處的TATA盒。核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。,上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element) 包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件。這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。 不同基因具有不同的上游啟動(dòng)子元件，其位置也不相同，這使得不同的基因表達(dá)分別有不同的調(diào)控。,2.增強(qiáng)子 是一種能夠提高轉(zhuǎn)