eukaryoticgeneregulationwxj

1、Regulation of Gene Expression in Eukaryotes生物化学与分子生物学系基因激活基因激活转录转录 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等翻译翻译翻译后加工翻译后加工转录转录转录起始转录起始多阶段调控多阶段调控（Multi-stage） 最关键的一步最关键的一步?生物化学与分子生物学系基因表达的时间特异性基因表达的时间特异性生物化学与分子生物学系基因表达的空间特异性基因表达的空间特异性第第 一一 节节Features of Eukaryotic Gene Regulation真核基因表达调控的特征生物化学与分子生物学系基因表达调控生物化学

2、与分子生物学系一、顺式作用元件exon1intron1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子生物化学与分子生物学系一、顺式作用元件 存在于基因内外，与基因表达调控相关、存在于基因内外，与基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的特定能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的特定的的DNA序列称为序列称为顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elements）。主要包括。主要包括启动子启动子 (pomoter)、增强增强子子 (enhancer)和和沉默子沉默子 (sile

3、ncer) 等。等。生物化学与分子生物学系（一） 启动子(promoter)生物化学与分子生物学系 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始点转录起始点真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列生物化学与分子生物学系1. TATA box 真核细胞的启动子是包括真核细胞的启动子是包括转录起始点（转录起始点（transcription initiation site或或transcription start site）在内的、有通在内的、有通用转录因子及用转录因子及RNA聚合酶组装、结合的一段聚合酶组装

4、、结合的一段DNA序序列。列。 典型的启动子核心序列（典型的启动子核心序列（core sequences）是在转录起）是在转录起始位点上游始位点上游2535 bp处，有一保守的处，有一保守的TATA序列，被称序列，被称为为TATA盒（盒（TATA box），），真核细胞的真核细胞的TATA盒多为盒多为TATAAAA序列。序列。TATA盒与原核细胞的启动子一样，盒与原核细胞的启动子一样，对对RNA聚合酶聚合酶II的转录起始位点起的转录起始位点起定位定位作用作用。 生物化学与分子生物学系u有一些编码蛋白质基因有一些编码蛋白质基因不含不含TATA盒或起始子，盒或起始子，多在起始位点上游约多在起始位点

5、上游约100bp内含有内含有20 50个核苷酸个核苷酸的的CG序列，被称做序列，被称做CpG岛（岛（CpG island）。 u此种基因可有多个转录起始点，此种基因可有多个转录起始点，可产生含不同可产生含不同5 末端的末端的mRNA。u这些基因大多为低转录基因，编码中间代谢酶的这些基因大多为低转录基因，编码中间代谢酶的管家基因。管家基因。2. CpG island生物化学与分子生物学系 3. 启动子上游元件启动子上游元件GC盒盒(GC box) (GGGCGG)CAAT盒盒(CAAT box) (GCCAAT )u启动子上游元件（启动子上游元件（promoter-proximal elemen

6、ts, 或或upstream promoter elements）是一些位于是一些位于TATA盒上游盒上游的的DNA序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与TATA盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与启动子的结合，以及转聚合酶与启动子的结合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一性。一性。u常见的序列是：常见的序列是：生物化学与分子生物学系|一些真核细胞基因含有另一种启动子元件，称一些真核细胞基因含有另一种启动子元件，称为为起始子起始子(initiator,Inr)，决定启动子的强度。决定启动子

7、的强度。 |起始子共有序列起始子共有序列为：（为：（5 ）Y-C-A+1-N-T/A-Y-Y-Y（3 ）；）；Y代表胞嘧啶代表胞嘧啶C或胸腺嘧啶或胸腺嘧啶T，N代表任意碱基，代表任意碱基，T/A代表代表T或或A。 生物化学与分子生物学系( (二）增强子决定基因的时空特异性表达二）增强子决定基因的时空特异性表达增强子（增强子（enhancer）是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近或远是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近或远隔特定基因表达的隔特定基因表达的DNA序列。在酵母中，被称为上序列。在酵母中，被称为上游活化序列（游活化序列（upstream activator sequences, UAS

8、s）。增强子的作用通常与其所处的位置和方）。增强子的作用通常与其所处的位置和方向无关。向无关。生物化学与分子生物学系增强子距转录起始位点的距离变化很大，从增强子距转录起始位点的距离变化很大，从100 nt到到50,000nt，甚至更大。但总是作用于最近的，甚至更大。但总是作用于最近的启动子。启动子。 增强子所处位置增强子所处位置在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，乃至下游最后外显子以外的序下游内含子当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。列也可含有增强子。很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。很多哺乳动物基因受一个以上

9、的增强子调控。 生物化学与分子生物学系（三）沉默子阻遏基因转录（三）沉默子阻遏基因转录沉默子沉默子(silencer)是指某些真核基因转录调控是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百bp）DNA序列。沉默序列促进局部序列。沉默序列促进局部DNA的染色质形成致密的染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合结构，从而阻止转录激活因子结合DNA，是基因，是基因转录的负性调节因素。转录的负性调节因素。生物化学与分子生物学系n能够帮助能够帮助RNA聚合酶转录聚合酶转录RNA的蛋白质统称的蛋白质统称转转录因子（录因子（transcription fac

10、tors，TF）。n以反式作用方式调节基因转录的转录因子称为以反式作用方式调节基因转录的转录因子称为反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor），以顺式，以顺式作用方式调节基因转录的转录因子称为作用方式调节基因转录的转录因子称为顺式作顺式作用蛋白（用蛋白（cis-acting protein） 。二、反式作用因子生物化学与分子生物学系 cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA生物化学与分子生物学系general transcription factorsspecial transcription fac

11、tors（一）转录因子分类（按功能特性）（一）转录因子分类（按功能特性）生物化学与分子生物学系基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶聚合酶结合结合启动子启动子所必需的所必需的一组蛋一组蛋白 因 子白 因 子 ， 决 定 三 种， 决 定 三 种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。生物化学与分子生物学系特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的为个别基因转录所必需，决定该基因的时空特异性时空特异性表达。表达。转录激活因子转录激活

12、因子-增强子增强子转录抑制因子转录抑制因子-沉默子沉默子生物化学与分子生物学系转录因子结构转录因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域生物化学与分子生物学系转录激活可能作用机制转录激活可能作用机制n介导转录相关蛋白的化学修饰和构象改变介导转录相关蛋白的化学修饰和构象改变n改变启动子周围的染色质的结构改变启动子周围的染色质的结构n招募招募RNARNA聚合酶，促其快速准确定位聚合酶，促其快速准确定位生物化学与分子生物学系参与参与RNA-pol转录

13、的转录的基本转录因子基本转录因子 生物化学与分子生物学系参与参与RNA-pol转录的转录的基本转录因子基本转录因子 TBP: TATA结合蛋白结合蛋白, TAF: TBP辅因子辅因子CTD:RNA聚合酶大亚基羧基末端的结构域聚合酶大亚基羧基末端的结构域蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（a a） 34（b b）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*

14、38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（a a） 34（b b）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP* 38TFD功功能能亚基组成，分子量亚基组成，分子量(kD)转录因子转录因子生物化学与分子生物学系（二）转录因子含有不同的（二）转录因子含有不同的DNA结合域结合域n螺旋螺旋-转角

15、转角-螺旋螺旋是转录因子中的常见的是转录因子中的常见的DNA结合域结合域 n同源异型域结构同源异型域结构与与HTH结构域类似结构域类似 n锌指结构锌指结构是一类含锌离子转录因子的是一类含锌离子转录因子的DNA结合域结合域 n亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构域既可介导结合结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白又可介导蛋白质二聚体化质二聚体化 n碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋结构域也可同时介导结合结构域也可同时介导结合DNA和和蛋白质二聚体化蛋白质二聚体化 生物化学与分子生物学系螺旋螺旋-回折回折-螺旋螺旋 （helix-turn-helix，HTH） 生物化学与分子生物学系Helix-turn-heli

16、x motifsGENEGalRA TIK D V A R LA G V S V A TV S R V IN-croFG Q TK TA K D LG V Y Q S A IN K A IHP22-croG TQ R A V A K A LG IS D A A V S Q W K EPosition123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20alpha - helixturnalpha - helixStructure:about 20 amino acids long2 short alpha helicies ( 7 9 amino acids lo

17、ng)DNA recognition helix (binds specific DNA sequence)Recognition helix and 2nd helix form 90 anglevery short turn ( NOT a beta-turn) Often glycine at start of the turn (helix breaker)生物化学与分子生物学系How does the lac repressor bind DNA?DNADNA recognition helixturnSecond alpha helix生物化学与分子生物学系同源异型域同源异型域 （

18、homeodomain，HD）生物化学与分子生物学系 锌指结构锌指结构（Zinc finger）C2H2型锌指型锌指生物化学与分子生物学系反向平行反向平行片层片层DNA大沟大沟螺旋螺旋Zn2生物化学与分子生物学系Zinc-Finger MotifsCCHHZnCCHHZnCCHHZnSeveral subtypes (Cys4, Cys2-His2 )Example: Cys2 His2 typeZinc does not interact with DNAUsually multiple zinc-fingers in a row At least some also bind RNACon

19、sensus sequence:Y,F-X-C-X2-4-C-XXX-F-XXXXX-L-XX-H-X3-5-H生物化学与分子生物学系 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）生物化学与分子生物学系Leucine zippers (bZip)Basic region of the protein binds to DNAMainly act as dimers or other sometimes as other multimersSpecial alpha-helices allow formation of coiled-coil structures.Hydrophobi

20、c residues (Leu) align on one side of the helixExample: Jun and Fos7777生物化学与分子生物学系碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH） bHLH双体双体DNA大沟大沟螺螺旋旋螺旋螺旋环环生物化学与分子生物学系三、真核基因表达调控正性调节占主导n采用负性调节机制不经济采用负性调节机制不经济n保证基因表达调节的特异性保证基因表达调节的特异性n保证基因表达调节的精确性保证基因表达调节的精确性第第 二二 节节Chromosomal Regulation of Eukaryotic

21、Gene Expression真核基因表达的染色质水平调控生物化学与分子生物学系n常染色质（常染色质（euchromatin）n异染色质（异染色质（heterochromatin）n组蛋白密码（组蛋白密码（histone code）n染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodeling）基本概念生物化学与分子生物学系 结构松弛，分散分布在核内的染色质，对结构松弛，分散分布在核内的染色质，对DNase I敏感，敏感，DNA可降解为约可降解为约200 bp 或其倍数的片断；或其倍数的片断；基因基因表达处于活性状态，表达处于活性状态，故亦称为故亦称为活性染色质活性染色质。 使用使用DNa

22、se I处理活性染色质时，常会出现一些高处理活性染色质时，常会出现一些高敏感位点敏感位点(hypersensitive sites)，通常位于转录基因的，通常位于转录基因的5和和3 侧翼转录调控区的蛋白结合位点附近的裸露侧翼转录调控区的蛋白结合位点附近的裸露DNA上。上。常染色质（常染色质（euchromatin）生物化学与分子生物学系异染色质异染色质（heterochromatin） 结构高度致密，处于凝聚状态的染色质，对结构高度致密，处于凝聚状态的染色质，对DNase I不敏感。不敏感。基因表达处于阻遏状态基因表达处于阻遏状态。组成性异染色质组成性异染色质 （constitutive he

23、terochromatin） ：所有细胞，整个细胞周期都存在的异染色质。其所有细胞，整个细胞周期都存在的异染色质。其DNA不含基不含基因，因而一直保持凝聚状态。因，因而一直保持凝聚状态。兼性异染色质（兼性异染色质（facultative heterochromatin）：）：在特定细胞，生长发育的特定阶段，由常染色质凝聚转变成在特定细胞，生长发育的特定阶段，由常染色质凝聚转变成的异染色质。的异染色质。生物化学与分子生物学系染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodeling） 通过改变基因的启动子和调节序列区域的染色通过改变基因的启动子和调节序列区域的染色质结构来调节基因的表达，称

24、为质结构来调节基因的表达，称为染色质重塑染色质重塑 ,也称为也称为核小体重塑核小体重塑 (nucleosome remodeling)。主要包括：主要包括：CpG岛甲基化岛甲基化 组蛋白共价修饰组蛋白共价修饰生物化学与分子生物学系 CpG岛甲基化使岛甲基化使DNA结构稳定结构稳定,其甲基化程度与基其甲基化程度与基因表达活性呈反比关系因表达活性呈反比关系 。1、CpG岛甲基化岛甲基化生物化学与分子生物学系2、组蛋白共价修饰、组蛋白共价修饰 组蛋白修饰包括组蛋白的组蛋白修饰包括组蛋白的乙酰化乙酰化、甲基化甲基化、磷酸磷酸化化、泛素化泛素化和和多聚多聚ADP-核糖基化核糖基化。这些多样化的修。这些多

25、样化的修饰及其时空的组合可以使组蛋白与饰及其时空的组合可以使组蛋白与DNA的亲和力改变，的亲和力改变，改变染色质的结构，从而影响生物学功能。因此被称改变染色质的结构，从而影响生物学功能。因此被称为为组蛋白密码（组蛋白密码（histone code）。生物化学与分子生物学系47H2AH4H3H2BH2BH2AH3H4H3H2A生物化学与分子生物学系48 Nucleosome Structure Wikipedia生物化学与分子生物学系49Anatomy of Nucleosome and Histone Chaperons Ransom (2010) Cell生物化学与分子生物学系50Histo

26、ne modification Zhou (2011) Nat Rev Genet 生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系核小体重塑：核小体重塑： ATP依赖性核小体重塑复合体参与的依赖性核小体重塑复合体参与的核小体的核小体的移位移位、替换替换和和去组装去组装改变等。改变等。核小体重塑过程：核小体重塑过程： 基因活化蛋白结合；基因活化蛋白结合； ATP依赖性酶蛋白复合体结合转录活性区；依赖性酶蛋白复合体结合转录活性区； ATP依赖性酶水解依赖性酶水解ATP，提供能量；，提供能量； 移去或替换核小体。移去或替换核小体。3、核小体重塑（、核小体重塑（nucleosome remodeling

27、）生物化学与分子生物学系53Nucleosome Remodeling Kasten (2011) Cell生物化学与分子生物学系54Chromatin remodelers are ATP-dependent machines that act to alter the local structure of chromatin by repositioning (or sliding), ejecting or incorporating nucleosomes, histone variant replacing, or to be platform to recruit chromati

28、n-associated proteins such as DNMT, HDAC, etc.During DNA replication, for example, a group of chromatin remodellers act to insert nucleosomes into the newly forming chromatin fiber. SWI/SNF (switch/sucrose nonfermentable) and CHD (chromodomain helicase DNA-binding) family proteins can trigger ejecti

29、on of a nucleosome (top left). ISWI (imitation switch) family proteins, can slide a nucleosome (top right). INO80 (inositol-requiring 80) family proteins exchange histone dimers (histone variants or modified histones), having a local impact on chromatin activity. Modification Types of Nucleosomes du

30、ring Cellular Processes SWI/SNF, Or, CHDINO80ISWIAlexandre (2011) Nat Rev Mol Cell Biol生物化学与分子生物学系55Chromatin Remodeling Determines Transcription On / Off Zhou (2011) Nat Rev Genet repositioning 生物化学与分子生物学系56Converting between Euchromatin and Heterochromatin Alexandre (2011) Nat Rev Mol Cell Biol Ch

31、romatin Remodeling (Epigenetics) Histone (i) chemical modification : methyl, acetyl, Ub, etc. (ii) histone variant replacement H2AZ, H2AX, H2A, H3.3).DNA methyl modification, CpG.1.Nucleosome repositioning (sliding, ejection, insertion)生物化学与分子生物学系57Chromatin in Pluripotent Stem Cell vs Differentiate

32、d CellAlexandre (2011) Nat Rev Mol Cell Biol生物化学与分子生物学系58Chromatin Remodeling & Tissue Specificity 4-Types of chromatin remodelersRemodelers vs architecture第第 三三 节节Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene Expression真核基因表达的转录水平调控生物化学与分子生物学系 一、转录起始的调控一、转录起始的调控基因活化蛋白与增强子或基因活化蛋白与增强子或UASs的结合；的结合

33、；基本转录因子在启动子处的组装；基本转录因子在启动子处的组装；辅助激活蛋白辅助激活蛋白(coactivator)和和/或中介子（或中介子（mediator）在基）在基本转录因子本转录因子/RNA聚合酶聚合酶II复合物与基因活化蛋白之间的复合物与基因活化蛋白之间的辅助和中介作用。辅助和中介作用。 RNA聚合酶聚合酶II与启动子的结合，即与启动子的结合，即转录起始复合转录起始复合物的组装物的组装需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括括：生物化学与分子生物学系pol-FABPol-FHETBPTAFTATAABTATAHECTD-P参与参与RNA-pol转录的

34、转录的基本转录因子基本转录因子的组装的组装TBPTAF生物化学与分子生物学系转录前起始复合物转录前起始复合物生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系n修饰修饰n剪接剪接n编辑编辑n定向转运定向转运n降解降解二、转录后调控二、转录后调控生物化学与分子生物学系（一）（一）mRNA 5端加帽和端加帽和3端加尾修饰端加尾修饰除组蛋白外，所有真核细胞除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有都有5端的端的帽帽子子和和3端的端的PolyA尾尾结构结构 。它们的作用在于：它们的作用在于： 有助于保护有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；免于被核糖核酸酶降解；5 帽结合蛋白复合体参与帽结

35、合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来和核糖体的结合来起始翻译起始翻译 。促进促进mRNA从细胞核转运到细胞浆；从细胞核转运到细胞浆；协助协助mRNA的剪接。在剪接第一个外显子时，剪接的剪接。在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；体的形成需要帽结合蛋白的参与；生物化学与分子生物学系（二）选择性剪接（二）选择性剪接（alternative RNA splicing）许多初始转录本可以通过选择性剪接方式，许多初始转录本可以通过选择性剪接方式，去除不同的内含子而被加工形成不同的去除不同的内含子而被加工形成不同的mRNAs，因而形成不同的多肽。因而形成不同的多肽。 生物化学与分子生

36、物学系真核细胞转录物选择性加工的两种机制真核细胞转录物选择性加工的两种机制 生物化学与分子生物学系大鼠降钙素基因转录物的选择性加工大鼠降钙素基因转录物的选择性加工 生物化学与分子生物学系人视黄醛还原酶人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接的选择性剪接mRNAPre-mRNA同种异型同种异型mRNA生物化学与分子生物学系初始转录本含有所有选择性加工途径所需要初始转录本含有所有选择性加工途径所需要的分子信号。的分子信号。一种细胞偏好何种选择性加工途径取决于加一种细胞偏好何种选择性加工途径取决于加工因子工因子RNA结合蛋白的特异性。结合蛋白的特异性。 生物化学与分子生物学系（三）（三）mRNA编辑编辑n

37、 RNA编辑指转录后除了选择性剪接以外的加工导编辑指转录后除了选择性剪接以外的加工导致致RNA剪辑序列的改变，导致蛋白质产物的氨基剪辑序列的改变，导致蛋白质产物的氨基酸序列与基因初级转录物的序列不完全对应。酸序列与基因初级转录物的序列不完全对应。nRNA编辑最初是在某些原生细胞线粒体细胞色素编辑最初是在某些原生细胞线粒体细胞色素氧化酶的亚基氧化酶的亚基基因的转录后加工中发现，通过基因的转录后加工中发现，通过RNA编辑在该基因的初级转录物中插入了编辑在该基因的初级转录物中插入了4个尿个尿嘧啶核苷酸，从而使原来的阅读框架发生移动。嘧啶核苷酸，从而使原来的阅读框架发生移动。生物化学与分子生物学系原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑(a)原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑基因的转录后编辑(b)指导指导RNA 在在RNA的编辑中的作用的编辑中的作用 (模板作用模板作用)生物化学与分子生物学系apo-B基因（载脂蛋白基因（载脂蛋白B基因）的组织特异性表达基因）的组织特异性表达5 3 5 3 apo B-100 apo B-48CAAUAA 未编辑的未编辑的RNA 5 3 脱氨基作用的脱氨基作用的RNA编辑编辑（终止密码子）（终止密码子）1 4536 1