第五章 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控

第五章真核生物基因表達(dá)的調(diào)控真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)：

1．基因組DNA存在的形式與原核生物不同；2．真核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯分別在細(xì)胞的細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；3．真核基因表達(dá)的調(diào)控可以在多個(gè)水平上進(jìn)行：DNA水平的調(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；4．不同組織和細(xì)胞類型合成不同的一套蛋白質(zhì)，即具有細(xì)胞特異性或組織特異性；5．真核生物基因調(diào)控的信號分子；6．持家基因和時(shí)態(tài)基因。第一節(jié)真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)一、真核細(xì)胞與原核細(xì)胞在基因表達(dá)與DNA空間結(jié)構(gòu)上的差異：P238；二、基因家族1、簡單多基因家族；2、復(fù)雜多基因家族；三、真核基因的斷裂結(jié)構(gòu)——斷裂基因外顯子與內(nèi)含子（定義、可變性、連接區(qū)）；四、真核生物DNA水平的調(diào)控；基因家族1、定義：P2392、類型：P239（1）、簡單多基因家族：rRNA基因（rDNA）形成串聯(lián)重復(fù)序列：參見書P240；（2）、復(fù)雜多基因家族：組蛋白基因家族，P241；（3）、發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族：血紅蛋白基因家族TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit.果蠅海膽Organizationofhistonegenesintheanimalgenome.血紅蛋白基因家族有功能的血紅蛋白基因的基本結(jié)構(gòu)：三個(gè)外顯子被兩個(gè)內(nèi)含子隔開類和類珠蛋白基因家族人在發(fā)育過程中的血紅蛋白類型三、真核基因的斷裂結(jié)構(gòu)1、外顯子與內(nèi)含子：定義2、外顯子與內(nèi)含子的可變性——同一段DNA序列生成了兩條或兩條以上的mRNA鏈；3、外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū)——特點(diǎn):1）內(nèi)含子兩端序列不能互補(bǔ)；2）連接區(qū)序列高度保守（GT-AG法則）；斷裂基因——外顯子與內(nèi)含子有些DNA序列可編碼一條以上的蛋白質(zhì)相同密碼子、不同起始位點(diǎn)產(chǎn)生長度不同的蛋白質(zhì)不同起始位點(diǎn)、不同讀碼順序產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)外顯子與內(nèi)含子的可變性——不同外顯子的使用產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū)：1）內(nèi)含子兩端序列不能互補(bǔ)；2）連接區(qū)序列高度保守（GT-AG法則）四、真核生物DNA水平的調(diào)控1、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄的影響2、基因丟失—馬蛔蟲；3、基因擴(kuò)增—rDNA；4、基因重排與變換—小鼠免疫球蛋白、人類血紅蛋白；1、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄的影響轉(zhuǎn)錄發(fā)生之前，染色質(zhì)常常在特定的區(qū)域被解旋或松弛，形成自由DNA并發(fā)生DNA局部結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合，從而使基因轉(zhuǎn)錄。HMG蛋白與啟動子的結(jié)合，導(dǎo)致單鏈區(qū)形成，使啟動子暴露，產(chǎn)生了DNaseⅠ超敏感位點(diǎn)。Nucleosomesinchromatinstructure.(A)thecorenucleosomeparticle;(B)10-nmnucleosomearray,(beadsonastring);(C)30-nmsolenoid;DNaseⅠhypersensitivesitesinthemaizeAdh1promoter.染色體中組蛋白的乙酰化與去乙?；刂浦旧w的活性ElectronmicrographofrRNAbeingtranscriped.基因擴(kuò)增：P247定義：實(shí)例：非洲爪蟾卵母細(xì)胞中的rRNA基因(rDNA)rDNA以簡單多基因家族形式形成中度重復(fù)序列TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit.基因重排與變換基因重排的定義：P248實(shí)例：小鼠免疫球蛋白、人類血紅蛋白；人類血紅蛋白基因免疫球蛋白由兩條重鏈（可變區(qū)V、連接區(qū)J、恒定區(qū)C）和兩條輕鏈（V、C）組成；免疫球蛋白及其基因重排DNA甲基化與基因活性的調(diào)控DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化與表達(dá)。其機(jī)理是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。DNA的甲基化能提高該位點(diǎn)的突變頻率，因而可作為誘變劑或致癌因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)。X染色體上DNA的高度甲基化可引起X染色體的失活。第二節(jié)順式作用元件與基因調(diào)控真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要通過順式作用元件與反式作用因子的相互作用來實(shí)現(xiàn)；一、啟動子及其對轉(zhuǎn)錄的影響；二、增強(qiáng)子及其對轉(zhuǎn)錄的影響；一、啟動子（Ⅱ型）及其對轉(zhuǎn)錄的影響1、真核基因的結(jié)構(gòu)及其功能基因的定義：P255；原核和真核基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游區(qū)結(jié)構(gòu)（起始位點(diǎn)與調(diào)控區(qū)域）的比較：3端的poly（A）位點(diǎn)與其上游的AATAAA區(qū)；structureandorganizationofaeukaryoticgene2、真核生物啟動子的多元性1）真核基因啟動子的結(jié)構(gòu)：P255：TAAT區(qū)：精確起始轉(zhuǎn)錄；CAAT區(qū)和GC區(qū)：控制轉(zhuǎn)錄起始頻率。2）真核基因啟動子的多元性：并不是每個(gè)基因的啟動子區(qū)都包含這三個(gè)UPE；3）真核基因啟動子的UPE對轉(zhuǎn)錄起始的決定性作用可能是各個(gè)UPE之間的距離，而不是序列本身。真核基因啟動子的多元性RNApolⅠ的啟動子RNApolⅠ負(fù)責(zé)5.8S、18S、28SrRNA的合成RNApolⅠ的啟動子由核心啟動子及上游調(diào)控元件（UCE）構(gòu)成。核心啟動子能夠啟動轉(zhuǎn)錄，其活性被UCE增強(qiáng)。所需轉(zhuǎn)錄輔助因子為UBF1和SL1RNApolⅠ啟動子起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成RNApolⅢ的啟動子RNApolⅢ主要負(fù)責(zé)tRNA和5SrRNA的合成；RNA聚合酶Ⅲ的啟動子有兩類，5SrRNA和tRNA基因的啟動子在起始位點(diǎn)的下游，即在基因的內(nèi)部，稱為內(nèi)部啟動子，這是很特殊的。另一類啟動子在起始位點(diǎn)上游，如snRNA（核內(nèi)小RNA）基因的啟動子。所需轉(zhuǎn)錄因子為TFⅢA、TFⅢB、TFⅢC。RNApolⅢ啟動子與轉(zhuǎn)錄起始因子起始轉(zhuǎn)錄3、增強(qiáng)子及其對轉(zhuǎn)錄的影響：P257定義：增強(qiáng)子增強(qiáng)子的性質(zhì)；Ageneenhancerelementcanfunctioningeneregulationatadistance.第三節(jié)反式作用因子

（轉(zhuǎn)錄因子）對轉(zhuǎn)錄的影響一、轉(zhuǎn)錄因子的類型；二、轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域；一、轉(zhuǎn)錄因子的類型1、具有普遍性作用的通用轉(zhuǎn)錄因子一般作用于類型Ⅱ基因的基本核心啟動子元件，如TATA框和轉(zhuǎn)錄起始區(qū)域(INR)，一般參與啟動子上轉(zhuǎn)錄起始反應(yīng)。它們使啟動子進(jìn)行低水平基礎(chǔ)性轉(zhuǎn)錄，可以被轉(zhuǎn)錄活化因子進(jìn)一步激活，也可被轉(zhuǎn)錄抑制因子阻遏。

2、細(xì)胞或基因特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。作用于轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成過程中的某些靶分子和控制位點(diǎn)，往往含有DNA序列特異性結(jié)合的結(jié)構(gòu)域和激活(活化)結(jié)構(gòu)域。DNA序列持異性結(jié)合的結(jié)構(gòu)域使它們結(jié)合、固定到啟動子上游調(diào)控區(qū)上?；罨Y(jié)構(gòu)域被認(rèn)為是直接或間接地接觸到普遍性轉(zhuǎn)錄因子內(nèi)的靶上，對轉(zhuǎn)錄的起始過程實(shí)行調(diào)控。

TFⅡD的一個(gè)亞基TBP即TATA框結(jié)合蛋白，是一個(gè)普遍性的轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD的一個(gè)亞基是特異識別TATA框的，稱為TATA框結(jié)合蛋白（TBP）；其余亞基叫TBP-相關(guān)因子（TAF）；起始復(fù)合物的組裝過程：TFⅡD（TBP、TAFs）+DNA+TFⅡA+TFⅡB+（TFⅡF+RNApolⅡ）+TFⅡE由RNApolⅡ與通用轉(zhuǎn)錄因子組成基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置——起始復(fù)合物RNApolⅡ的上游元件及其轉(zhuǎn)錄因子上游元件：TATA框、GC框、CAAT框、八聚體（octamer，一個(gè)8bp元件）。轉(zhuǎn)錄因子：1、TATA框結(jié)合蛋白：TFⅡD、TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE等；2、SP1：結(jié)合到GC框，能與啟動子的任一條鏈結(jié)合。其DNA結(jié)合域在C端，含有三個(gè)鋅指。3、結(jié)合CAAT框的因子：有多種，其中一類是CTF家族，其成員與CAAT框的親和力相同；另一類是CP家族，其成員與不同啟動子的CAAT框的親和力不同。RNApolⅡ的上游元件及其轉(zhuǎn)錄因子二、轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域1、鋅指（Zincfingerregion）2、亮氨酸“拉鏈”式二聚體（leucinezipper）3、螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)（helix-loop-helix，HLH）4、結(jié)合相關(guān)靶DNA的同源域（hemeodomain）：5、類固醇受體（steroidreceptor）Threemajorcategoriesoftranscriptionfactorpeotein1、鋅指：P301定義：保守氨基酸的殘基與鋅離子結(jié)合，使中間的氨基酸殘基回折成一種手指狀結(jié)構(gòu)，稱為鋅指。結(jié)構(gòu)：保守序列：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His；Cys2/His2鋅指，Cys2/Cys2鋅指；功能：鋅指區(qū)負(fù)責(zé)識別并結(jié)合于DNA上特異的目標(biāo)位點(diǎn)。有兩類與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)具有這種結(jié)構(gòu)，即經(jīng)典的鋅指蛋白與類固醇受體。不同蛋白質(zhì)鋅指數(shù)目不同。糖皮質(zhì)激素特異性雌激素特異性類固醇激素受體是以二聚體形式發(fā)揮其促進(jìn)轉(zhuǎn)錄作用的。它們的兩個(gè)鋅指的功能不同。第1個(gè)鋅指的右側(cè)是控制與DNA結(jié)合的，第2個(gè)鋅指的左側(cè)則是控制形成二聚體的能力的。2、亮氨酸“拉鏈”式二聚體P303此種結(jié)構(gòu)基元的特點(diǎn)是蛋白質(zhì)的-螺旋的一側(cè)集中了許多疏水氨基酸，兩分子蛋白質(zhì)的這種疏水側(cè)面相互作用使之形成二聚體。這些-螺旋的一個(gè)突出特點(diǎn)是頻繁出現(xiàn)亮氨酸，并且趨于每7個(gè)氨基酸殘基出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸，這種出現(xiàn)頻率使得在形成-螺旋時(shí)，亮氨酸出現(xiàn)在-螺旋的疏水一側(cè)，并且直線排列。早期設(shè)想的這些-螺旋之間的蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用的模式是亮氨酸殘基的交錯(cuò)插入，因而把它叫成亮氨酸拉鏈?，F(xiàn)在已知，在兩個(gè)蛋白質(zhì)上的亮氨酸殘基是肩并肩地排列起來的，并且相互作用的兩個(gè)-螺旋是彼此纏繞在一起，成為螺旋了的螺旋。亮氨酸拉鏈蛋白在序列上的另一個(gè)共同特點(diǎn)是，在拉鏈區(qū)的氨基端有個(gè)約30個(gè)殘基的堿性區(qū)(富含賴氨酸和精氨酸)。此區(qū)的作用是與DNA結(jié)合，它也形成-螺旋。亮氨酸拉鏈區(qū)的作用是將一對與DNA結(jié)合的區(qū)域拉在一起，以結(jié)合兩個(gè)相鄰的DNA序列。

3、螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)（helix-loop-helix，HLH）HLH蛋白的共同結(jié)構(gòu)：含40-50個(gè)氨基酸殘基，其中含兩個(gè)既親水又親脂的-螺旋（helix），-螺旋被不同長度的連接區(qū)（loop）分開。HLH蛋白借兩個(gè)螺旋對應(yīng)面上疏水基團(tuán)相互作用形成同樣亞基或不同亞基構(gòu)成的二聚體。HLH區(qū)可能使各亞基的兩個(gè)堿性區(qū)正確定向。與HLH區(qū)相鄰的是強(qiáng)堿性的區(qū)域，它是與DNA結(jié)合必須的。

bHLH蛋白是以二聚體與DNA結(jié)合并發(fā)揮作用的。一個(gè)同二聚體或一個(gè)異二聚體的兩個(gè)亞基都有堿性區(qū)時(shí)才能與DNA結(jié)合。HLH結(jié)構(gòu)域的作用大概是正確安置這兩個(gè)(由每個(gè)亞基提供一個(gè))堿性區(qū)的位置。4、結(jié)合相關(guān)靶DNA的同源域蛋白：P304同源域蛋白：是指由60個(gè)保守氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域。它存在于許多或幾乎所有真核生物的DNA結(jié)合蛋白中，負(fù)責(zé)與DNA結(jié)合。編碼同源域的DNA序列稱為同源域（同源轉(zhuǎn)換）基因，可能與生物的生長、發(fā)育和分化密切相關(guān)。同源域具有三個(gè)螺旋區(qū)并通過螺旋區(qū)與DNA發(fā)生識別和結(jié)合。圖示果蠅engrailed基因產(chǎn)物的同源異型域與DNA結(jié)合的模式圖。從圖中可以看出，螺旋3結(jié)合在DNA的大溝中，它是蛋白質(zhì)和DNA的主要接觸部位。螺旋3的一些部位與磷酸骨架結(jié)合，這是沒有特異性的。但中間部分則與堿基相結(jié)合，這種結(jié)合規(guī)定著特異性。螺旋2和螺旋3形成螺旋—轉(zhuǎn)角—螺旋式樣，螺旋1和螺旋2為反平行樣式，它們與螺旋3近于垂直。此外，在結(jié)構(gòu)域N端有個(gè)伸展的臂，它伸入到小溝中，成為蛋白質(zhì)與DNA的另一個(gè)接觸位點(diǎn)。5、類固醇受體（steroidreceptor）受體的定義及其具備的條件：受體：靶細(xì)胞上與活性物質(zhì)（配體）專一性結(jié)合，并傳遞信息的部位稱為受體。受體應(yīng)具備4個(gè)條件：1）和配體呈特異性結(jié)合；2）和配體有很強(qiáng)的親和力；3）在細(xì)胞表面或細(xì)胞內(nèi)，它的數(shù)量是穩(wěn)定的，而且容量極小，容易為配體所飽和；4）主要分布在特異的靶細(xì)胞上。所有固醇類激素受體蛋白分子都有相同的結(jié)構(gòu)框架：同源性最差的N端、高度保守的中央DNA結(jié)合區(qū)、C端較保守的激素結(jié)合區(qū)。激素-受體-激素應(yīng)答元件一起調(diào)控與生長、發(fā)育及分化有關(guān)基因的表達(dá)。P322三、轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域：P306帶有負(fù)電荷的螺旋結(jié)構(gòu)富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)特異轉(zhuǎn)錄因子：P325概念與縮寫：應(yīng)答元件；HSE、GRE、MRE、HSF等；1、熱激基因結(jié)合蛋白（熱激因子HSF）：P325-328；2、金屬硫蛋白基因的多重調(diào)控：金屬硫蛋白基因的多重調(diào)控機(jī)制糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件基礎(chǔ)水平元件金屬應(yīng)答元件佛波酯應(yīng)答元件GC區(qū)TATA區(qū)五、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要模式1、蛋白質(zhì)磷酸化ATP或GTP上的磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過程，可逆。蛋白質(zhì)磷酸化與去磷酸化是生物體內(nèi)普遍存在的信息傳導(dǎo)調(diào)節(jié)方式。2、蛋白質(zhì)磷酸化在信號傳導(dǎo)中的作用介導(dǎo)胞外信號專一應(yīng)答對外界刺激做出迅速的反應(yīng)對外界信號具有級聯(lián)放大作用對外界信號的持續(xù)反應(yīng)3、跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑離子通道G蛋白偶聯(lián)受體跨膜蛋白激酶受體4、蛋白激酶的種類與功能根據(jù)是否有調(diào)節(jié)物可分成兩大類：?信使依賴性蛋白質(zhì)激酶?非信使依賴型蛋白激酶。根據(jù)作用底物可分為三類：絲氨酸/蘇氨酸型酪氨酸型雙重底物特異性蛋白激酶既可使絲/蘇氨酸磷酸化又可使酪氨酸磷酸化。（1）受cAMP調(diào)控的A激酶?依賴于cAMP的蛋白酶稱為A激酶（PKA）?PKA全酶由4個(gè)亞基組成(R2C2）C亞基具有催化活性，R亞基具有調(diào)節(jié)功能，R亞基對C亞基具有抑制作用?全酶（R2C2）無催化活性。?R亞基與cAMP結(jié)合導(dǎo)致C亞基解離表現(xiàn)出活性。（2）受Ca2+調(diào)控的C激酶C激酶（PKC）是依賴于Ca2+的蛋白質(zhì)激酶。IP3（肌醇三磷酸）引起細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度升高，C激酶被DAG（二酰基甘油）和Ca2+的雙重影響所激活，使絲/蘇氨酸磷酸化導(dǎo)致信號的傳遞。5、激素調(diào)節(jié)?激素調(diào)控作用是通過啟始基因轉(zhuǎn)錄而實(shí)現(xiàn)的。?cAMP作為第二信使?解除受體蛋白與DNA結(jié)合區(qū)起始基因表達(dá)六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控1、RNA加工成熟無論是rRNA、tRNA、mRNA，轉(zhuǎn)錄后都必須經(jīng)過加工，才能成為有功能的分子。2、轉(zhuǎn)錄后加工的多樣性（1）簡單轉(zhuǎn)錄單位?編碼產(chǎn)生一個(gè)多肽，轉(zhuǎn)錄后加工有3種形式。a、基因沒有內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后無需加工，也沒poly(A),如組蛋白基因。b、沒有內(nèi)含子，無需剪切，但需要加poly(A尾，如α-干擾素基因。c、有內(nèi)含子，需要加工，及加poly(A)尾。（2）復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位?轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可通過不同的方式加工成兩個(gè)或兩個(gè)以上的mRNA。a、利用多個(gè)剪接位點(diǎn)產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。b、