基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)DNA→mRNA→蛋白質(zhì)的遺傳信息

1、ATy *第三章基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)：DNA f mRNA宀蛋白質(zhì)的遺傳信息傳遞過程基因表達(dá)的調(diào)控第一節(jié) 基因的活化基因的“開關(guān)” -染色質(zhì)的活化一、活性染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)間期核染色質(zhì)：異染色質(zhì) （heterochromatin） ，高度壓縮 （不轉(zhuǎn)錄 ）； 常染色質(zhì) （euchromatin） ，較為松散， 常染色質(zhì)中約 10%為活性染色質(zhì) （更開放疏松 ）?；钚匀旧|(zhì)f非活性染色質(zhì)二、活性染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）DNasel敏感性轉(zhuǎn)錄活性 （或有潛在轉(zhuǎn)錄活性 ）的染色質(zhì)對 DNase I 更敏感DNase l 超敏感位點(diǎn) （DNase l HyperSensitive Sites ， DHSS）

2、（二）組蛋白 H3 的 CyS110 上巰基暴露，三、活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成（一 ）、核小體位相 （Phased positioning）1核小體的旋轉(zhuǎn)定位 （rotational positioning） 指核小體核心與 DNA 雙螺旋在空間結(jié)構(gòu)中的相互關(guān)系，主要包括 DNA 雙螺旋的大溝 是面向還是背向核心結(jié)構(gòu) 2核小體的平移定位 （translational positioning） 指核小體與特定 DNA 序列的結(jié)合位置和方式，特別是轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)的 DNA 調(diào)控元件 （啟動子、增強(qiáng)子等）序列與核小體的相互位置關(guān)系。（二）、組蛋白修飾1H1 組蛋白磷酸化促進(jìn)染色體包裝，影響轉(zhuǎn)錄活性，2核心

3、組蛋白修飾 乙?；撼０l(fā)生在組蛋白的Lys，一般活性染色質(zhì)是高度乙?；?。（三）HMG蛋白結(jié)合HMG （ high mobility group） 蛋白高遷移率蛋白 , 如 HMG14/HMG17. 與核小體核心顆粒結(jié)合，有利轉(zhuǎn)錄。四、DNA 甲基化與基因表達(dá) （一）、真核生物基因組 DNA 的甲基化 （Methylation）哺乳動物基因組中 5%的C為甲基化（m C），mC主要存在于CpG二核苷酸中.CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因組中，形成CpG島（CpG islands）.人基因組中約每 10Kb 就有一個 CpG 島CpG 島常與基因相連 （可作為尋找基因的標(biāo)記 ）。

4、（二）DNA甲基化的轉(zhuǎn)錄抑制作用?；虮磉_(dá)與甲基化呈負(fù)相關(guān)基因甲基化狀態(tài)：1、高度甲基化： 基因為持續(xù)失活 (如女性的一條 X 染色體；2、誘導(dǎo)去甲基化：如組織或發(fā)育階段特異性表達(dá)基因；3、持續(xù)低水平甲基化：具有轉(zhuǎn)錄活性(如持家基因 )。持家基因 (housekeeping gene)： 是指對所有類型組織細(xì)胞在任何時候都需要其表達(dá)的基 因，通常都是維持細(xì)胞基本生存所必須的基因， 其表達(dá)常保持在固定的水平。 又稱為組成性 基因 (Constitutive gene) 。(三) 甲基化與基因組印跡基因組印跡 (genomic imprinting) ：指基因表達(dá)活性只局限于來自雙親之一的基因版本

5、。 被印跡 (imprinted) 的基因基因組印跡的機(jī)制 -DNA 高度甲基化 基因組印記與腫瘤第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控中最重要的環(huán)節(jié)。一、真核基因轉(zhuǎn)錄基本條件： 特異性基因轉(zhuǎn)錄的基本條件包括： 啟動子 (特別是核心啟動子 ) 轉(zhuǎn)錄模板 (轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)( +1 ) -終止點(diǎn) ) RNA Pol n 普通轉(zhuǎn)錄因子 (GTFs) (一 )啟動子 (promoter)與基因轉(zhuǎn)錄啟動有關(guān)的一組 DNA 序列，一般位于 RNA poII 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游 100-200bp 以內(nèi)，其功能是決定轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)和調(diào)控轉(zhuǎn)錄頻率啟動子區(qū)域包括核心啟動子和啟動子上游近側(cè)序列：1、核心啟動子

6、 (core promoter) 是決定轉(zhuǎn)錄起始位置的關(guān)鍵序列，也是普通轉(zhuǎn)錄因子 TFn D 的結(jié)合位點(diǎn)， TATA盒(TATA box) 位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游 -25-30bp . 起始子 (initiator ，Inr) Inr 是與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)重疊的短的較保守序列注：不是所有基因都含有 TATA盒或Inr序列.有的只有其中之一，有的兩者都無.這些核心啟動子的序列和它們之間的間隔多變2、上游啟動子元件 (Upstream Promoter element， UPE)位于較上游(-30 一-110bp),能較強(qiáng)影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率，如CAAT盒和GC盒.其中GC盒是轉(zhuǎn)錄因子 SPl 的結(jié)合位點(diǎn)。

7、(二) RNA聚合酶n負(fù)責(zé)真核生物蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄 (產(chǎn)物 mRNA) ，有 7-10 個亞基，最大亞基的羧基末 端結(jié)構(gòu)域(CTD)具有7個氨基酸(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser -Pro-Set)的重復(fù)序列，其中有多個磷酸 化位點(diǎn) CTD 磷酸化對調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄有重要作用(三) 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子 (basal transcription factor)真核基因轉(zhuǎn)錄除 RNA 聚合酶外還需要許多蛋白因子轉(zhuǎn)錄因子參加，其中一些轉(zhuǎn)錄因子 是RNA聚合酶n轉(zhuǎn)錄起始必需的，并且可以維持基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄，因此稱為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子 或普通轉(zhuǎn)錄因子 (general transcription factor)

8、1RNA 聚合酶 II 的普通轉(zhuǎn)錄因子 (TF II)包括 TFIID,TF II B,TFIIF , TFIIE , TFIIH , TFIIA 等.TFIID 是由 TATA 盒結(jié)合蛋白（TATA binding protein, TBP）和 8 種 TBP 協(xié)同因子（TBP associated factor, TAF）組成的復(fù)合物，TFIID可識別和結(jié)合核心啟動子 （TATA盒和Inr）;TF I B的C端與TFIID和DNA的復(fù)合物結(jié)合，N-端與TF I F協(xié)同作用募集 RNA聚合酶 II ，再加上 TFIIE,TFIIH 形成完整的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物.TFIIH 有蛋白激酶活性，可使 RN

9、A Pol 最大亞基 CTD 磷酸化，使轉(zhuǎn)錄起始過渡到轉(zhuǎn)錄延 伸.TFIIA 有助于 TFIID 與 TATA 盒核心啟動子結(jié)合.2、TAF 的作用TFIID中包括至少 8種TBP協(xié)同因子，分子量為 30 250kD,分別命名為 TAF I -30250. TAF I 150識別起始子（1nr）序列.TAF 是基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的輔助因子，它的作用是通過與多種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（激活物或阻遏物） 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域結(jié)合，而介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活或抑制。二、基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件順式調(diào)控元件（cis-regulating element）是指對基因表達(dá)有調(diào)控活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處于一個 DNA 分子

10、上的基因.順式調(diào)控元件中的短核心序列：共有序列或一致序列（consensus sequence）。（ 一）啟動子 （promoter）（二）增強(qiáng)子 （enhancer） 能顯著提高基因轉(zhuǎn)錄效率的一類順式調(diào)控元件（其核心序列常為8-12bp）.增強(qiáng)子的作用特點(diǎn)：1. 能 （通過啟動子 ）提高同一條鏈上的靶基因轉(zhuǎn)錄速率；2. 增強(qiáng)子對同源基因或異源基因同樣有效；3. 增強(qiáng)子的位置可在基因5'-上游、基因內(nèi)或 3'下游序列中；4. 自身沒有 5'-或 3'-方向性；5. 增強(qiáng)子可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（最多 30Kb）；6. 增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性.（三）負(fù)調(diào)控元件沉

11、寂子負(fù)調(diào)控元件是能抑制基因表達(dá)的序列.如沉寂子 （silencer）（四）其它順式調(diào)控元件1 .應(yīng)答元件 （responsive elements） 真核細(xì)胞中對某些特定的環(huán)境作出應(yīng)答的基因，常具有相同的順式元件應(yīng)答元件. 應(yīng)答元件能被在一些特定情況下表達(dá)的調(diào)控因子識別（又稱為可誘導(dǎo)的順式調(diào)控元件反式作用因子 ）。2. 轉(zhuǎn)座元件對基因表達(dá)的調(diào)控，。三、基因轉(zhuǎn)錄的反式作用因子轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要是通過與多種DNA 元件結(jié)合的蛋白因子來實現(xiàn).反式作用因子（trans-acting factor）是通過識別和結(jié)合順式調(diào)控元件的核心序列而調(diào)控靶基 因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì).反式作用因子對基因表達(dá)的調(diào)控可正

12、（激話）可負(fù)（阻遏 ）.（ 一 ） 反式作用因子的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)域（domain）是指蛋白質(zhì)中可以具有獨(dú)立的超二級結(jié)構(gòu)的部分。通常由一個基因外顯子編碼，并可具有特定的功能。在較大的蛋白質(zhì)中，多個結(jié)構(gòu)域間可通過較短的多肽柔性區(qū)互相聯(lián)接.基序 (motif) ：一般指構(gòu)成任何一種特征序列的基本結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)域中的亞單元，其功能 是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)域的多種生物學(xué)作用1反式作用因子的 DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (DNA binding domain) 中的幾種常見基序：螺旋 /轉(zhuǎn)角 /螺旋( Helix-turn-helix,HTH )基序 兩段螺旋被一短的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)分開，其中一段螺旋為 DNA 識別螺旋同源異形結(jié)構(gòu)域(H

13、omeodomain ,由同源異形盒編碼)中含有HTH 基序。具有 Homeodomain 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白在胚胎發(fā)育和正常細(xì)胞分化的基因表達(dá)調(diào)節(jié)中有重要作用。鋅指 (Zinc finger) 基序由肽鏈的保守序列中的一對組氨酸加一對半胱氨酸(His2 / Cys2)或2對半胱氨酸(cys2/cys2)與一個鋅離子形成配位鍵，這些氨基酸對之間的多膚鏈成環(huán)狀突出并折迭成指形結(jié)構(gòu)， 多個指結(jié)構(gòu)常串聯(lián)重復(fù)。鋅指族轉(zhuǎn)錄因子以二聚體形式同 DNA 上的順式調(diào)控元件結(jié)合。含鋅指基序的轉(zhuǎn)錄因子：與GC盒結(jié)合的SPI、類固醇激素受體家族，抑癌蛋白WT1等。 亮氨酸拉鏈 (Leucine-Zipper) 基序由一

14、段每隔6個a a就有一個Leu的伸展肽鏈組成，這些周期性出現(xiàn)的Leu都位于a螺旋的同側(cè)面，因此兩條均含 Leu 拉鏈基序的蛋白質(zhì)通過亮氨酸側(cè)鏈的相互作用形成 二聚體。具有亮氨酸拉鏈基序的轉(zhuǎn)錄因子：原癌基因 C-Jun/C-fos(API 家族) 螺旋 -環(huán) -螺旋 (HeIix-Ioop-HeIix ， HLHt) 基序由 2 個 a 螺旋間隔一個非螺旋的環(huán) (Ioop) 組成 如原癌基因產(chǎn)物 C-myc 及其結(jié)合蛋白 Max含HLH和Leu-拉鏈基序的轉(zhuǎn)錄因子的相似性： 均至少含有一個a 螺旋，其中都有一側(cè)親水面和一側(cè)疏水面，因此這兩種基序又稱為兩親 a 螺旋基序 兩類轉(zhuǎn)錄因子均依靠a螺旋氨

15、基端附近的堿性區(qū)(帶正電荷 aa區(qū))與DNA結(jié)合，因此又分別稱為 bzip和bHLH(b=basic,堿性) 兩類轉(zhuǎn)錄因子活性都依賴于二聚體化2、反式激活結(jié)構(gòu)域 (Transactivation domain) 是反式作用因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域，一般由DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域外的30-100個aa組成.常見的反式激活域有以下幾種： 酸性 a 謹(jǐn)螺旋結(jié)構(gòu)域 (acidic a-HeIix domain) 如 Jun； 富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域 (gIutamine rich domain) 如 SPI 富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域 (proIine-rich domain) 。(二)反式作用因子家族同一類序列特異性轉(zhuǎn)錄因

16、子一般由基因家族編碼， 它們的蛋白結(jié)構(gòu)同源， 并結(jié)合特異的 順式調(diào)控元件，這些蛋白組成一個反式作用因子家族。1 POU 家族 這一家族中都有一個獨(dú)特的 DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域 -POIJ 結(jié)構(gòu)域POU 結(jié)構(gòu)域包括：N 端 POU 特異結(jié)構(gòu)域 (POUs)+C 端 POU 同源異形結(jié)構(gòu)域 (POUH)POU 結(jié)構(gòu)域是 Pit1， octIoct2 和 unc86 等反式作用因子共有的保守區(qū)，因此這類蛋白統(tǒng) 稱為 POU 結(jié)構(gòu)域蛋白。2、類固醇激素受體家族包括：糖皮質(zhì)激素受體(GR),性激素受體(ER/ AR)，甲狀素激素受體(TR)，維甲酸受體(RAR) , VitD3 受體(VD3R).這些受體位

17、于胞質(zhì)或核內(nèi)，通過激活基因轉(zhuǎn)錄起作用這些受體的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域都含有2個Cys2/Cys2型鋅指基序，(分別由2個外顯子編碼),可識別DNA上的激素應(yīng)答元 件(HRE : Hormone responsive elements)3、NF- k B 家族包括 RelA(P65) , P60, RelB , C-Rel, P50 五種.主要是 P50/ RelA 異二聚體.胞質(zhì)中P50/ RelA I k B抑制蛋白(失活狀態(tài))t釋放I k B而被激活宀易位至核內(nèi)宀激活 轉(zhuǎn)錄。第三節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工在細(xì)胞核內(nèi)對基因產(chǎn)物 (mRNA 前體)進(jìn)行各種修飾、 剪接和編輯， 使編碼蛋白質(zhì)的外顯 子部分連接成

18、為一個連續(xù)的開放讀框(open reading frame, ORF)的過程稱為轉(zhuǎn)錄后加工.一、mRNA 前體加工的分子機(jī)制 -核內(nèi) mRNA 前體異質(zhì)性核 RNA(heterogeneous nuclear RNA , hnRNA) ,hnRNA 與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核異質(zhì)性核糖核蛋白 (hnRNP), mRNA 前體的加工在 hnRNP 上 進(jìn)行.(一)5'-端加帽 (capping)mRNA 前體的 5'-端加甲基化鳥苷 (m7pppN)5'端 m7G 帽子結(jié)構(gòu)的作用：1. 使 mRNA 更穩(wěn)定2. 增加蛋白質(zhì)合成的效率3. 帽子結(jié)構(gòu)對 mRNA 前體的剪接是必需的

19、(二 )3'-端接多聚腺苷 (poly(A)在 mRNA 前體 3'端接上一個約 200250 個腺嘌呤核苷酸 (A) 的尾巴。poly(A) 尾巴的作用：1. 有利于 mRNA 通過核孔；2. 參與穩(wěn)定 mRNA ；3. 增強(qiáng)翻譯效率。 (三 )mRNA 前體的剪接剪接 (sp!icing) 剪除內(nèi)含子,并將外顯子連接1. 真核內(nèi)含子的序列特征：真核內(nèi)含子總是由 Gu 開始,以 AG 結(jié)束,內(nèi)含子的 5'-端剪接點(diǎn) (供位)和 3'-端剪接點(diǎn) (受位),以及內(nèi)含子中的一個內(nèi)部序列分支 點(diǎn)(branch site)是mRNA前體正確剪接所必需的。2. mRNA

20、前體的剪接機(jī)制-剪接過程由二步連續(xù)的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)組成.該過程中產(chǎn)生一個套索狀中間體(lariatin termediate)，結(jié)果使2個原先被分隔的外顯子連接。3. 剪接體 (spliceosome)細(xì)胞核內(nèi)的小分子 RNA( 一般w 300堿基)一SnRNA (small nuclear RNA)，包括 U1 U6 等。 snRNA 與特異的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物 -SnRNP. mRNA 前體與 snRNP 形成的復(fù)合物剪 接體. mRNA 前體的剪接通過剪接體進(jìn)行。U2, U6, U4/U6 SnRNP 等是活性剪接體的主要成份.(四) RNA 編輯(RNA editing)是一種與 mRNA 剪

21、接不同的加工方式，指 mRNA 在轉(zhuǎn)錄后因插入、缺失或核苷酸的替 換，改變了 DNA 模板來源的遺傳信息，從而翻譯出氨基酸序列不同的多種蛋白質(zhì)，RNA編輯的例子：apo B的編輯：U替換。二、內(nèi)含子的選擇性剪接選擇性剪接 (alternative splicing) ：在 mRNA 前體的剪接過程中，參加剪接的外顯子可 以不按其線性次序剪接， 內(nèi)含子也可以不被切除而保留， 即一個外顯子或內(nèi)含子是否出現(xiàn)在 成熟 mRNA 中是可以選擇的，這種剪接方式稱為選擇性剪接。此外，不同的啟動子或不同 的 poly(A) 加尾位點(diǎn)的選擇，也可看作選擇性剪接選擇性剪接的主要方式。由來自一個基因的 mRNA前體因選擇性剪接而產(chǎn)生多種mRNA，并翻譯出的不同蛋白質(zhì)，稱為同源異構(gòu)體 (isoform) >5%的人基因可在不同的組織或生理狀態(tài)下，通過選擇性剪接產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)異構(gòu) 體