第章真核生物基因表達的調控

第10章真核生物基因表達的調控本章教學要求熟悉真核基因組的結構特點、真核生物在DNA水平、轉錄水平和翻譯水平上基因表達調控的特點。掌握以下概念：順式作用元件、反式作用因子、啟動子、增強子，熟悉沉默子、基本轉錄因子、特異轉錄因子。了解轉錄因子的結構特點。本章教學重點和難點1、 真核生物在DNA水平和轉錄水平基因表達調控的特點。2、 轉錄因子的結構特點。教學方法與手段講授與交流互動相結合，采用多媒體教學。授課內容10.1真核生物基因表達調控的特點和種類一、真核生物基因表達調控的特點原核生物的調控系統(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，所以，原核生物基因表達的開關經(jīng)常是通過控制轉錄的起始來調節(jié)的。真核基因表達調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)"預定"的、有序的、不可逆轉的分化、發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內保持正常功能。真核生物基因表達調控與原核的共同點：基因表達都有轉錄水平和轉錄后的調控，且以轉錄水平調控為最重要；在結構基因上游和下游、甚至內部存在多種調控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調控成分的結合與否調控基因的轉錄。真核生物基因表達調控與原核的不同點：1、 真核基因表達調控的環(huán)節(jié)更多：轉錄與翻譯間隔進行，具有多種原核生物沒有的調控機制；個體發(fā)育復雜，具有調控基因特異性表達的機制。2、 真核生物活性染色體結構的變化對基因表達具有調控作用：DNA拓撲結構變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化；3、 正性調節(jié)占主導，且一個真核基因通常有多個調控序列，需要有多個激活物。二、真核生物基因表達調控的種類根據(jù)其性質可分為兩大類：一是瞬時調控或稱為可逆性調控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平的升降，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節(jié)。二是發(fā)育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。根據(jù)基因調控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調控Replicationalregulation轉錄水平調控transcriptionalregulation轉錄后水平調控posttranscriptionalregulation翻譯水平調控translationalregulation蛋白質加工水平的調控regulationofproteinmaturation10.2真核生物DNA水平上的基因表達調控一、 基因丟失二、 基因擴增三、 基因重排四、 DNA的甲基化與基因調控五、 染色質結構與基因表達調控一、基因丟失丟失一段DNA或整條染色體的現(xiàn)象。在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。-目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。圖馬蛔蟲受精卵的早期分裂馬蛔蟲2n=2,但染色體上有多個著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下2個子細胞。第二次卵裂時，一個子細胞仍進行橫裂，保持完整的基因組，而另一個子細胞卻進行縱向分裂，丟失部分染色體。圖小麥癭蚊的染色體丟棄癭蚊卵跟果蠅相似（始核分裂胞質不分裂），其卵的后端含有一種特殊的細胞質極細胞質核-保持了全部40條染色體-生殖細胞其他細胞質區(qū)域核-丟失32條、留8條-體細胞二、 基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細胞在短期內產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。如非洲爪蟾卵母細胞中rDNA的基因擴增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴增現(xiàn)象。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質增多，這可能構成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。三、 基因重排將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結構基因的表達。在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。完整的重鏈基因由VH、D、J和C四個基因片斷組合而成。完整的輕鏈基因由VL、J和C3個片段組合而成。人類基因組中抗體基因片斷產(chǎn)生免疫球蛋白分子多樣性的遺傳控制重鏈和輕鏈的不同組合，k、入、H；在重鏈中，V、D、J和C片段的組合；k輕鏈中V和C的組合；入輕鏈中V、J和C的組合；基因片段之間的連接點也可以在幾個bp的范圍內移動。因此，可以從約300個抗體基因片段中產(chǎn)生109數(shù)量級的免疫球蛋白分子。四、DNA的甲基化與基因調控1、DNA的甲基化胞嘧啶被甲基化修飾形成5-甲基胞嘧啶(mC)-幾乎所有的mC與其3’的鳥嘌吟以5’mCpG3’的形式存在。當兩條鏈上的胞嘧啶都被甲基化時稱為完全甲基化。一般在復制剛完成時，子鏈上的C呈非甲基化狀態(tài)，稱為半甲基化。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島甲基化位點的檢測特殊的限制性內切酶——同裂酶Hpan識別并切割未甲基化的CCGG(CICGG)MspI識別無論是否甲基化的CCGG(C1CGG或CICmGG)真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：?構建性甲基轉移酶：作用于非甲基化位點，對發(fā)育早期DNA甲基化位點的確定起重要作用。維持性甲基轉移酶：作用于半甲基化位點，使子代細胞具備親代的甲基化狀態(tài)。在一些不表達的基因中，啟動區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化程度較低。親本印記(imprinting)印記:來源于父母本的一對等位基因表達不同。如源于父本的IGF-U（胰島素樣生長因子口）基因可表達，而源于母本的則不能表達。這是由于卵母細胞中的IGF-口已被甲基化，而精子中的IGF-口未被甲基化，所以這一對等位基因在合子中表現(xiàn)不同。-目前在人類和鼠身上已辨明了20種印跡基因。大多數(shù)人類的印跡基因集中在三個簇中。在每個基因簇上都存在著特異的印記盒（imprintingbox）,能順式調節(jié)印跡基因的親本特異性表達，這些位點表現(xiàn)出親本特異性的甲基化作用和去甲基化作用。3、DNA甲基化抑制基因轉錄的機理DNA甲基化導致某些區(qū)域DNA構象變化，從而影響了蛋白質與DNA的相互作用，抑制了轉錄因子與啟動區(qū)DNA的結合效率。五、染色質結構與基因表達調控（一）活性染色質按功能狀態(tài)的不同可將染色質分為活性染色質和非活性染色質：活性染色質是指具有轉錄活性的染色質；非活性染色質是指沒有轉錄活性的染色質。真核細胞中基因轉錄的模板是染色質而不是裸露的DNA，因此染色質呈疏松或緊密結構，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉錄功能的關鍵?；钚匀旧|的主要特點-在結構上：活性染色質上具有DNasel超敏感位點活性染色質上具有基因座控制區(qū)活性染色質上具有核基質結合區(qū)（MAR序列）活性染色質上具有DNasel超敏感位點。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因5'端啟動子區(qū)域?；钚匀旧|上具有核基質結合區(qū)(matrixattachmentregion,MAR)MAR—般位于DNA放射環(huán)或活性轉錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達水平10倍以上，說明MAR在基因表達調控中有作用。是一種新的基因調控元件。(二)活性染色體結構變化1、 對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋白結合位點附近。2、 DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后3、 DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。4、 組蛋白變化富含Lys組蛋白水平降低H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白修飾：高乙酰化H3組蛋白蔬基暴露10.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控一、真核生物與原核生物轉錄調控的差異真核生物轉錄過程涉及復雜的染色質結構變化;原核生物調節(jié)元件種類少，真核很多；原核生物有操縱子結構，真核不組成操縱子;大多數(shù)真核生物啟動子以正調控為主，原核生物以負調控為主。"基因”的分子生物學定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。二、真核生物轉錄調控順式作用元件（cis-actingelement）定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。例：啟動子、增強子、沉默子等1、 啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。2、 增強子指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。SV40的轉錄單元上發(fā)現(xiàn)轉錄起始位點上游約200bp處有兩段長72bp的正向重復序列。增強子特點：增強效應十分明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10-200倍增強效應與其位置和取向無關，不論增強子以什么方向排列（5J3'或3J5'），甚至和靶基因相距3kb,或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應；大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強效應時所必需的；增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質（轉錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能；沒有基因專一性，可以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，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應。3、 沉默子某些基因含有負性調節(jié)元件——沉默子，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。三、反式作用因子（轉錄因子，transcriptionfactor）（一） 定義能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件上，參與調控靶基因轉錄的蛋白質也稱為轉錄因子（transcriptionalfactor，TF）如：TFUD（TATA\CTF（CAAT）.SPl（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）反式作用因子識別/結合順式作用元件中的靶序列啟動轉錄例：轉錄因子TFHD識別結合TATAbox轉錄因子SP1識別結合GCbox轉錄因子CTF1識別結合CCAATbox（二） 反式作用因子的類型基本轉錄因子（通用轉錄因子）又稱TATA盒結合蛋白，如TFI、TF口和TFO等。與RNApolll相關的基本轉錄因子基本轉錄因子（通用轉錄因子）組織或細胞特異性轉錄因子EF1因子紅細胞Isl-I因子胰島0細胞MyoDI因子骨骼肌細胞NF-kB因子B淋巴細胞DF3因子乳腺癌細胞CEA啟動子結合蛋白CEA陽性的腫瘤細胞可誘導(inducible)的轉錄因子熱休克轉錄因子(HSTF)高溫環(huán)境cAMP效應元件結合蛋白(CREBF)cAMP血清應激因子(SRF)血清中的生長因子CD28反應元件結合蛋白抗原激活蛋白2(AP-2)感染與炎癥反應轉錄因子上的幾種重要結構域反式因子有兩個必需的結構域1、DNA結合結構域螺旋-轉折-螺旋(Helix-turn-helix,H-T-H)鋅指結構(zincfinger)堿性-亮氨酸拉鏈(basic-leucinezipper)堿性-螺旋-環(huán)-螺旋(basic-helix/loop/helix,bHLH)螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix,HTH)HTH的基本結構是兩個a螺旋被一個轉角結構分開。a螺旋由短肽鏈組成，肽鏈的氨基酸順序因不同的轉錄因子而不同。其中一個a螺旋識別特異的順式作用元件上的DNA序列，另一個a螺旋則結合在DNA上，調控基因的轉錄。螺旋-轉折-螺旋結構圖(2)鋅指結構定義：是一種常出現(xiàn)在DNA結合蛋白中的結構基元。是由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構成，形成的結構像手指狀。鋅指的N-端部分形成0折疊結構，C-端部分形成a螺旋結構每個a螺旋有兩處識別特異的DNA序列；3個a螺旋結構與一個DNA雙螺旋的深溝(majorgroove)結合，調控RNA的轉錄。-a螺旋的氨基酸順序視不同的轉錄因子而不同。轉錄因子SP1(GC盒).連續(xù)的3個鋅指重復結構(3)堿性-亮氨酸拉鏈(Leucinezipper)- 蛋白質之間的相互作用是生命現(xiàn)象的普遍規(guī)律之一，在基因表達調控中同樣具有重要意義。亮氨酸拉鏈是蛋白質二聚體化(蛋白質相互作用的一種方或的一種結構基礎。某些癌基因伽c-jun,v-jun,c-fos,v-fos等)表達產(chǎn)物通過亮氨酸拉鏈形成同源或異源二聚體，大大增加對DNA的結合能力，調控基因表達。亮氨酸拉鏈是一個高亮氨酸組成的a螺旋，每兩個螺圈出現(xiàn)一個亮氨酸，形成拉鏈的一邊。?兩個蛋白質因子的a螺旋通過亮氨酸的疏水作用結合在一起形成拉鏈結構在亮氨酸拉鏈近N-端有富含堿性(帶正電荷)氨基酸殘基的區(qū)域，是DNA的結合區(qū)。亮氨酸拉鏈結構二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成"拉鏈"。肽鏈氨基端20~30個富含堿性