第九章-真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控

第九章 真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控教學(xué)要點(diǎn)：名詞： 持家基因和奢侈基因 靜止子 順式作用元件 反式作用因子 雙內(nèi)含子 UA序列理解真核基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性掌握真核基因在染色體水平上的活化調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)增強(qiáng)子在結(jié)構(gòu)和功能上的特點(diǎn) 掌握真核生物RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其相關(guān)啟動(dòng)子的各組分的功能。掌握RNA編輯的機(jī)制 授課時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)真核生物基因表達(dá)調(diào)控：n 基因表達(dá)水平n 染色質(zhì)水平n 轉(zhuǎn)錄水平（主要調(diào)控）n 轉(zhuǎn)錄后加工水平n 翻譯水平n 翻譯后水平 第一節(jié) 真核生物中基因表達(dá)水平的分析一、真核生物：受精卵不同生物功能的分化細(xì)胞二、分化細(xì)胞：維持其正常結(jié)構(gòu)和新陳代謝等生命活動(dòng)；行使其特定的功能。盡管各種生物的細(xì)胞中都有該種生物的一整套基因，然而不同種類的細(xì)胞中處于工作狀態(tài)的基因種類卻不盡相同。三、cDNA-mRNA 雜交： 所以某種mRNA 在群體中頻率越高，相應(yīng)的cDNA 的頻率越高，cDNA 與過量mRNA 越容易形成雜合雙鏈。 當(dāng)少量單鏈DNA 與大量RNA 雜交時(shí)，所有能與RNA 互補(bǔ)的DNA 都會(huì)形成RNA-DNA 雜合分子。 第二節(jié)染色質(zhì)水平上的基因活化調(diào)節(jié)一、染色質(zhì)的疏松及活性染色質(zhì)特征 1.染色質(zhì)纖維解旋局部膨大染色體泡 2.染色質(zhì)的模板容量 一定量的染色質(zhì)所能合成的RNA的量 3.常染色質(zhì)與異染色質(zhì)二、轉(zhuǎn)錄基因與核小體結(jié)構(gòu) 核小體相位：指同一類型的所有細(xì)胞中，組蛋白八聚體在DNA序列上的特殊定位。 改變調(diào)控元件的位置：啟動(dòng)子、增強(qiáng)子三 蛋白質(zhì)的修飾與基因活化調(diào)節(jié) （一）組蛋白的調(diào)控 1、組蛋白含量增加DNA模板容量降低 Hi：不影響H2A、H2B、H3、H4：影響模板容量，阻止DNA鏈上RNA鏈的延長 2、組蛋白修飾：核小體組蛋白上的某些氨基酸被共價(jià)修飾的現(xiàn)象l 主要：乙酰基化、甲基化、磷脂化、泛素化l 共性：組蛋白正電荷減少、堿性降低、松弛與DNA的結(jié)合、活化染色質(zhì)、便于轉(zhuǎn)錄、調(diào)控（二）非組蛋白在基因表達(dá)中的作用調(diào)節(jié)基因表達(dá) 細(xì)胞分化：特異DNA序列上組蛋白與非組蛋白相互作用形成不同抑制區(qū)的結(jié)果。（三）高遷移率群蛋白質(zhì)（high-mobility group protein，HMG蛋白） HMG蛋白：一組較豐富而不均一、富含電荷的非組蛋白。相對分子量一般3.0104，在聚丙烯酰胺電泳中遷移率很高而被命名。 四、DNA的甲基化和去甲基化與基因活性的關(guān)系DNA修飾：真核生物主要甲基化、去甲基化。 全甲基化：CG二核苷酸對的2 C甲基化 半甲基化：GC二核苷酸對的1 C甲基化 高度甲基化序列無活性的標(biāo)志 甲基化不足活性序列五、基因丟失、重排、擴(kuò)增與基因活性的調(diào)節(jié)（1）基因丟失：多見于體細(xì)胞，消除基因活性 細(xì)胞全能性：高等生物中很多生物的不同類型的細(xì)胞常有發(fā)育成完整個(gè)體的潛在能力，即具有個(gè)體發(fā)育所必需的全部基因。（2）基因擴(kuò)增：細(xì)胞中特定基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。（3）基因重排真核生物基因組中的DNA序列可發(fā)生重排，這種重排是由特定基因組的遺傳信息所決定的，是有些基因調(diào)控的重要機(jī)制。 （4）融合基因現(xiàn)象：把多個(gè)基因序列融合成一個(gè)基因進(jìn)行表達(dá)，由此產(chǎn)生所謂多功能的“多聚蛋白質(zhì)”。第三節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、真核生物的RNA聚合酶真核細(xì)胞中有3種RNA聚合酶，即RNA聚合酶、RNA聚合酶和RNA聚合酶，分別分布于核內(nèi)的不同區(qū)域。聚合酶研究得比較廣泛和深入。RNA聚合酶中最大的亞基相當(dāng)于細(xì)菌RNA聚合酶的亞基。其羧基末端有多磷酸化位點(diǎn)的 7肽重復(fù)序列，或稱羧基末端結(jié)構(gòu)域（CTD）。7肽序列是Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser，為RNA聚合酶所獨(dú)有。這個(gè)序列的重復(fù)次數(shù)很重要，若缺失數(shù)目達(dá)一半以上，則對細(xì)胞有致死效應(yīng)。CTD中的絲氨酸和蘇氨酸殘基可高度磷酸化。二、真核基因的順式作用元件順式作用元件：指 DNA上對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的某些特定的調(diào)控序列，其活性僅影響與其自身處于同一DNA分子上的基因。（一）啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)和功能 真核細(xì)胞中有3種RNA聚合酶，相對應(yīng)的也有3類啟動(dòng)子，其中RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因，其啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有關(guān)的研究較為廣泛深入。在這一部分中將以RNA聚合酶的啟動(dòng)子為重點(diǎn)進(jìn)行討論。1 TATA框與起始因子 2. CAAT框在決定啟動(dòng)子的起始頻率方面有著重要的作用。3GC框 （二）增強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)和功能 1.結(jié)構(gòu)：2.功能：對轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)作用。3.增強(qiáng)子的特性： （三）靜止子1.概念：類似增強(qiáng)子但起負(fù)調(diào)控作用的順式元件。2.功能：靜止子被它相應(yīng)的反式因子結(jié)合后，可以使正調(diào)控系統(tǒng)失去作用。靜止子這類負(fù)調(diào)控原件可以不受距離和方向的限制，并且能對異源基因的表達(dá)起作用，其機(jī)理目前仍不清楚。三、轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄起始因子與起始復(fù)合物的裝置 （二）轉(zhuǎn)錄起始中轉(zhuǎn)錄因子的作用機(jī)制 四、調(diào)控轉(zhuǎn)錄的反式作用因子（一）反式作用因子的結(jié)構(gòu)特征 一般都具有不同功能的結(jié)構(gòu)域（domain），這些結(jié)構(gòu)域又各有其自身的結(jié)構(gòu)特征。反式作用因子的基本結(jié)構(gòu)中有3個(gè)主要的功能結(jié)構(gòu)域：1DNA識別或DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域2激活基因轉(zhuǎn)錄的功能結(jié)構(gòu)域 3結(jié)合其他因子或調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域 （二）序列特異性DNA結(jié)合蛋白的幾種結(jié)構(gòu)域的模式1螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)2鋅指結(jié)構(gòu) 3亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)4螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu) 五、真核基因表達(dá)的激素調(diào)節(jié)（一）甾體激素受體的結(jié)構(gòu)和功能 （二）受體與DNA的相互作用 六、Britten-Davidson模型（一）Britten-Davidson調(diào)節(jié)模型：結(jié)構(gòu)基因在該模型中稱為生產(chǎn)基因（produce gene，P）的 5端存在著一段序列稱為受體位點(diǎn)，它可被某種激活因子（activator，A）所激活；整合基因（integrator gene，）是產(chǎn)生激活物的基因；感受位點(diǎn)（sensor site，S）負(fù)責(zé)接受生物體對基因表達(dá)的調(diào)控信號，如在氨基酸饑餓、激素水平等條件影響下能誘導(dǎo)整合基因合成激活物，而激活物的合成又受感受位點(diǎn)的控制。（二）重復(fù)序列在協(xié)同調(diào)控中的作用 第四節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控一、RNA前體的加工tRNA前體的加工rRNA前體的加工mRNA前體的一般加工二、真核基因中的內(nèi)含子（一）類內(nèi)含子 （二）類內(nèi)含子 （三）類內(nèi)含子 三、內(nèi)含子的剪接（一）自我剪接 型內(nèi)含子型內(nèi)含子（二）核前體mRNA的剪接 1剪接反應(yīng) 2剪接體（spliceosome）3.剪接體的組裝步驟（三）tRNA前體中內(nèi)含子的剪接四、交替剪接1.概念： 2.交替剪接的基本方式大抵可分為3大類：第一類：不同5端型。第二種：不同3末端型第三種：包含原初轉(zhuǎn)錄物相同情況下產(chǎn)生的不同剪接方式3.影響交替剪接的因素：l mRNA前體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀況l 反式作用因子的影響：snRNA、snRNP蛋白質(zhì)等的活性和含量。五、RNA編輯RNA編輯（RNA edition）是一種較為獨(dú)特的遺傳信息的加工方式，即轉(zhuǎn)錄后的mRNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基插入、刪除或轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，是在RNA分子上的一種修飾。（一）RNA編碼的類型：堿基的插入或刪除堿基的插入核苷酸的替換（二）RNA編輯的可能機(jī)制 （三）RNA編輯的意義第五節(jié) 真核基因翻譯水平的調(diào)控翻譯調(diào)控中，最為重要的幾個(gè)方面是：mRNA自身的穩(wěn)定性，翻譯起始的調(diào)節(jié)，參與翻譯的相關(guān)因子中起始因子的作用以及真核mRNA的結(jié)構(gòu)等。一、mRNA的穩(wěn)定性二、真核生物蛋白質(zhì)合成的起始反應(yīng)及其調(diào)控（一）蛋白質(zhì)生物合成的起始反應(yīng)蛋肽鏈的起始：最重要，翻譯水平調(diào)控的主要時(shí)期肽鏈的延伸肽鏈的終止：。（二）蛋白質(zhì)生物合成起始反應(yīng)的機(jī)制1掃描模型（scanning model）2內(nèi)部起始機(jī)制（internal initiation） （三）mRNA5端“帽”結(jié)構(gòu)的識別機(jī)制1“帽”結(jié)構(gòu)的功能2“帽”結(jié)合蛋白的性質(zhì)與功能：識別mRNA上的“帽”，促使起始復(fù)合物形成，可能還具有依賴ATP對mRNA5先導(dǎo)序列的二級結(jié)構(gòu)解旋的功能。n CBP：起始因子eIF-4E，其相對分子質(zhì)量約2.4104，是對“帽”專一性作用的小蛋白質(zhì)，它促進(jìn)有“帽”mRNA的翻譯，但對無“帽”的mRNA無效。n CBP：（eIF-4F），由3種多肽成分組成，相對分子質(zhì)量分別為24、50、220103。三、翻譯因子的磷酸化與蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)的調(diào)控（一）eIF-2磷酸化對起始反應(yīng)的調(diào)節(jié) （二）eIF-4F磷酸化對翻譯作用的激活 四、mRNA非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)與翻譯調(diào)控（一）5非翻譯區(qū)參與調(diào)控翻譯的起始作用 在提出翻譯起始的掃描模型之后，1990年Kozak又指出mRNA分子的5非翻譯區(qū)（5untranslated region，UTR）以及AUG附近的結(jié)構(gòu)特征也與翻譯起始作用的調(diào)控密切相關(guān)。1 mRNA5“帽”m7PPPN結(jié)構(gòu) 不僅有利于mRNA由細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)和增加其穩(wěn)定性，而且5“帽”和3的多A尾對mRNA有效翻譯的調(diào)節(jié)有協(xié)同作用。2起始密碼AUG的位置及其旁側(cè)序列 3起始密碼子AUG所在的先導(dǎo)序列的長度對翻譯起始的影響影響起始效率和翻譯起始的準(zhǔn)確性。45UTR二級結(jié)構(gòu) 阻止核糖體40S亞基的遷移，對翻譯起始有順式抑制作用，作用的強(qiáng)弱則取決于發(fā)夾結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其在5UTR中的位置。（二）3UTR結(jié)構(gòu)對翻譯的調(diào)控 1終