真核基因表達調控-1課件

1、8 基因的表達與調控（下）8.1 真核基因表達調控相關概念和一般規(guī)律真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及DNA的空間結構方面存在的差異:在真核細胞中，成熟mRNA為單順反子mRNA，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。8.1.1 基因表達的基本概念基因(gene)是能產生一條肽鏈或功能RNA所必需的DNA?；蚪涍^轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子或RNA分子的過程稱為基因表達?；虮磉_是受內源和外源信號調控的。高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間存在不被翻譯的內含子。真核生物

2、能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數(shù)。在原核生物中，轉錄的調節(jié)區(qū)都很小，大都位于轉錄起始位點上游不遠處，調控蛋白結合到調節(jié)位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶對它的結合。在真核生物中，基因轉錄的調節(jié)區(qū)則大得多，它們可能遠離核心啟動子達幾百個甚至上千個堿基對。真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質。原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。許多真核生物的基因只有經過復雜的成熟和剪接過程，才能被順利地翻譯成蛋白質。8.1.2 真核基因的斷裂結構1. 外顯子與內含子內含子是指存在于原始轉錄物或基因組DNA中，但

3、不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。大多數(shù)真核基因都是由蛋白質編碼序列和非蛋白質編碼序列兩部分組成的。斷裂基因(interrupted gene)基因中的內含子數(shù)量和大小都不同。膠原蛋白基因長約40kb，至少有40個內含子，其中短的只有50bp，長的可達到2000bp。少數(shù)基因，如組蛋白及型、型干擾素基因，根本不帶內含子。哺乳動物二氫葉酸還原酶基因，全長25-31kb左右，但其6個外顯子總長只有2kb2. 外顯子與內含子的連接區(qū)斷裂結構的一個重要特點是外顯子-內含子連接區(qū)的高度保守性和特異性堿基序列。序列分析表明，幾乎每個內含子5 端起始的兩個堿基都是GU，而3 端最

4、后兩個堿基總是AG，由于這兩個堿基的高度保守性和廣泛性，有人把它稱為GU-AG法則。（線粒體基因和酵母tRNA基因例外）連接區(qū)的保守序列幾乎存在于所有高等真核生物基因中，表明可能存在著共同的剪接加工機制。3. 外顯子與內含子的可變調控真核基因的原始轉錄產物可通過不同的剪接產生不同的mRNA，翻譯成不同的蛋白質。有些真核基因，如肌紅蛋白重鏈基因雖有41個外顯子，卻能精確地剪接成一個成熟的mRNA，我們稱這種方式為組成型剪接。一個基因的轉錄產物通過組成型剪接只能產生一種成熟的mRNA，編碼一個多肽。不少真核基因的原始轉錄產物可通過不同的剪接方式產生不同的mRNA，并翻譯成不同的蛋白質。有些核基因轉

5、錄時選擇了不同的啟動子，或者選擇了不同的polyA位點而使原始轉錄物具有不同的二級結構，產生不同的mRNA分子。同一基因的轉錄產物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的過程稱為選擇性剪接。8.1.3 基因家族在原核細胞中，密切相關的基因往往組成操縱子，并以多順反子的方式進行轉錄。而真核細胞中的DNA是單順反子結構，很少置于同一啟動子之下的操縱子。真核細胞中許多相關的基因常按功能成套組合，被稱為基因家族。同一家族的成員有時緊密排列在一起，成為一個基因簇；更多時候，分散在同一染色體不同部位，甚至位于不同染色體上，具有各自不同的表達調控模式。在真核生物中，前rRNA轉錄產物的沉降系數(shù)為45S，（約有1

6、4 000個核苷酸），包括18S，28S和5.8S三個主要rRNA分子。復雜多基因家族復雜多基因家族一般由幾個相關基因家族構成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位。海膽組蛋白基因家族：編碼不同組蛋白的基因處于一個約為6 000bp的片段中，分別被間隔序列所隔開。這5個基因組成的串聯(lián)單位在整個海膽基因組中可能重復多達1 000次。延伸-假基因（Pseudogene）是指脫氧核糖核酸（DNA）的堿基序列中，一段與其他生物體內已知的基因序列非常相似的片段。但是這個片段無法發(fā)揮原有的基因功能，也就是無法制造出蛋白質。 這種基因片段是來自演化過程中的突變累積，有些無法轉錄，有些則是轉錄不完

7、全。有些雖然能夠轉錄完成，但是也會在轉譯階段途中終止作用。1. 基因表達的方式 組成性表達和選擇性表達2. 基因表達的時空特異性 發(fā)育過程不同階段 細胞或組織特異性8.1.4 基因表達的方式和特點8.1.5 真核基因表達調控一般規(guī)律真核基因的表達調控的特點：原核細胞環(huán)境因素對調控起決定性的作用。群體中每一個細胞對環(huán)境變化的反應是直接的和一致的。真核細胞基因表達調控最明顯的特征是在特定時間，特定的細胞中特定的基因被激活，實現(xiàn)“預定”的、有序的、不可逆轉的分化、發(fā)育，并使生物的組織和器官保持正常功能。這是生命活動規(guī)律決定的，環(huán)境因素在其中作用不大。真核生物基因調控可分為兩大類：第一類是瞬時調控或稱

8、可逆性調控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應，包括某種底物或激素水平升降，或細胞周期不同階段酶活性的調節(jié)；第二類是發(fā)育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的進程。根據(jù)基因調控發(fā)生的先后次序，又可分為：轉錄水平調控轉錄后水平調控（RNA加工成熟過程的調控，翻譯水平的調控，蛋白質加工水平的調控）。研究基因調控的三個主要內容：誘發(fā)基因轉錄的信號？基因調控在哪一步（模板DNA的轉錄、mRNA的成熟或蛋白質合成）實現(xiàn)的？不同水平基因調控的分子機制什么？8.2 真核基因表達的轉錄水平調控8.2.1 真核基因的一般結構特征8.2.2 增強子對轉錄的影響增強子

9、是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列，最早發(fā)現(xiàn)于SV40早期基因的上游，有兩個長72bp的正向重復序列。增強子通常具有下列特性：增強效應十分明顯。增強效應與其位置和取向無關。大多為重復序列（50bp），適合與某些蛋白因子結合；其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性。無基因專一性，可在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應；許多增強子還受外部信號的調控。8.2.3 反式作用因子真核生物啟動子和增強子是由若干DNA序列元件組成的，由于它們常與特定的功能基因連鎖在一起，因此被稱為順式作用元件。這些序列組成基因的調控區(qū)，影響基因的表達。在轉錄過程中，除了需要調控區(qū)外，還需要反式作用因子。根據(jù)不同功能，

10、常將反式作用因子分為以下3類：識別啟動子元件的基本轉錄因子識別增強子或沉默子的轉錄調節(jié)因子不需要通過DNA-蛋白互作就參與轉錄調控的共調節(jié)因子（主要通過蛋白-蛋白相互作用影響轉錄因子的分子構象以調節(jié)轉錄活性。）轉錄因子被廣泛研究的轉錄因子主要有： TFIID：識別TATA區(qū)； CTF：識別CAAT區(qū)； SP1：識別GGGCGG； HSF：識別熱激蛋白啟動區(qū)。These multiple binding sites for transcription factors were mapped by footprinting. (A) Binding of Sp1 (green) to the SV

11、40 viral promoter and to the dihydrofolate reductase (DHFR) promoter. (B) Binding of HSTF (blue) to a Drosophila heat-shock promoter. After W. S. Dynan and R. Tjian. Nature 316(1985):774. 轉錄復合物中，根據(jù)各個蛋白質成分在轉錄中的作用，能將整個復合物分為3部分： 參與所有或某些轉錄階段的RNA聚合酶亞基，不具有基因特異性。 與轉錄的起始或終止有關的輔助因子，不具基因特異性。 與特異調控序列結合的轉錄因子。真核

12、生物中轉錄因子活性調節(jié)的主要方式反式作用因子：是能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。這些因子有兩種獨立的活性：首先它們特異地與DNA結合位點相結合，然后激活轉錄。這些活性可以獨立分配給特定的蛋白結構域，分別稱作DNA結合結構域和激活結構域。轉錄激活功能是與其DNA結合活性相分離的，它們在蛋白質的不同區(qū)域。1. DNA識別或結合域常見的DNA結合域包括堿性氨基酸結合域、酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域等。螺旋-轉折-螺旋結構 （helix-turn-helix）。這類蛋白質分子中有至少兩個螺旋，中間由短側連氨基酸殘基形成“轉折”，近羧基端

13、的螺旋中氨基酸殘基的替換會影響該蛋白質在DNA雙螺旋大溝中的結合。Some helix-turn-helix DNA-binding proteins /swxbx/shuangyu/8.htm 鋅指結構（zinc finger）。鋅指結構家族蛋白包括鋅指、鋅鈕和鋅簇結構，有鋅參與時才具備轉錄調控活性。與DNA的結合較為牢固，特異性也很高。類固醇激素受體家族含有連續(xù)的兩個鋅指結構，以同源或異源性二聚體的方式將兩個螺旋結合在相鄰的兩個大溝中。Cartoon representation of the Cys2His2 zinc finger motif, consisting of an hel

14、ix and an antiparallel sheet. The zinc ion (green) is coordinated by two histidine residues and two cysteine residues. HisCysCartoon representation of the protein Zif268 (blue) containing three zinc fingers in complex with DNA (orange). The coordinating amino acid residues and zinc ions (green) are

15、highlighted. Cys2/His2 fingers: Cys-X2-4-Cys-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His Cys2/Cys2 fingers: Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys已知的鋅指結構主要發(fā)現(xiàn)于促進RNA聚合酶II和RNA聚合酶III轉錄的轉錄因子中。堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucine zipper），即bZIP結構。蛋白中每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，導致第7個亮氨酸殘基都在螺旋的同一方向出現(xiàn)。以二聚體形式與DNA結合，亮氨酸拉鏈區(qū)并不直接結合DNA，肽鏈氨基端2030個富堿性氨基酸結構域與DNA結合，但以堿性區(qū)和亮氨酸

16、拉鏈結構域整體作為基礎。堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic-helix-loop-helix，bHLH）。在免疫球蛋白輕鏈基因的增強子結合蛋白E12與E47中，羧基端100200個氨基酸殘基可形成兩個兩性螺旋，被非螺旋的環(huán)狀結構所隔開，蛋白質的氨基端則是堿性區(qū)，其DNA結合特性與亮氨酸拉鏈類蛋白相似。bHLH類蛋白只有形成同源或異源二聚體時，才具有足夠的DNA結合能力。當這類異源二聚體中的一方不含有堿性區(qū)（如Id或E12蛋白）時，該二聚體明顯缺乏對靶DNA的親和力。同源域蛋白（homoe domains）。同源域蛋白是指編碼60個保守氨基酸序列的DNA片段，它廣泛存在于真核生物基因組內，由于最早

17、從果蠅homeoticloci（該遺傳位點的基因產物決定了軀體發(fā)育）中克隆得到而命名，同源轉換基因與生物有機體的生長、發(fā)育和分化密切相關。同源域蛋白形成3個螺旋。C端螺旋有17個氨基酸，結合DNA大溝。N端臂插入DNA小溝。含同源域的蛋白質可能是轉錄的激活劑或阻抑物。觸足復合群基因2. 轉錄活化結構域在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白質-蛋白質之間相互作用的調節(jié)變得精密、復雜，完整的轉錄調控功能通常以復合物的方式來完成，因此，是否具有轉錄活化域就成為反式作用因子中唯一的結構基礎。反式作用因子功能具有多樣性，其轉錄活化域也有多種，通常依賴于DNA結合結構域以外的30-100個氨基酸殘基。

18、在不同的轉錄活化域有下列特征性結構：帶負電荷的螺旋結構。哺乳動物細胞中糖皮質激素受體的兩個轉錄活化域，AP1家族的Jun及GAL4都有酸性的螺旋結構，它們可能與TFIID復合物中某個通用因子或RNA聚合酶II本身結合，具有穩(wěn)定轉錄起始復合物的作用。富含谷氨酰胺的結構。SP1是啟動子GC盒的結合蛋白，共有4個參與轉錄活化的區(qū)域，其中最強的轉錄活化域含25%左右的谷氨酰胺。富含脯氨酸的結構。CTF-NF1因子羧基端富含脯氨酸（達20%30%），很難形成螺旋。在Oct2、Jun、AP2、SRF等哺乳動物因子中也有富含脯氨酸的結構域。發(fā)生在轉錄之前的，染色體水平上的結構調整，稱為基因表達的表觀遺傳調控

19、。DNA修飾，組蛋白修飾8.3 真核基因表達的染色質修飾和表觀遺傳調控8.1.3 真核DNA水平上的基因表達調控在個體發(fā)育過程中，DNA會發(fā)生規(guī)律性變化，從而控制基因表達和生物的發(fā)育。DNA水平的調控是真核生物發(fā)育調控的一種形式，包括基因丟失、擴增、重排和移位等。這與轉錄和翻譯水平的調控是不同的，這種調控使基因組發(fā)生了改變。成熟紅細胞能產生大量的可翻譯成熟珠蛋白的mRNA，它的前體細胞是不產生珠蛋白的。這種變化是由于基因本身或者是基因的拷貝數(shù)發(fā)生了永久性變化所調控的。1. “開放”型活性染色質結構對轉錄的影響活躍狀態(tài)的基因更容易被DNA酶I所降解?；蚧钴S表達時啟動區(qū)部分序列可能解開成單鏈，從

20、而不能繼續(xù)纏繞在核小體上，使啟動區(qū)DNA“裸露”于組蛋白表面，形成對DNA酶I的超敏感現(xiàn)象。最活躍的DNA轉錄區(qū)結構較為伸展，形成蓬松區(qū)。2. 基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象，它使細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。非洲爪蟾的卵母細胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個拷貝，在減數(shù)分裂粗線期，基因開始迅速復制，到雙線期拷貝數(shù)約為200萬個，擴增近4000倍，可用于合成1012個核糖體，以滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質的需要。3. 基因重排與變換將一個基因從遠離啟動子的地方移到較近的位點從而啟動轉錄，被稱為基因重排。免疫球

21、蛋白的肽鏈主要由可變區(qū)（V區(qū)）、恒定區(qū)（C區(qū)）以及兩者之間的連接區(qū)（J區(qū)）組成，V、C和J基因片段在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產生免疫球蛋白的細胞發(fā)育分化時，通過染色體內DNA重組把4個相隔較遠的基因片段連接在一起，產生具有表達活性的免疫球蛋白基因。IgG結構示意圖V：可變區(qū)C：恒定區(qū)8.3.2 DNA甲基化與基因調控1. DNA的甲基化DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。研究證實，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導致了人體1/3以上由于堿基轉換而引起的遺傳病。DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。日常型甲基轉移酶在甲基化母鏈指導下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。從頭合成型甲基轉移酶 催化未甲基化的CpG成為mCpG，不需母鏈指導。2. DNA甲基化抑制基因轉錄機制甲基化