分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件

分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件1ThreelevelscontrolThreelevelscontrol2Threeorfourlevelscontrol?Threeorfourlevelscontrol?3Generegulationverycomplexineukaryotescells!Generegulationverycomplexi4Multipleplacescontrol!Multipleplacescontrol!5真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)：在真核生物中，染色體的結(jié)構(gòu)對(duì)基因的表達(dá)有明顯的調(diào)控作用；真核基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯是在不同地點(diǎn)不同時(shí)間進(jìn)行，從而使真核基因的表達(dá)有多種轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機(jī)制；基因表達(dá)具有時(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)的種類和數(shù)量是不同的。真核生物基因表達(dá)存在細(xì)胞特異性或組織特異性。真核生物的基因表達(dá)調(diào)控是多因子、多步驟的調(diào)控過(guò)程。真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)：6一

DNA水平的調(diào)控基因丟失在細(xì)胞分化過(guò)程中，某些原生動(dòng)物、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)等體細(xì)胞通過(guò)丟失某些基因而除去這些基因的活性?；驍U(kuò)增某個(gè)或某些基因的拷貝數(shù)選擇性增加的現(xiàn)象。這種增加可以發(fā)生在細(xì)胞或組織內(nèi)，也可以在體外(試管中)或在細(xì)胞或組織中。這種增加一般與基因組的其他基因的增加不成比例。（爪蟾卵母細(xì)胞成熟中rDNA的擴(kuò)增。）基因重排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。（免疫球蛋白IgG）一DNA水平的調(diào)控基因丟失7基因重排基因重排8DNA甲基化與基因的表達(dá)成反比關(guān)系直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件結(jié)合5′端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化CG序列結(jié)合蛋白結(jié)合DNaseⅠ高敏感區(qū)為去甲基化的標(biāo)志

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變組蛋白與DNA結(jié)合與解離（活性與非活性）非組蛋白與組蛋白競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合DNA，解除組蛋白對(duì)基因表達(dá)的抑制組蛋白修飾（甲基化、乙酰化、磷酸化）常染色質(zhì)與異染色質(zhì)的互變DNA甲基化9DNA甲基化DNA甲基化10（一）順式作用元件（cis-element）：順式作用元件:指DNA上對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的某些特定的調(diào)節(jié)序列，其活性僅影響與其自身處于同一DNA分子的基因。這種DNA序列多位與基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，不編碼蛋白質(zhì)。1、啟動(dòng)子2、增強(qiáng)子3、絕緣子4、應(yīng)答元件二轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）順式作用元件（cis-element）：二轉(zhuǎn)錄水平的11分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件12分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件131、

啟動(dòng)子(promotor)位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，具有相對(duì)固定位置，且為轉(zhuǎn)錄起始所必需的序列元件。啟動(dòng)子一般模式：核心啟動(dòng)子，TATAbox上游啟動(dòng)子成分（UPE），CAATbox等TATA框控制轉(zhuǎn)錄的精確性，而UPE則控制轉(zhuǎn)錄的起始頻率，啟動(dòng)子的強(qiáng)度決定于UPE的數(shù)目和種類。分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件14分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件15CorePromotorICorePromotorIIAssemblyofRNApolIIICorePromotorICorePromotorI162、

增強(qiáng)子(enhancer)位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)較遠(yuǎn)位置上，具有參與、激活和增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄起始功能的序列元件。增強(qiáng)子元件常常是組織特異性或短暫調(diào)節(jié)的靶位點(diǎn)。增強(qiáng)子特點(diǎn)：與啟動(dòng)子的相對(duì)位置和取向無(wú)關(guān)，只要存在于同一DNA分子上都能起作用；沒(méi)有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合中表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)；嚴(yán)格的組織特異性和細(xì)胞特異性；2、

增強(qiáng)子(enhancer)17增強(qiáng)子(enhancer)增強(qiáng)子(enhancer)183、

絕緣子(insulator)

能阻斷激活或失活效應(yīng)通過(guò)的元件，它們有一種或同時(shí)有兩種主要特征：當(dāng)絕緣子位于增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的時(shí)候，它能阻斷增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子的激活作用當(dāng)絕緣子位于活性基因和異染色質(zhì)之間時(shí)，能保護(hù)活性基因免受異染色質(zhì)延伸所帶來(lái)的失活效應(yīng)絕緣子的作用是增強(qiáng)基因調(diào)控的準(zhǔn)確性3、

絕緣子(insulator)19分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件204、

應(yīng)答元件(responseelement)一組受共同調(diào)控的基因，各基因都有一個(gè)相同的序列元件，該元件是誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子（inducibleactivator）識(shí)別靶基因的位點(diǎn),稱為應(yīng)答元件（responseelement）。 如：熱休克應(yīng)答元件（HSE）、血清應(yīng)答元件（SRE）、糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件（GRE）特點(diǎn)：是啟動(dòng)子的上游元件（如HSE）或增強(qiáng)子（如GRE）都含有短的共有序列，但不一定完全相同轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)在共有序列的任一側(cè)附近4、

應(yīng)答元件(responseelement)一組受共同21應(yīng)答元件動(dòng)物模型植物模型應(yīng)答元件動(dòng)物模型植物模型22（二）反式作用因子(trans-actingfactor)真核細(xì)胞內(nèi)序列特異的DNA（8-15bp）結(jié)合蛋白可以使基因開(kāi)放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄活性域，結(jié)合其它蛋白結(jié)構(gòu)域反式作用因子:指能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式作用元件8～15bp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)，也稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白(sequencespecificDNAbindingprotein，SDBP)，這是一類細(xì)胞核內(nèi)蛋白質(zhì)因子。在結(jié)構(gòu)上含有與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。（二）反式作用因子(trans-actingfactor)23DNAStructure–MajorandMinorGroovesDNAStructure–MajorandMino24反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類：

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)。反式作用因子根據(jù)作用方式分為三類：①通用轉(zhuǎn)錄因子。普遍存25DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）鋅指結(jié)構(gòu)（Zincfingermotif）同源結(jié)構(gòu)域（Homodomain）亮氨酸拉鏈（Leucinezipper）螺旋-環(huán)-螺旋(Helix-loop-helixstructure)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(Helix-turn-helix)DNA結(jié)合域（DNA-bindingdomain）鋅指結(jié)構(gòu)261)DNA識(shí)別結(jié)合域：

①鋅指（zincfinger）結(jié)構(gòu)

指含有一段保守氨基酸順序的蛋白質(zhì)與該蛋白的輔基鋅螫合而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，分為鋅指、鋅扭（twist）和鋅簇（cluster）結(jié)構(gòu)；也有按照與鋅結(jié)合的氨基酸殘基性質(zhì)分為Cys2／Cys2和Cys2／His2指。1)DNA識(shí)別結(jié)合域：①鋅指（zincfinger）結(jié)構(gòu)27

（A）鋅指結(jié)構(gòu)示意圖（Cys2／His2鋅指結(jié)構(gòu)）兩個(gè)半胱氨酸殘基和兩個(gè)組氨酸殘基(His)，通過(guò)與位于中心的鋅離子以配位鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的指狀結(jié)構(gòu)。

（A）鋅指結(jié)構(gòu)示意圖（Cys2／His28（B）Cys2／Cys2鋅指結(jié)構(gòu)示意圖（B）Cys2／Cys2鋅指結(jié)構(gòu)示意圖29ZincFingerMotifZincFingerMotif30②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，稱為同源結(jié)構(gòu)域。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。

功能：調(diào)節(jié)與機(jī)體各部分正常發(fā)育或正常分化的有關(guān)基因的表達(dá)。②同源結(jié)構(gòu)域（homeodomain，HD）31同源結(jié)構(gòu)域及其作用同源結(jié)構(gòu)域及其作用32③堿性亮氨酸拉鏈（basic1eucinezipper，bLZ）

有些肽鏈C末端有一段30個(gè)氨基酸序列以α-螺旋構(gòu)型出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)單元，每間隔6個(gè)氨基酸出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸殘基，能形成兩性α-螺旋。兩個(gè)具有這種結(jié)構(gòu)的因子接觸后可借助側(cè)鏈?zhǔn)杷越诲e(cuò)對(duì)插，形成穩(wěn)定卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的二聚體。

功能：可使堿性區(qū)與DNA的親和力明顯增加。③堿性亮氨酸拉鏈（basic1eucinezipper，33LeucineZipperLeucineZipper34④螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）結(jié)構(gòu):

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。④螺旋-環(huán)-螺旋35helix-loop-helixhelix-loop-helix36⑤Helix-turn-helix(α螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋)結(jié)構(gòu)為第一個(gè)被確立的DNA-結(jié)合結(jié)構(gòu)，是最常見(jiàn)DNA結(jié)合域之一，常結(jié)合CAAT盒，屬常見(jiàn)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白因子。⑤Helix-turn-helix(α螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋37Helix-turn-helixHelix-turn-helix38

2)轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域（transcriptionalactivationdomain）反式作用因子并非都需要其直接與DNA結(jié)合，轉(zhuǎn)錄活化域是反式作用因子必須具備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄活化域通常是依賴于DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域以外的30～100個(gè)氨基酸殘基。轉(zhuǎn)錄因子通常具有一個(gè)以上的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)。2)轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域39轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域模型有以下幾種：①酸性α-螺旋（acidicα-helixdomain）含有較多的負(fù)電荷。能非特異性地與起始復(fù)合物（如TATA盒結(jié)合因子）相互作用發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能。②富含谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)域（glutamine-richdomain）最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一。

③富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域（proline-richdomain）轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域模型有以下幾種：①酸性α-螺旋（acidicα40三轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控反式作用因子的活性調(diào)節(jié)表達(dá)式調(diào)節(jié)合成后即有活性，不能積累共價(jià)修飾磷酸化、去磷酸化，糖基化配體結(jié)合激素受體蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用復(fù)合物的解離與形成三轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控反式作用因子的活性調(diào)節(jié)41反式作用因子與順式元件的結(jié)合反式作用因子的作用方式成環(huán)使相應(yīng)位點(diǎn)接近而發(fā)揮作用扭曲改變DNA構(gòu)型滑動(dòng)沿DNA滑動(dòng)到另一特異序列而發(fā)揮作用連鎖反應(yīng)（Oozing）轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合后促進(jìn)與另一轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合反式作用因子的組合式調(diào)控作用組合式基因調(diào)控（conbinatorialgeneregulation）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特定作用反式作用因子與順式元件的結(jié)合42真核基因的調(diào)控模型:Britten—Davidson模型原始模型真核基因的調(diào)控模型:Britten—Davidson模型原43改進(jìn)模型Ⅰ:多重調(diào)節(jié)基因改進(jìn)模型Ⅰ:多重調(diào)節(jié)基因44改進(jìn)模型Ⅱ:多重受體基因改進(jìn)模型Ⅱ:多重受體基因45四轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1.加帽和加尾的調(diào)控意義5ˊ端加帽:真核生物轉(zhuǎn)錄生成的mRNA在轉(zhuǎn)錄后，在5ˊ端加上7－甲基鳥(niǎo)苷(m7GPPPmNp-)

意義:①能被核糖體小亞基識(shí)別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉RNA5’末端，以保護(hù)mRNA免疫5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。③有助于mRNA越過(guò)核膜，進(jìn)入胞質(zhì)。四轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1.加帽和加尾的調(diào)控意義5ˊ端加帽:真463ˊ端加尾:轉(zhuǎn)錄后在mRNA在3ˊ末端加上50～200個(gè)腺苷酸，即poly(A)尾（成熟mRNA）。意義：①可能有助mRNA從核到細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；②避免在細(xì)胞中受到核酶降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性。3ˊ端加尾:轉(zhuǎn)錄后在mRNA在3ˊ末端加上50～2472.mRNA前體的剪接、選擇性剪接對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用

（1）mRNA前體的剪接真核細(xì)胞基因表達(dá)所轉(zhuǎn)錄出的mRNA前體在剪接酶作用下，有序刪除每一個(gè)內(nèi)含子并將外顯子拼接起來(lái)，形成成熟的mRNA，這一過(guò)程即為剪接。

生物體內(nèi)內(nèi)含子的主要類型：

GU-AG、AU-AC、Ⅰ類內(nèi)含子、Ⅱ類內(nèi)含子2.mRNA前體的剪接、選擇性剪接對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用（48分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件495種snRNA(，U1、U2、U4、U5、U6)+100多種蛋白

GU-AG、AU-AC類內(nèi)含子的剪接剪接體(spliceosome)5種snRNA(，U1、U2、U4、U5、U6)+10050I、II類內(nèi)含子的自我剪接I、II類內(nèi)含子的自我剪接51

高等真核細(xì)胞中,某個(gè)內(nèi)含子5ˊ的供點(diǎn)在特定條件下可與另一個(gè)內(nèi)含子3ˊ受點(diǎn)進(jìn)行剪接，同時(shí)刪除這兩個(gè)內(nèi)含子及其中間的全部外顯子或內(nèi)含子，即一個(gè)外顯子或內(nèi)含子是否出現(xiàn)在成熟的mRNA中是可以選擇的，這種剪接方式稱為選擇性剪接。

（2）mRNA的選擇性剪接Exon，Intron是否出現(xiàn)在成熟mRNA是可以選擇。

意義：在高等生物細(xì)胞的高度異質(zhì)性中起重要作用。由于剪接的多樣化，一個(gè)基因在轉(zhuǎn)錄后通過(guò)mRNA前體的剪接加工而產(chǎn)生兩個(gè)或更多的蛋白質(zhì)。高等真核細(xì)胞中,某個(gè)內(nèi)含子5ˊ的供點(diǎn)在特定條件下可與52分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件53分子遺傳學(xué)-5章-真核生物基因的表達(dá)調(diào)控課件54３.RNA的編輯RNA編輯（editing）:是指轉(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基的突變、加入或丟失等現(xiàn)象。３.RNA的編輯RNA編輯（editing）:是指轉(zhuǎn)55五翻譯水平的調(diào)控mRNA運(yùn)輸控制mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)mRNA結(jié)構(gòu)調(diào)控翻譯起始的調(diào)控

翻譯過(guò)程和翻譯后水平的調(diào)控主要表現(xiàn)在翻譯的起始、延長(zhǎng)、蛋白質(zhì)的加工修飾及定位等方面。五翻譯水平的調(diào)控mRNA運(yùn)輸控制翻譯過(guò)程和56１.mRNA運(yùn)輸控制運(yùn)輸控制（transportcontrol）是對(duì)轉(zhuǎn)錄本從細(xì)胞核運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。合成的RNA大約有1/2能被運(yùn)出核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，50％左右的在核內(nèi)降解，還有一些留在核。

１.mRNA運(yùn)輸控制運(yùn)輸控制（transportcont57２.mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)原核生物mRNA的半衰期很短，平均大約3min。高等真核生物迅速生長(zhǎng)的細(xì)胞中mRNA的半衰期平均3h。在高度分化的終端細(xì)胞中許多mRNA極其穩(wěn)定，有的壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)天。２.mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)原核生物mRNA的半衰期很短，平均大58３.mRNA結(jié)構(gòu)的影響3.1mRNA5’前導(dǎo)序列對(duì)翻譯水平的影響３.mRNA結(jié)構(gòu)的影響3.1mRNA5’前導(dǎo)序列對(duì)翻譯水平595’m7G帽結(jié)構(gòu)是否存在和