真核生物基因表達(dá)調(diào)控

關(guān)于真核生物基因表達(dá)調(diào)控第1頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

真核生物的基因表達(dá)調(diào)控第2頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核基因表達(dá)調(diào)控的最顯著特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)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(gè)特定的環(huán)境中為細(xì)胞創(chuàng)造高速生長(zhǎng)的條件，或使細(xì)胞在受到損傷時(shí)，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是通過(guò)控制轉(zhuǎn)錄的起始來(lái)調(diào)節(jié)的。第3頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時(shí)，及細(xì)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(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育的全部進(jìn)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(dá)調(diào)控的種類：第4頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

真核生物的基因表達(dá)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5頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、染色體與DNA水平的調(diào)控（一）、真核生物色質(zhì)結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核細(xì)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7頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第8頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(shí)別啟動(dòng)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(duì)真核生物的RNA聚合酶來(lái)說(shuō)，和啟動(dòng)子的結(jié)合受染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的限制。只有解除對(duì)轉(zhuǎn)錄模板的限制才能啟動(dòng)基因的表達(dá)。染色質(zhì)中相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)改變，使轉(zhuǎn)錄活化的過(guò)程被稱為染色質(zhì)的重塑（chromatinremodeling）。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(dòng)子，使轉(zhuǎn)錄發(fā)生。第9頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用核酸酶處理染色質(zhì)，再進(jìn)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(shuō)明兩者都具有核小體結(jié)構(gòu)，因此認(rèn)為轉(zhuǎn)錄的過(guò)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(shí)移開(kāi)，等待RNA聚合酶作用后再重新組裝。實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步下降25-100倍。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(dá)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(dòng)并移位，順式作用原件暴露出來(lái)，和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子或RNA聚合酶結(jié)合，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過(guò)程。第10頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(méi)有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)?；钚匀旧|(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(dòng)。活性染色質(zhì)第11頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）、組蛋白的共價(jià)修飾

組蛋白N末端氨基酸殘基可發(fā)生乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化等多種共價(jià)修飾作用，這些修飾對(duì)染色質(zhì)的活性有著重要的調(diào)控作用。第12頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白的乙酰化和去乙?；M蛋白去乙?；瘜?duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用

(引自Weaver,2010)第13頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(四)基因的丟失與擴(kuò)增1.基因丟失（體細(xì)胞中染色體裂解成小染色體）馬蛔蟲(chóng)（Parascarisequoorum）（2n=2）第14頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因丟失1.只存在于一些低等生物體細(xì)胞中。在細(xì)胞分化時(shí)，當(dāng)需要消除某些基因活性時(shí)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(xì)胞具有全能性。第15頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.基因擴(kuò)增（amplification）基因擴(kuò)增是某些基因的拷貝數(shù)大量增加的現(xiàn)象,它使細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量基因產(chǎn)物滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要.1.非洲爪蟾的基因擴(kuò)增非洲爪蟾的染色體上有約450拷貝編碼

18SrRNA和28SrRNA的DNA，在卵母細(xì)胞中它們的拷貝數(shù)擴(kuò)大了4000倍。第16頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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，卵巢顆粒中的卵殼蛋白基因被大量擴(kuò)增。果蠅卵原細(xì)胞經(jīng)過(guò)4次分裂產(chǎn)生16個(gè)細(xì)胞，其中1個(gè)是卵母細(xì)胞，其余15個(gè)是營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，它們?yōu)槁鸭?xì)胞的形成提供大量的生物大分子。多線染色體就存在于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中。第17頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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α型，或從α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(xì)胞都含有MATa和MATα型的潛在信息，MATα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。第18頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月酵母的接合型轉(zhuǎn)變第19頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月接合型轉(zhuǎn)變的模型1977年Hicks,T.B.等提出了暗箱模型（cassettemodel）活性暗箱（activecassette）沉默暗箱（silentcassettes）沉默子（silencers）第20頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆暗箱模型（cassettemodel）1MAT是活性暗盒（activecassette），可以是α型，也可以是a型。HML和HMR是沉默暗盒（silentcassettes），都不能表達(dá)，通常HML帶有α暗盒，而HMR帶有a暗盒，所有的暗盒都帶有編碼交配型的信息，但平時(shí)由于受到MAR基因編碼的阻遏蛋白調(diào)節(jié)都不表達(dá)，只有MAT位點(diǎn)區(qū)（活性暗盒）可以表達(dá)。當(dāng)沉默暗盒信息“裝進(jìn)”活性暗盒就可以表達(dá)。2HO基因的編碼產(chǎn)物介導(dǎo)了沉默暗盒信息“裝進(jìn)”活性暗盒。該過(guò)程類似于轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座行為。第21頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(dá)調(diào)控有關(guān)一般來(lái)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23頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(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(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。第24頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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25頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶第26頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控:負(fù)調(diào)控-阻遏蛋白真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控:正調(diào)控-轉(zhuǎn)錄激活因子順式作用元件反式作用因子第27頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(dá)，本身不編碼任何蛋白質(zhì),僅僅提供一個(gè)作用位點(diǎn),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(dòng)子，增強(qiáng)子及沉默子等第28頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子（corepromoter）上游啟動(dòng)子元件（upstreampromoterelement，UPE）由于RNA聚合酶Ⅱ負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA前體，所以我們主要以RNA聚合酶Ⅱ?yàn)槔榻B轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。第29頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)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(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-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30頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核和原核生物啟動(dòng)子的比較第31頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第32頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.增強(qiáng)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(qiáng)效應(yīng)十分明顯:10---200倍,甚至上千倍2增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無(wú)關(guān)3沒(méi)有基因?qū)Ｒ恍?與不同的基因組合均表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)4其增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織性和細(xì)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(qiáng)子還受外部金屬離子等調(diào)控第33頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3沉默子silencer負(fù)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(xì)胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實(shí)其存在。沉默子的作用特點(diǎn)：不受序列方向的影響，能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，第34頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣子

4、絕緣子（insulator）：能阻止正調(diào)控或負(fù)調(diào)控信號(hào)在染色體上的傳遞，阻斷包括增強(qiáng)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35頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(shí)別/結(jié)合順式作用元件中的靶序列啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD識(shí)別結(jié)合

TATAbox

轉(zhuǎn)錄因子SP1識(shí)別結(jié)合

GCbox第36頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第37頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域

DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域：與順式元件識(shí)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39頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）這類結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)α螺旋其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角連接，兩個(gè)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(gè)螺距（3.4nm）,兩個(gè)α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40頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Helix-turn-helixα螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一例：CAP(最早在原核生物中發(fā)現(xiàn)）α螺旋識(shí)別、進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝第42頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋅指（zincfinger），每個(gè)重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配位鍵與4個(gè)半胱氨酸、或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有2-9個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)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(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。第43頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Zinc-fingers鋅指最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一約有30個(gè)AA殘基其中4個(gè)AA殘基（2個(gè)Cys，2個(gè)His或4個(gè)Cys）配位鍵

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(gè)鋅指結(jié)構(gòu)第44頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

堿性-亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper，bZIP）這結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是蛋白質(zhì)分子的肽鏈上每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在α螺旋的同一個(gè)方向出現(xiàn)。兩個(gè)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(fù)電荷的磷酸基團(tuán)結(jié)合。第45頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Leucine-zippers

亮氨酸拉鏈一段肽鏈中每隔6個(gè)AA

即有一個(gè)Leuα螺旋親水面：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46頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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47頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月堿性亮氨酸拉鏈模體第48頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺旋-環(huán)-螺旋:helix-loop-helix:兩個(gè)雙性的α螺旋被非螺旋的環(huán)狀結(jié)構(gòu)所隔開(kāi),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49頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月helix-loop-helix

螺旋-環(huán)-螺旋

α-螺旋有兼性形成二聚體有利于其與DNA結(jié)合第50頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺旋-環(huán)-螺旋第51頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2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(shí)別CAAT框的轉(zhuǎn)錄因子CTF。第52頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達(dá)調(diào)控（一）、可變拼接

有些mRNA前體可通過(guò)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53頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1980年，DavidBaltimore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(gè)外顯子，決定了所編碼的I