分子生物學(xué)課件第五章：基因表達(dá)調(diào)控真核生物

第五章基因表達(dá)的調(diào)控

主講教師:劉靜

中南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分子生物學(xué)研究中心

多細(xì)胞真核生物，遺傳信息從細(xì)胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。第二節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控一、真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)

1.細(xì)胞具有全能性

全能性：指同一種生物的所有細(xì)胞都含有相同的基因組DNA，都有發(fā)育成完整個(gè)體的潛能。2.基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性

時(shí)間性：個(gè)體發(fā)育的不同階段，基因表達(dá)的種類(lèi)和數(shù)量是不同的；空間性：在不同組織和器官中，基因表達(dá)的種類(lèi)和數(shù)量是不同的。13.轉(zhuǎn)錄和翻譯分開(kāi)進(jìn)行真核生物DNA在核中轉(zhuǎn)錄生成mRNA，穿過(guò)核膜至胞質(zhì)指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成；轉(zhuǎn)錄和翻譯不是同步進(jìn)行的，受多層次調(diào)控。

4.初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄后加工修飾初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為核不均一RNA

（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）5.不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)真核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋印?.部分基因多拷貝某些基因以多拷貝形式存在，如組蛋白和tRNA等，這樣既可滿(mǎn)足細(xì)胞的需要，也是表達(dá)調(diào)控的一種有效方式。單順?lè)醋?monocistron)

編碼一個(gè)多肽鏈的DNA的序列區(qū)域，相當(dāng)于真核細(xì)胞的一個(gè)基因。translationtranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′單順?lè)醋觤RNA

(monocistronicmRNA)（一）基因組DNA水平的調(diào)控1.染色質(zhì)的丟失

不可逆的調(diào)控。線(xiàn)蟲(chóng)胚胎期：1090個(gè)細(xì)胞成蟲(chóng)：959個(gè)細(xì)胞

131個(gè)細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中發(fā)生凋亡二、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制

2.基因擴(kuò)增（geneamplification）

當(dāng)細(xì)胞對(duì)某種基因產(chǎn)物需要量劇增，單純靠調(diào)節(jié)其表達(dá)活性不足滿(mǎn)足需要，只有增加這種基因的拷貝數(shù)。不適當(dāng)?shù)幕驍U(kuò)增可導(dǎo)致某些疾病的發(fā)生。3.基因重排（generearrangement）VJCVJCVJC免疫球蛋白IgG基因許多片段發(fā)生重排，為免疫球蛋白分子的多樣性奠定了基礎(chǔ)

指某些基因片段改變?cè)瓉?lái)存在順序而重新排列組合，成為一個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位。調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物多樣性。BCR-ABL融合基因形成示意圖(140kDa)(160kDa)4.基因的甲基化修飾

DNA上特定的CpG序列處的胞嘧啶發(fā)生甲基化修飾（5mC）。甲基化程度與基因的表達(dá)一般呈反比關(guān)系。甲基化程度愈高，基因的表達(dá)則降低。去甲基化，基因的表達(dá)增加。GCGCGCGCGene

DNA甲基化研究分析方法原理：甲基化通過(guò)影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。通過(guò)研究啟動(dòng)子部位的甲基化狀態(tài)來(lái)研究基因轉(zhuǎn)錄活性。方法：選用識(shí)別序列相同但酶切位點(diǎn)不同的對(duì)甲基化敏感性?xún)?nèi)切酶對(duì)待測(cè)序列進(jìn)行酶切。應(yīng)用：分析抑瘤基因表達(dá)下調(diào)的機(jī)制；分析組織/發(fā)育階段特異性基因的表達(dá)機(jī)制。

5.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用

組蛋白與DNA結(jié)合與解離是真核基因表達(dá)調(diào)控的重要機(jī)制之一。

非組蛋白主要作為反式作用因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

常染色質(zhì)中疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。1.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成2.順式作用元件(cis-actingelement)3.反式作用因子(trans-actingfactor)4.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制（二）真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控

以RNA聚合酶Ⅱ?yàn)槔?.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成

轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)和轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物(transcriptioninitiationcomplex,TIC)的形成。真核生物RNApol不與DNA直接結(jié)合，而需要依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。

2.順式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影響基因表達(dá)但不編碼新的蛋白質(zhì)和RNA的DNA序列，按照功能分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、負(fù)調(diào)控元件（沉默子等）。

（

1）啟動(dòng)子(promoter)

在基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(+1)及其5′上游近端大約100～200bp以?xún)?nèi)的一組具有獨(dú)立功能的DNA序列。每個(gè)元件長(zhǎng)度約為7～20bp，是決定RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄頻率的關(guān)鍵元件。

真核Ⅱ類(lèi)基因的順式作用元件圖

①核心啟動(dòng)子(corepromoter)

包括“轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)”及其上游-25～-30bp處富含TA的典型元件“TATA”盒。核心序列為T(mén)ATAAAA，功能：確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)并產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。

②上游啟動(dòng)子元件(upstreampromoterelement,UPE)包括通常位于-70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG），功能：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始的頻率，提高轉(zhuǎn)錄效率。

（2）

增強(qiáng)子(enhancer)

位于啟動(dòng)子上游或下游并通過(guò)啟動(dòng)子增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄效率的DNA順序，增強(qiáng)子本身不具備啟動(dòng)子活性。(3)其他元件包括負(fù)調(diào)控元件和終止子等。負(fù)調(diào)控元件:沉默子（silencer）或衰減子（dehancer）

真核基因內(nèi)能抑制基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，與反式作用因子相互結(jié)合而起作用。不受距離和方向的限制，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。終止子

在模板DNA分子的5′端轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。通常具有po1yA尾的基因終止信號(hào)為G／T簇，例如在SV40中的AGGTTTTTT序列為終止轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。

3.反式作用因子(trans-actingfactor)

能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式作用元件8～12bp核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。

在結(jié)構(gòu)上含有與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。（1）反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類(lèi)：

①通用轉(zhuǎn)錄因子。普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子。如TATAbox結(jié)合因子TFⅡD、GCbox結(jié)合因子SP1等。②組織特異性轉(zhuǎn)錄因子。與基因表達(dá)的組織特異性有很大關(guān)系。③誘導(dǎo)性反式作用因子?；钚阅鼙惶禺惖恼T導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。（2）轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)

RNA合成起始所必需的因子。TF不依賴(lài)RNA聚合酶而獨(dú)立地結(jié)合DNA，在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中促使許多RNA聚合酶分子與啟動(dòng)子結(jié)合。(2)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄活化域TF結(jié)合其它蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域（如，二聚化結(jié)構(gòu)域）TFⅢA結(jié)構(gòu)域示意圖TFⅢA肽鏈的指結(jié)構(gòu)域含有9個(gè)指，與相應(yīng)的DNA序列結(jié)合，指“尖”可以進(jìn)入DNA雙螺旋的大溝或小溝。但羧基端不具有指結(jié)構(gòu)，是RNA聚合酶Ⅲ和其它的轉(zhuǎn)錄因子相互作用的部位。

TATA因子與TATA盒結(jié)合，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，介導(dǎo)RNA聚合酶Ⅱ分子轉(zhuǎn)錄。

真核基因開(kāi)放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成圖RNA聚合酶Ⅱ識(shí)別并結(jié)合以上蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物。形成閉合復(fù)合物，DNA雙鏈沒(méi)有打開(kāi)，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄起始因子與RNA聚合酶結(jié)合，使DNA部分雙螺旋解開(kāi)成為開(kāi)放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，轉(zhuǎn)錄開(kāi)始合成RNA。DNA識(shí)別結(jié)合域：

鋅指（zincfinger）結(jié)構(gòu)

A．Cys2／His2鋅指結(jié)構(gòu)；

B．折疊的Cys2／His2鋅指結(jié)構(gòu)；C．Cys2／Cys2鋅指結(jié)構(gòu)同源結(jié)構(gòu)域（homeodomain，HD）同源盒基因家族各基因間具有一相同的保守序列。所含的至少二個(gè)α螺旋中形成“轉(zhuǎn)折”，第三個(gè)α螺旋與DNA大溝相互作用，是同源盒蛋白與DNA結(jié)合的主要力量。堿性-亮氨酸拉鏈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(gè)富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。DNA結(jié)合部位結(jié)構(gòu)域疏水性親水性親水性螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）

含兩個(gè)雙性α-螺旋，每3～4個(gè)氨基酸含一個(gè)疏水性殘基，中間為非螺旋環(huán)區(qū)，內(nèi)含一個(gè)或多個(gè)能阻斷螺旋的氨基酸殘基。①酸性α-