真核生物基因表達調(diào)控

1、關(guān)于真核生物基因表達調(diào)控第一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 真核生物的基因表達調(diào)控第二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月真核基因表達調(diào)控的最顯著特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過程，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。原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個特定的環(huán)境中為細胞創(chuàng)造高速生長的條件，或使細胞在受到損傷時，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達的開關(guān)經(jīng)常是通過控制轉(zhuǎn)錄的起始來調(diào)節(jié)的。 第三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原

2、核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(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，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控真核生物基因表達調(diào)控的種類：第四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 真核生物的基因表達調(diào)控一、染色體與DNA水平的調(diào)控二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控四、翻譯水平的調(diào)控五、翻譯后水平的調(diào)控六、發(fā)育調(diào)控第五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一、染色體

3、與DNA水平的調(diào)控（一）、真核生物色質(zhì)結(jié)構(gòu)第六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 真核細胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的DNA，因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵。第七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）染色質(zhì)的重塑原核生物的基因組是裸露的，其RNA聚合酶可直接識別啟動子，起始轉(zhuǎn)錄。而真核生物的基因組和組蛋白結(jié)合壓縮形成復(fù)雜的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。對真核生物的RNA聚合酶來說，和啟動子的結(jié)合受染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的限制。只有解除對轉(zhuǎn)錄模板的限制才能啟動基因的表達。染色質(zhì)中相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)改

4、變，使轉(zhuǎn)錄活化的過程被稱為染色質(zhì)的重塑（chromatin remodeling）。染色質(zhì)重塑導(dǎo)致核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶得以接近并結(jié)合啟動子，使轉(zhuǎn)錄發(fā)生。第九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月用核酸酶處理染色質(zhì)，再進行凝膠電泳顯示，具有轉(zhuǎn)錄活性的基因和不具有轉(zhuǎn)錄活性的基因都出現(xiàn)200bp的條帶，說明兩者都具有核小體結(jié)構(gòu)，因此認為轉(zhuǎn)錄的過程中需要核小體的移位，即RNA聚合酶結(jié)合部位的核小體需要暫時移開，等待RNA聚合酶作用后再重新組裝。實驗發(fā)現(xiàn)，純化的DNA加入核心組蛋白溫浴后重建的染色體轉(zhuǎn)錄能力下降了75%，當(dāng)在加入組蛋白H1后，轉(zhuǎn)錄能力可進一步下降25-100倍

5、。如果在加入H1前先加入Sp1和Gal4等活化蛋白，組蛋白抑制轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)可被活化因子阻止。關(guān)于轉(zhuǎn)錄活化因子調(diào)節(jié)基因表達中最為普遍接受的為：重塑蛋白首先與核小體結(jié)合，不改變其結(jié)構(gòu)，但使其松動并移位，順式作用原件暴露出來，和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子或RNA聚合酶結(jié)合，啟動轉(zhuǎn)錄過程。第十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)，所謂活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。活性染色質(zhì)由于核小體構(gòu)型發(fā)生構(gòu)象的改變，往往具有疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動。活性染色質(zhì)第十一張，

6、PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）、組蛋白的共價修飾 組蛋白N末端氨基酸殘基可發(fā)生乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化等多種共價修飾作用，這些修飾對染色質(zhì)的活性有著重要的調(diào)控作用。第十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月組蛋白的乙?；腿ヒ阴；M蛋白去乙酰化對轉(zhuǎn)錄的抑制作用 (引自Weaver, 2010)第十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(四) 基因的丟失與擴增1.基因丟失（體細胞中染色體裂解成小染色體）馬蛔蟲（Parascaris equoorum）（2n =2）第十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月基因丟失1.只存在于一些低等生物體細胞中。在細胞分化時

7、，當(dāng)需要消除某些基因活性時才發(fā)生。2.采用基因丟失的方式調(diào)控是不可逆的。3.高等真核生物細胞具有全能性。第十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 基因擴增（amplification）基因擴增是某些基因的拷貝數(shù)大量增加的現(xiàn)象,它使細胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量基因產(chǎn)物滿足生長發(fā)育的需要.1 .非洲爪蟾的基因擴增 非洲爪蟾的染色體上有約450拷貝編碼 18S r RNA和28S r RNA的DNA，在卵母 細胞中它們的拷貝數(shù)擴大了4000倍。第十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 果蠅的多線染色體（polytene）：每條染色體中含有許多相同的DNA分子。在果蠅卵巢成熟之前，卵

8、巢顆粒中的卵殼蛋白基因被大量擴增。果蠅卵原細胞經(jīng)過4次分裂產(chǎn)生16個細胞，其中1個是卵母細胞，其余15個是營養(yǎng)細胞，它們?yōu)槁鸭毎男纬商峁┐罅康纳锎蠓肿印６嗑€染色體就存在于營養(yǎng)細胞中。第十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（五）、DNA的重排1. 酵母交配型的轉(zhuǎn)換 某些品系的酵母具有轉(zhuǎn)換（switch）交配型的能力，即從a型變成為型，或從型轉(zhuǎn)變?yōu)閍型。這些品系帶有顯性等位基因HO，并頻繁地改變它們的交配型（常常每代改變一次）。 轉(zhuǎn)換的存在表明所有的細胞都含有MATa和 MAT型的潛在信息， MAT和MATa同在一條染色體上，MAT樣基因HML位于MAT的左邊，MHR位于MAT的右邊

9、。第十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月酵母的接合型轉(zhuǎn)變第十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月接合型轉(zhuǎn)變的模型1977年Hicks,T.B.等提出了暗箱模型（cassette model）活性暗箱（active cassette）沉默暗箱（silent cassettes）沉默子（silencers）第二十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 暗箱模型（cassette model）1 MAT是活性暗盒（active cassette），可以是型，也可以是a型。HML和HMR是沉默暗盒（silent cassettes），都不能表達，通常HML帶有暗盒，而HMR帶有a

10、暗盒，所有的暗盒都帶有編碼交配型的信息，但平時由于受到MAR基因編碼的阻遏蛋白調(diào)節(jié)都不表達，只有MAT位點區(qū)（活性暗盒）可以表達。當(dāng)沉默暗盒信息“裝進”活性暗盒就可以表達。2 HO基因的編碼產(chǎn)物介導(dǎo)了沉默暗盒信息“裝進”活性暗盒。該過程類似于轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座行為。第二十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（六）DNA的甲基化與去甲基化 DNA的甲基化存在于所有高等生物中，并與基因表達調(diào)控有關(guān)一般來講，甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，而去甲基化則誘導(dǎo)基因的重新活化。第二十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要

11、出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島，大部分不被甲基化。 DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合效率。 第二十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)饺胝诤铣傻腄NA中，可占據(jù)胞苷的位置，從而使基因去甲基化CH35-甲基胞嘧啶第二十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶第二十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控:負調(diào)控-阻遏蛋白真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控:正調(diào)控-轉(zhuǎn)錄激活因子 順

12、式作用元件 反式作用因子第二十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 （一）、順式作用元件 順式作用元件由一定特殊的DNA序列組成，通常與其參與調(diào)控的功能基因連鎖存在。它們的作用是調(diào)控基因的表達，本身不編碼任何蛋白質(zhì), 僅僅提供一個作用位點, 要與反式作用因子相互作用而發(fā)揮功能。真核生物的順式作用元件主要有啟動子，增強子及沉默子等第二十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.啟動子核心啟動子（core promoter）上游啟動子元件（upstream promoter element，UPE）由于RNA聚合酶負責(zé)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA前體，所以我們主要以RNA聚合酶為例介紹轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)

13、。第二十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)錄起始點TATA盒CAAT盒GC盒 增強子（一）順式作用元件轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段 AATAAA切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點 修飾點 外顯子 翻譯起始點內(nèi)含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體DNA分子上具有的可影響轉(zhuǎn)錄的各種組分GC：GGGGCGGCAAT：GGCCAATCTTATA：TATAAAA第三十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月真核和原核生物啟動子的比較第三十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.增強子：能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列1 增強

14、效應(yīng)十分明顯:10-200倍,甚至上千倍2 增強效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)3沒有基因?qū)Ｒ恍?與不同的基因組合均表現(xiàn)增強效應(yīng)4其增強效應(yīng)有嚴密的組織性和細胞特異性,只有特定的轉(zhuǎn)錄因子參與才能發(fā)揮其功能5 許多增強子還受外部金屬離子等調(diào)控第三十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3 沉默子 silencer負性調(diào)控元件，它與轉(zhuǎn)錄抑制因子結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄。最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實其存在。沉默子的作用特點：不受序列方向的影響，能遠距離發(fā)揮作用，第三十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月絕緣子 4、絕緣子（insulator）：能阻止正調(diào)控或負調(diào)控信號

15、在染色體上的傳遞，阻斷包括增強子，沉默子的作用，是染色質(zhì)活性限制在一定結(jié)構(gòu)域之內(nèi)。第三十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）反式作用因子反式作用因子指能與順式作用元件結(jié)合的真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白，因編碼反式作用因子的基因與被反式作用因子調(diào)控的靶序列（基因）不在同一染色體上而得名。 反式作用因子 識別/結(jié)合 順式作用元件中的靶序列 啟動轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子TFD 識別結(jié)合 TATA box 轉(zhuǎn)錄因子 SP1 識別結(jié)合 GC box第三十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月反式因子有兩個

16、必需的結(jié)構(gòu)域DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域：與順式元件識別、結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域：與其他蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)圖15-9第三十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）這類結(jié)構(gòu)至少有兩個螺旋其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角連接，兩個這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個螺距（3.4nm）,兩個螺旋剛好嵌入DNA的深溝。 1.反式作用因子（DNA結(jié)合域）結(jié)構(gòu)模式第四十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月Helix-turn-helix 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋最常見DNA結(jié)合域之一例：CAP

17、(最早在原核生物中發(fā)現(xiàn)）螺旋識別、進入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝第四十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月鋅指（zinc finger） ，每個重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個氨基酸殘基，鋅以4個配位鍵與4個半胱氨酸、或2個半胱氨酸和2個組氨酸相結(jié)合。整個蛋白質(zhì)分子可有2-9個這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個單位可以其指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個核苷酸。例如與GC盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的3個鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。第四十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月Zinc-fingers 鋅指最常見DNA結(jié)合域之一約有30個AA殘基其中4個AA殘基（2個Cys，2個His或4個Cys） 配位

18、鍵 Zn2+ 鋅指與DNA雙螺旋大溝結(jié)合。 存在于多種真核轉(zhuǎn)錄因子具多個鋅指結(jié)構(gòu)第四十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月堿性-亮氨酸拉鏈（basic leucine zipper，bZIP） 這結(jié)構(gòu)的特點是蛋白質(zhì)分子的肽鏈上每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在螺旋的同一個方向出現(xiàn)。兩個相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結(jié)合成二聚體，這二聚體的另一端的肽段富含堿性氨基酸殘基，借其正電荷與DNA雙螺旋鏈上帶負電荷的磷酸基團結(jié)合。第四十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月Leucine-zippers 亮氨酸拉鏈一段肽鏈中每隔6個AA 即有一個Leu 螺

19、旋 親水面：親水AA組成 疏水面：Leu組成 （亮氨酸拉鏈條）可形成二聚體（發(fā)揮作用）DNA的結(jié)合域： 拉鏈區(qū)以外結(jié)構(gòu)第四十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月這類蛋白質(zhì)的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)嶋H是以堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域整體作為基礎(chǔ)的。第四十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月堿性亮氨酸拉鏈模體第四十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月螺旋-環(huán)-螺旋:helix-loop-helix :兩個雙性的螺旋被非螺旋的環(huán)狀結(jié)構(gòu)所隔開, 蛋白質(zhì)的氨基端則是堿性區(qū), 其DNA結(jié)合特性與亮氨酸拉鏈類蛋白相似. 第四十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月helix-loop-h

20、elix 螺旋-環(huán)-螺旋 -螺旋有兼性形成二聚體有利于其與DNA結(jié)合第五十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月螺旋-環(huán)-螺旋第五十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 轉(zhuǎn)錄激活域激活域是與其它轉(zhuǎn)錄因子相互作用的結(jié)構(gòu)成分，可控制轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝和轉(zhuǎn)錄起始，具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。酸性激活域，半乳糖代謝的轉(zhuǎn)錄因子。谷氨酰胺激活域，結(jié)合GC框的Sp1。脯氨酸激活域，識別CAAT框的轉(zhuǎn)錄因子CTF。第五十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達調(diào)控（一）、可變拼接 有些mRNA前體可通過不同的方式剪接，選擇不同的外顯子，形成兩種或多種成熟mRNA，編碼不同的蛋白產(chǎn)物，稱為可變拼接。第五十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 1980年，David Baltimore在小鼠IgM重鏈基因中發(fā)現(xiàn)了可變拼接，IgM基因最后兩個外顯子，決定了所編碼的IgM是膜型，還是分泌型，其中膜型的羧基