《真核基因表达调控》PPT课件.ppt

第七章第七章 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression )7.1 DNA水平的调控水平的调控7.2 转录水平的调控转录水平的调控(transcriptional regulation)7.3 转录后水平的调控转录后水平的调控(post transcriptional regulation)7.4 翻译水平的调控翻译水平的调控(translational regulation)7.5 翻译后水平的调控翻译后水平的调控(protein maturation)真核基因组结构特点真核基因组结构特点•真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 3×103×109 9bpbp、染色质、、染色质、染色体、核膜染色体、核膜•单顺反子单顺反子(monocistron)(monocistron)•含有大量重复序列　含有大量重复序列　 •基因不连续性基因不连续性 断裂基因（断裂基因（interrupted interrupted genegene）、内含子）、内含子(intron)(intron)、、 外显子外显子(exon)(exon)•非编码区较多非编码区较多 多于编码序列多于编码序列(9:1)(9:1)•原核生物：生长调控；真核生物：分化调控原核生物：生长调控；真核生物：分化调控•RNARNA聚合酶聚合酶 TATATATA盒结合蛋白盒结合蛋白•活性染色体结构变化活性染色体结构变化•正性调节占主导正性调节占主导•转录与翻译间隔进行转录与翻译间隔进行•转录后修饰、加工转录后修饰、加工真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点多层次调控多层次调控失活失活7.1 DNA水平的调控水平的调控•染色质的丢失：不可逆染色质的丢失：不可逆–核的全能性（核的全能性（totipotencytotipotency）：细胞核内保存了个）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因体发育所必需的全部基因•基因扩增基因扩增(gene amplification)(gene amplification)：增加基因的：增加基因的拷贝数拷贝数–非洲爪蟾卵母细胞非洲爪蟾卵母细胞rRNArRNA基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增20002000倍，倍，达达10101212个核糖体个核糖体–药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加因拷贝数异常增加•基因重排基因重排(gene rearrangement)(gene rearrangement)：：–如免疫球蛋白基因重排，多样性如免疫球蛋白基因重排，多样性DNA水平的调控水平的调控•DNADNA甲基化甲基化(DNA methylation)(DNA methylation)：：–m mCpGCpG，即，即“CpGCpG岛岛(CpG-rich islands)(CpG-rich islands)”–甲基化甲基化(methylated)(methylated)程度高，基因表达降低；程度高，基因表达降低； 去甲基化去甲基化(undermethylated)(undermethylated)：基因表达增：基因表达增加加•染色质染色质(chromatin)(chromatin)或染色体或染色体(chromosome)(chromosome)结构结构对基因表达的调控：对基因表达的调控：DNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活•雌性胎生哺乳动物细胞中两条雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在染色体之一在发育早期随机失活发育早期随机失活•X染色体失活中心染色体失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic):Xist基因基因(Xi-specific transcript)XistX染色体染色体其他位点其他位点甲基化，不转录甲基化，不转录活性活性去甲基化，活性去甲基化，活性去甲基化，转录去甲基化，转录失活失活甲基化，失活甲基化，失活•常染色质常染色质:结构松散，结构松散，基因表达基因表达•异染色质异染色质:结构紧密，结构紧密，基因不表达基因不表达•有基因表达活性的染有基因表达活性的染色质色质DNA对对 DNaseⅠ更更敏感，即敏感，即DnaseⅠ的的敏敏感性感性可作为该基因的可作为该基因的转录活性的标志。

转录活性的标志7.2 转录水平的调控转录水平的调控7.2.1 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)7.2.2 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)7.2.3 转录起始的调控转录起始的调控7.2.1 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)•影响影响自身基因自身基因表达活性的表达活性的DNADNA序列序列•非编码序列非编码序列•分启动子、增强子、沉默子分启动子、增强子、沉默子•启动子是一段特定的直接与启动子是一段特定的直接与RNARNA聚合酶及其转录因子相聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的结合、决定基因转录起始与否的DNADNA序列不同的启动序列不同的启动子对子对RNARNA聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子（（trans-acting factorstrans-acting factors）也不同，因此，基因转录）也不同，因此，基因转录活性也很不相同活性也很不相同 顺式作用元件（一）顺式作用元件（一） 启动子启动子典型的原核启动子有四大要素典型的原核启动子有四大要素 1.1.转录起始位点转录起始位点 区区 区区 区与区与-35-35区之间的间隔区之间的间隔Ø原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CATCAT（（A A为起始位点）。

为起始位点）Ø-10-10区是一个区是一个6 6碱基保守序列（常以碱基保守序列（常以-10-10为中心）为中心）T T8080A A9595T T4545A A6060A A5050T T9696，有助于，有助于DNADNA的解链Ø-35-35区是另一个区是另一个6 6碱基保守序列（常以碱基保守序列（常以-35-35为中心）为中心）T T8282T T8484G G7878A A6565C C5454A A4545Ø当当-10-10区和区和-35-35区中心位置相距区中心位置相距16-18bp16-18bp时，该启动子的时，该启动子的功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相应减弱 真核基因启动子真核基因启动子 •真核生物有真核生物有3 3类类RNARNA聚合酶，负责转录聚合酶，负责转录3 3类不同的启动子，类不同的启动子，分别为：分别为：ⅠⅠ类、类、ⅡⅡ类和类和ⅢⅢ类 ⅠⅠ类启动子类启动子•由由RNA聚合酶聚合酶I负责转录的负责转录的rRNA基因，启动子（基因，启动子（I类）比类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。

第一较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成第一部分是核心启动子（部分是核心启动子（core promoter），由），由-45—+20位核位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录另一部分由苷酸组成，单独存在时就足以起始转录另一部分由-170—-107位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率强转录效率 ⅢⅢ类启动子类启动子•由由RNA聚合酶聚合酶Ⅲ负责转录的是负责转录的是5SrRNA、、tRNA和某些核和某些核内小分子内小分子RNA（（snRNA），其启动子（），其启动子（Ⅲ类）组成较复类）组成较复杂，又可被分为三个亚类两亚类杂，又可被分为三个亚类两亚类5S rRNA和和tRNA基因基因的启动子是内部启动子（的启动子是内部启动子（internal promoter），位于转），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成第三亚类启动子录起始位点的下游，都由两部分组成第三亚类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游由三个部分组成，位于转录起始位点上游 ⅡⅡ类启动子类启动子•由由RNA聚合酶聚合酶II负责转录的负责转录的II类基因包括所有蛋白质编类基因包括所有蛋白质编码基因和部分码基因和部分snRNA基因。

后者的启动子结构与基因后者的启动子结构与III类基类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的II类基因类基因启动子在结构上有共同的保守序列启动子在结构上有共同的保守序列•II启动子：启动子：*核心启动子核心启动子(core promoter)TATA盒，盒，-25~-30bp*上游启动子元件上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)：：CAAT 盒，盒，-70bp；；GC盒等，通盒等，通过过TF II复合物来提高转录效率复合物来提高转录效率•增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列远离转录起始点（序列远离转录起始点（1~30kb），增强启动子），增强启动子转录活性转录活性DNA序列顺式作用元件（二）顺式作用元件（二） 增强子增强子增强子的性质增强子的性质•1、增强效应十分明显增强效应十分明显•2、增强效应与其位置和取向无关增强效应与其位置和取向无关•3、大多为重复序列，一般长约、大多为重复序列，一般长约50bp•4、、 增强效应有严密的组织和细胞特异性。

增强效应有严密的组织和细胞特异性•5、、 没有基因专一性没有基因专一性•6、、 许多增强子还受外部信号的调控许多增强子还受外部信号的调控 增强子的作用原理增强子的作用原理 •一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点•第二种认为，增强子能改变染色质的构象因为增强第二种认为，增强子能改变染色质的构象因为增强子区域容易发生从子区域容易发生从B-DNA到到Z-DNA的构象变化的构象变化•增强子的功能是可以累加的增强子的功能是可以累加的 增强子增强子•感染真核细胞的病毒感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子白质激活的增强子–小鼠乳腺瘤病毒（小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的）的DNA，具有糖皮质激，具有糖皮质激素基因的增强子在能被类固醇激活的细胞（如乳素基因的增强子在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长病毒能旺盛生长–病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子顺式作用元件（三）顺式作用元件（三） 沉默子沉默子•沉默子沉默子(silencer)：负性调节元件，当其结合特异蛋白：负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

因子时，对基因转录起阻遏作用7.2.2 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)•概念：为概念：为DNA结合蛋白，结合蛋白，核内蛋白核内蛋白，可使邻近基因开，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）放（正调控）或关闭（负调控）•通用或基本转录因子通用或基本转录因子(general transcription factors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子–TFⅡA、、 TFⅡB、、 TFⅡD、、 TFⅡE等等• 特异转录因子特异转录因子( special transcription factors)—个别基个别基因转录所必需的转录因子因转录所必需的转录因子.–OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的基因的启动子和增强子启动子和增强子反式作用因子特点反式作用因子特点•三个功能结构域：三个功能结构域：DNA识别结合域识别结合域(DNA-binding domain)；转录活性域；转录活性域(transcriptional activation domain)；结合其他蛋白的结合域。

结合其他蛋白的结合域•能识别并结合顺式作用元件能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)•正调控与负调控正调控与负调控功能功能结构域结构域反式作用因子结构域的模式反式作用因子结构域的模式•DNA结合域结合域(DNA- banding domain)–锌指结构锌指结构(zinc finger motif)–同源结构域同源结构域(homodomain,HD)：：螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋(helix-turn-helix)–亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构结构 (leucine zipper)–螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋(helix-loop-helix,HLH)–碱性碱性α螺旋螺旋(alkaline α-helix)锌指结构锌指结构(zinc finger motif)•长约长约30个个aa，其中，其中4个氨基酸（个氨基酸（Cys或或2个个Cys，两个，两个His）与一个）与一个Zinc原子相结合与原子相结合与Zinc结合后锌指结构较结合后锌指结构较稳定螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(helix-turn-helix)•是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个个aa，主要是两个，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的螺旋区和将其隔开的β转角。

其中的一个转角其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相序列相识别的氨基酸识别的氨基酸碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper)•是亲脂性（是亲脂性（amphipathic）的）的α螺旋，包含有许多集中在螺旋螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体每隔一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体每隔6个残个残基出现一个亮氨酸由赖氨酸（基出现一个亮氨酸由赖氨酸（Lys）和精氨酸（）和精氨酸（Arg）组成）组成DNA结合区碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋(helix-loop-helix,HLH)•该调控区长约该调控区长约50个个aa残基，同时具有残基，同时具有DNA结合和形成蛋结合和形成蛋白质二聚体的功能，白质二聚体的功能，其主要特点是可形其主要特点是可形成两个亲脂性成两个亲脂性α-螺螺旋，两个螺旋之间旋，两个螺旋之间由环状结构相连，由环状结构相连，其其DNA结合功能是结合功能是由一个较短的富碱由一个较短的富碱性氨基酸区所决定性氨基酸区所决定的。

的螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋反式作用因子结构域的模式反式作用因子结构域的模式•转录活化结构域转录活化结构域(transcriptional activation domain)–酸性酸性α-螺旋结构域螺旋结构域(acidic α–helix domain)–富含谷氨酰胺结构域富含谷氨酰胺结构域(glutamine-rich domain)–富含脯氨酸结构域富含脯氨酸结构域(proline-rich domain)7.2.3 转录起始的调控转录起始的调控•转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成–关键：关键：*转录因子转录因子(transcription factor,TF)；；*启动子与启动子与TF结合后，才能被结合后，才能被RNA pol识别识别与结合；与结合；*-25～～-30区：区：TATA盒盒转录起始的转录起始的调控调控TBP:TATA-binding proteinTAFs:TBP associated factors转录起始的调控转录起始的调控•反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节–合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解–共价修饰：磷酸化共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化去磷酸化，糖基化–配体结合：如激素与配体结合：如激素与受体受体的结合的结合–蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体•反式作用因子与顺式作用元件的结合反式作用因子与顺式作用元件的结合转录起始的调控转录起始的调控•反式作用因子的作用方式反式作用因子的作用方式–成环、扭曲、滑动、成环、扭曲、滑动、Oozing等等•反式作用因子的反式作用因子的组合式调控组合式调控作用作用(conbinatorial gene regulation)–使有限的反式作用因子可以调控不同基因的使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达表达成环成环反式作用因子与顺式作用元件的结合反式作用因子与顺式作用元件的结合组合式调控作用组合式调控作用7.3 转录后水平的调控转录后水平的调控•5′端加帽端加帽(cap)和和3′端多聚腺苷酸化端多聚腺苷酸化(polyA)的调的调控意义控意义–使使mRNA稳定，在转录过程中不被降解稳定，在转录过程中不被降解•mRNA的选择剪接的选择剪接(alternative splicing)对基因对基因表达的调控表达的调控–外显子选择外显子选择(optional exon)、内含子选择、内含子选择(optional intron)、互斥外显子、内部剪接位点、互斥外显子、内部剪接位点•mRNA 运输的控制运输的控制•G蛋白蛋白 受体与配体结合后即与膜上的受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白偶联蛋白结合，使结合，使其释放活性因子，再与效应器发生反应。

由于这些偶其释放活性因子，再与效应器发生反应由于这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合并水解联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合并水解GTP，所以通常称，所以通常称G蛋白蛋白，即鸟苷酸调节蛋白，即鸟苷酸调节蛋白（（guanine nucleotide regulatory protein）•反义反义RNA(anti sense RNA) 是指是指mRNA互补的互补的RNA分子这种反义分子这种反义RNA能能与与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种方式然而，许多实验证明，在真核细胞中亦存在反方式然而，许多实验证明，在真核细胞中亦存在反义义RNA，但其功能尚未全部明了但其功能尚未全部明了cAMP response elementCRE –binding protein7.4 翻译水平的调控翻译水平的调控•翻译起始的调控翻译起始的调控–未受精卵：隐蔽未受精卵：隐蔽mRNA(masked mRNA)；受；受精：招募因子精：招募因子(recruitment factor)，激活隐，激活隐蔽蔽mRNA–阻遏蛋白的调控：阻遏蛋白的调控：铁结合调节蛋白铁结合调节蛋白(regulatory iron-binding protein)–翻译起始因子的调控：翻译起始因子的调控：eIF-2，血红素对珠，血红素对珠蛋白合成的调节蛋白合成的调节–5′AUG对翻译的调控作用：减少正常对翻译的调控作用：减少正常AUG启启动翻译的作用，使翻译维持在较低水平动翻译的作用，使翻译维持在较低水平–mRNA5 ′端非编码区长度对翻译的影响。

端非编码区长度对翻译的影响铁结合调节蛋白铁结合调节蛋白3′3′翻译起始因子翻译起始因子(eIF2)的调控的调控翻译水平的调控翻译水平的调控•mRNA稳定性调节稳定性调节–3′端非编码区结构影响其稳定性：端非编码区结构影响其稳定性：3′端富含端富含A和和U的的结构，引起结构，引起mRNA 不稳定不稳定–蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，mRNA半衰期达半衰期达100小时，其他仅小时小时，其他仅小时•小分子小分子RNA对翻译水平的影响对翻译水平的影响7.5 翻译后水平的调控翻译后水平的调控•新生肽链的水解：酶解新生肽链的水解：酶解–肽链肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸（端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸（Met、、Ser、、Thr、、Ala、、Val、、Cys、、Gly、、Pro）与去稳定）与去稳定氨基酸氨基酸•肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化•通过信号肽通过信号肽(signal peptide)分拣、运输、定位分拣、运输、定位蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后的靶向输送（（ protein targeting））• 蛋白质合成后的去向蛋白质合成后的去向–留在胞浆留在胞浆–进入核、线粒体或其它细胞器进入核、线粒体或其它细胞器 –分泌至体液，输送至靶器官分泌至体液，输送至靶器官*靶向输送靶向输送--蛋白质合成后，定向地到蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点达其执行功能的目标地点•分泌性蛋白质分泌性蛋白质(secretory proteins)–穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质•信号肽信号肽(signal peptide)–N-端的一段疏水氨基酸端的一段疏水氨基酸 10～～40个氨基酸个氨基酸 –把合成的蛋白质移向胞膜并与胞膜结合，然后把把合成的蛋白质移向胞膜并与胞膜结合，然后把合成的蛋白质送出胞外合成的蛋白质送出胞外分泌性蛋白质转运的机制分泌性蛋白质转运的机制SRP: signal recognition particles。