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、第三章基因表達(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)非活性染色質(zhì)二、活性染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(一 )DNaseI 敏感性轉(zhuǎn)錄活性 (或有潛在轉(zhuǎn)錄活性)的染色質(zhì)對(duì)DNase I 更敏感DNase I 超敏感位點(diǎn) (DNase I HyperSensitive Sites ， DHSS)(二 )組蛋白 H3 的

2、 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（啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等）序列與核小體的相互位置關(guān)系。DNA雙螺旋的大溝DNA 調(diào)控元件(二 )、組蛋白修飾1 H1 組蛋白磷酸化促進(jìn)染色體包裝，影響轉(zhuǎn)錄活性，2核心組蛋白修飾乙?；撼０l(fā)生在組蛋白的Lys，一

3、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)mmCpG 二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因組中，基因組中約每10Kb 就有一個(gè)CpG 島CpG 二核苷酸中形成 CpG 島 (CpG islands) 人CpG 島常與基因相連(可作為尋找基因的標(biāo)記)。(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?yàn)槌掷m(xù)失

4、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(duì)所有類型組織細(xì)胞在任何時(shí)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。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)

5、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：?jiǎn)?dòng)子 (特別是核心啟動(dòng)子)轉(zhuǎn)錄模板 (轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（ +1 ） -終止點(diǎn) )RNA Pol 普通轉(zhuǎn)錄因子(GTFs)(一 )啟動(dòng)子 (promoter)與基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)有關(guān)的一組DNA 序列，一般位于RNApoII 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(dòng)子區(qū)域包括核心啟動(dòng)子和啟動(dòng)子上游近側(cè)序列：1、核心啟動(dòng)子(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TF D 的結(jié)合位點(diǎn)，TATA 盒 (TATA box)位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-

6、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(dòng)子的序列和它們之間的間隔多變2、上游啟動(dòng)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)。(二 )RNA 聚合酶負(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(gè)亞基，最大亞基的羧基末端結(jié)構(gòu)域 (CTD) 具有 7 個(gè)氨

7、基酸 (Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser -Pro-Set)的重復(fù)序列，其中有多個(gè)磷酸化位點(diǎn) CTD 磷酸化對(duì)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)1 RNA 聚合酶 II 的普通轉(zhuǎn)錄因子 (TF II)包括TFIID,TF B,TFIIF， TFIIE ， TFIIH ， TFIIA 等TFI

8、ID是由TATA 盒結(jié)合蛋白 (TATA bindingprotein， TBP) 和 8 種 TBPassociated factor， TAF) 組成的復(fù)合物，TFIID 可識(shí)別和結(jié)合核心啟動(dòng)子(TATATF B 的 C 端與 TFIID 和 DNA 的復(fù)合物結(jié)合， N-端與 TF F 協(xié)同作用募集協(xié)同因子 (TBP盒和 Inr) ；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 RNA 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(dòng)子結(jié)合2、 TAF 的作用TFII

9、D 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 -30250TAF 150 識(shí)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-regulatingelement)是指對(duì)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(gè)DNA 分子上的基因順式調(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(dòng)子 (promoter)( 二)增強(qiáng)子 (enhanc

10、er)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(dòng)子 )提高同一條鏈上的靶基因轉(zhuǎn)錄速率；2增強(qiáng)子對(duì)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(duì)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

11、特定情況下表達(dá)的調(diào)控因子識(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)反式作用因子(trans-actingfactor) 是通過識(shí)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(duì)基因表達(dá)的調(diào)控可正(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(jí)結(jié)構(gòu)的部分。通常由一個(gè)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(gè)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)

12、：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(shí)別螺旋同 源 異 形 結(jié) 構(gòu) 域 (Homeodomain ， 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(duì)組氨酸加一對(duì)半

13、胱氨酸(His2 Cys2)或 2 對(duì)半胱氨酸 (cys2cys2)與一個(gè)鋅離子形成配位鍵，這些氨基酸對(duì)之間的多膚鏈成環(huán)狀突出并折迭成指形結(jié)構(gòu)，多個(gè)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SPl、類固醇激素受體家族，抑癌蛋白WT1 等。亮氨酸拉鏈(Leucine-Zipper) 基序由一段每隔6 個(gè) a a 就有一個(gè)Leu 的伸展肽鏈組成，這些周期性出現(xiàn)的Leu 都位于 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(AP

14、l 家族 )螺旋 -環(huán) -螺旋 (Helix-loop-Helix ， HLHt) 基序由 2 個(gè) 螺旋間隔一個(gè)非螺旋的環(huán)(loop) 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(gè) 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 螺旋基序兩類轉(zhuǎn)錄因子均依靠 螺旋氨基端附近的堿性區(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

15、，一般由DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域外的常見的反式激活域有以下幾種：酸性 謹(jǐn)螺旋結(jié)構(gòu)域(acidic a-Helix domain) 如 Jun；30-100個(gè)aa 組成富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域(glutamine rich domain) 如 SPl富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域(proline-rich domain) 。(二 )反式作用因子家族同一類序列特異性轉(zhuǎn)錄因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(gè)反式作用因子家族。1 POU 家族這一家族中都有一個(gè)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

16、POU 同源異形結(jié)構(gòu)域(POUH）POU 結(jié)構(gòu)域是 Pit1， octl oct2 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(gè) Cys2 Cys2 型鋅指基序， (分別由 2 個(gè)外顯子編碼 )，可識(shí)別 DNA 上的激素應(yīng)答元件(HRE ： Hormone responsive elements)3、 NF- B

17、 家族包括 RelA(P65) ， P60， RelB， C-Rel ， P50 五種主要是胞質(zhì)中 P50 RelA I B 抑制蛋白 (失活狀態(tài) )釋放 I轉(zhuǎn)錄。P50 RelA 異二聚體B 而被激活易位至核內(nèi)激活第三節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工在細(xì)胞核內(nèi)對(duì)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為一個(gè)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

18、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(duì)mRNA 前體的剪接是必需的（二 )3-端接多聚腺苷 (poly(A)在 mRNA 前體 3端接上一個(gè)約200 250 個(gè)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)

19、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(gè)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 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(gè)套索狀中間體（ lariat intermediate)，結(jié)果使 2 個(gè)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 300 堿基 ) 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 mRN

20、A 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：apoB 的編輯： C 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(gè)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(dòng)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(gè)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