真核基因表达调控

1、2022-3-11第一页，共122页幻灯片2022-3-12真核基因表达调控根据性质分为两种类型：真核基因表达调控根据性质分为两种类型：q 瞬时调控或称可逆性调控：瞬时调控或称可逆性调控： 相当于原核细胞对环境变化所做出的反应。相当于原核细胞对环境变化所做出的反应。包括：某种包括：某种底物或激素水平底物或激素水平升降时，表现出细胞内酶或升降时，表现出细胞内酶或某些蛋白质合成的变化；某些蛋白质合成的变化；细胞周期不同阶段细胞周期不同阶段中酶活性或中酶活性或浓度的调节。浓度的调节。p 发育调控或称不可逆调控：发育调控或称不可逆调控： 是真核基因调控的精髓部分，决定了真核细胞生是真核基因调控的精髓部

2、分，决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。长、分化、发育的全部进程。第二页，共122页幻灯片2022-3-13真核基因表达调控的主要步骤真核基因表达调控的主要步骤第三页，共122页幻灯片2022-3-14第一节第一节 真核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性 真核细胞和原核细胞在基因转录、翻译、真核细胞和原核细胞在基因转录、翻译、DNA空间结空间结构方面的主要差别：构方面的主要差别： mRNA与多肽链的数量关系与多肽链的数量关系; 基因组基因组DNA存在的形式存在的形式; 基因组基因组DNA的结构的结构; DNA片段的重排及拷贝数的增加片段的重排及拷贝数的增加; 转录调节区

3、的大小，距离转录起始位点的距离及作用的性转录调节区的大小，距离转录起始位点的距离及作用的性质质; 转录和翻译过程在时间和空间上的差别转录和翻译过程在时间和空间上的差别; mRNA的加工。的加工。第四页，共122页幻灯片2022-3-15一、基因家族一、基因家族 (gene family)q 原核生物中，功能相关的基因组成操纵子，以原核生物中，功能相关的基因组成操纵子，以多顺反多顺反子子mRNA进行转录，整个体系在一个启动子的控制进行转录，整个体系在一个启动子的控制之下。之下。q 真核生物中，真核生物中，DNA是以单顺反子的形式存在。是以单顺反子的形式存在。q 单顺反子单顺反子(monocist

4、ronic mRNA) ：只编码一个只编码一个蛋白质的蛋白质的mRNA称为单顺反子称为单顺反子mRNA。q 多顺反子（多顺反子（polycistronic mRNA ) ：编码多个蛋白编码多个蛋白质的质的mRNA称为多顺反子称为多顺反子mRNA 。第五页，共122页幻灯片2022-3-161、简单多基因家族、简单多基因家族 家族中的成员一般以家族中的成员一般以串联方式前后连接串联方式前后连接形成的多基形成的多基因家族，称为因家族，称为简单多基因家族。简单多基因家族。基因家族基因家族 (gene family)：真核细胞中，许多功能真核细胞中，许多功能相关的基因成套组合，称为基因家族。相关的基因

5、成套组合，称为基因家族。基因簇（基因簇（gene cluster)：同一基因家族中的成员紧同一基因家族中的成员紧密排列在一起，称为一个基因簇。密排列在一起，称为一个基因簇。第六页，共122页幻灯片2022-3-17细菌中细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析基因家族各成员的分布与成熟过程分析第七页，共122页幻灯片2022-3-18脊椎动物中脊椎动物中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析基因家族各成员的分布与成熟过程分析第八页，共122页幻灯片2022-3-195S rRNA由由RNA聚合酶聚合酶III转录完成转录完成前前rRNA（45S）甲基化甲基化主要在核糖的主要在核糖的2

6、-OH甲基化甲基化RNA酶降解酶降解18S、28S、5.8S rRNADNA由由RNA聚合酶聚合酶 I 转录完成转录完成真核生物中真核生物中rRNA基因家庭各成员的成熟过程分析基因家庭各成员的成熟过程分析第九页，共122页幻灯片2022-3-1102、复杂多基因家族、复杂多基因家族 由几个相关的多基因构成，基因间由间隔序列隔开由几个相关的多基因构成，基因间由间隔序列隔开，并作为，并作为独立独立的转录单位。的转录单位。6000 bp, 重复重复1000次左右次左右第十页，共122页幻灯片2022-3-1113、发育调控的复杂多基因家族、发育调控的复杂多基因家族 血红蛋白是所有动物体内输送血红蛋白

7、是所有动物体内输送分子氧分子氧的主要载体，的主要载体，由两条由两条 链链和两条和两条 链链组成的四聚体加上一个组成的四聚体加上一个血红素辅血红素辅基（结合铁原子）基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。后形成功能性血红蛋白。 有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子被两个内含子隔开。被两个内含子隔开。第十一页，共122页幻灯片2022-3-112类类 和类和类 珠蛋珠蛋白基因家族白基因家族人在发育过程中人在发育过程中的血红蛋白类型的血红蛋白类型第十二页，共122页幻灯片2022-3-113第十三页，共122页幻灯片2022-3-1141、外显子与内含子

8、、外显子与内含子二、真核基因的断裂结构二、真核基因的断裂结构q 断裂基因（断裂基因（interrupted gene）：）：真核生物基因除了真核生物基因除了与与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码的序列相对应的编码序列外，还含有一些不编码的序列插在编码序列之间，这些非编码序列在加工为成熟的插在编码序列之间，这些非编码序列在加工为成熟的mRNA时被去除。这样的结构基因称为断裂基因。时被去除。这样的结构基因称为断裂基因。第十四页，共122页幻灯片2022-3-115q 外显子（外显子（exon）：基因中与基因中与mRNA一致的序列，即一致的序列，即编码序列，称为编码序列，称为外显子外显子。

9、一个基因总是以外显子为起。一个基因总是以外显子为起点和终点。点和终点。q 内含子（内含子（intron）：基因中编码序列之间的介入序列基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为，在原初转录物加工为mRNA时被去除，即非编码序列时被去除，即非编码序列，称为内含子。，称为内含子。第十五页，共122页幻灯片2022-3-116第十六页，共122页幻灯片2022-3-1172、外显子与内含子的连接区、外显子与内含子的连接区特点特点: 1）内含子两端序列不能互补；）内含子两端序列不能互补； 2）连接区序列高度保守（）连接区序列高度保守（GT-AG法则）；法则）；第十七页，共122页幻灯片2022-

10、3-1185，GTAG 3,左剪接位点左剪接位点右剪接位点右剪接位点donor siteacceptor site第十八页，共122页幻灯片2022-3-1193、外显子与内含子的可变性、外显子与内含子的可变性组成性剪接组成性剪接：在高等真核生物中，内含子通常是有序或：在高等真核生物中，内含子通常是有序或组成性地从组成性地从mRNA前体中被剪接，这种剪接方式称为组成前体中被剪接，这种剪接方式称为组成性剪接。性剪接。选择性剪接选择性剪接：又叫：又叫变位剪接变位剪接，指在剪接过程中可以有选，指在剪接过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变位剪接择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变

11、位剪接，产生出不同，产生出不同mRNA的过程，这种剪接方式称为变位剪的过程，这种剪接方式称为变位剪接。接。第十九页，共122页幻灯片2022-3-120小鼠淀粉酶基因的表达具有组织特异性。小鼠淀粉酶基因的表达具有组织特异性。第二十页，共122页幻灯片2022-3-121相同密码子、不同起始位点相同密码子、不同起始位点产生长度不同的蛋白质产生长度不同的蛋白质同一段同一段DNA序列生成了两条或两条以上的序列生成了两条或两条以上的mRNA链。链。第二十一页，共122页幻灯片2022-3-122不同起始位点、不同读码顺不同起始位点、不同读码顺序产生不同蛋白质序产生不同蛋白质第二十二页，共122页幻灯片

12、2022-3-123不同外显子的使用产生不同蛋白质不同外显子的使用产生不同蛋白质第二十三页，共122页幻灯片2022-3-124三、真核生物三、真核生物DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 在个体发育过程中，用来合成在个体发育过程中，用来合成RNA的的DNA模板也模板也会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。它包括了。它包括了基因丢失基因丢失、扩增扩增、重排重排和和移位移位等方式，可以等方式，可以消除或变换某些基因并改变他们的活性。调控方式与消除或变换某些基因并改变他们的活性。调控方式与转录及翻译水平的调控是不同的，因为它使基因组

13、发转录及翻译水平的调控是不同的，因为它使基因组发生了改变。生了改变。第二十四页，共122页幻灯片2022-3-125转录之前，染色质转录之前，染色质解旋或松弛解旋或松弛自由自由DNA结构基因暴露结构基因暴露HMG蛋白蛋白结合结合启动子启动子导致导致单链区形成，启动子暴露，单链区形成，启动子暴露，产生产生DNase超敏感位点超敏感位点DNA 与与RNA聚合酶和其它聚合酶和其它转录调控因子结合转录调控因子结合1、“开放型开放型”活性染色质结构对转录的影响活性染色质结构对转录的影响 HMG（high mobility group) 蛋白，高速泳动族蛋白，蛋白，高速泳动族蛋白，是染色体上一类低分子量非

14、组蛋白。是染色体上一类低分子量非组蛋白。第二十五页，共122页幻灯片2022-3-126染色质转录的动力学模型染色质转录的动力学模型 蛋白因子能够利用蛋白因子能够利用ATP水解所提供的能量水解所提供的能量，将核心组蛋白八聚体，将核心组蛋白八聚体从从DNA链中置换。链中置换。第二十六页，共122页幻灯片2022-3-127DNase hypersensitive sites in the maize Adh1 promoter.第二十七页，共122页幻灯片2022-3-1282、基因扩增、基因扩增 是指基因的拷贝数专一性大量增加，使细胞在短时间内是指基因的拷贝数专一性大量增加，使细胞在短时间内产

15、生大量的基因产物以满足生长发育的需要。产生大量的基因产物以满足生长发育的需要。例如：非洲爪蟾卵母细胞中的例如：非洲爪蟾卵母细胞中的 rRNA基因基因 ( rDNA )rDNA以简单多基以简单多基因家族形式形成中因家族形式形成中度重复序列度重复序列第二十八页，共122页幻灯片2022-3-1293、基因重排与变换、基因重排与变换 基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距离很近基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距离很近的位点从而启动转录，这种方式称为基因重排。的位点从而启动转录，这种方式称为基因重排。例如：小鼠免疫球蛋白例如：小鼠免疫球蛋白免疫球蛋白由两条重链免疫球蛋白由两条重链（可变

16、区（可变区V、连接区连接区J、恒定区恒定区C）和两条轻链和两条轻链（V、C）组成；组成；V: variableC: constant第二十九页，共122页幻灯片2022-3-130第三十页，共122页幻灯片2022-3-131第三十一页，共122页幻灯片2022-3-132四、四、DNA甲基化与基因活性的调节甲基化与基因活性的调节 DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。基因的重新活化与表达。1、DNA甲基化甲基化DNA甲基化的主要形式甲基化的主要形式5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5 mC )7-甲基鸟嘌呤（甲基鸟嘌呤（

17、7 mG）N6 - 甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（ N6 mG） CpG通常成串出现在通常成串出现在DNA上，这段序列往往被称上，这段序列往往被称为为CpG岛岛。第三十二页，共122页幻灯片2022-3-133甲基化酶甲基化酶q 日常型甲基化酶日常型甲基化酶：在甲基化母链指导下使处于半甲：在甲基化母链指导下使处于半甲基化的基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。甲基化。q 从头合成型甲基转移酶从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的：催化未甲基化的CpG成为成为 mCpG, 它不需要母链指导，但速度很慢。它不需要母链指导，但速度很慢。第三十三页，共12

18、2页幻灯片2022-3-134DNA甲基化甲基化DNA构象变化构象变化导致导致影响影响蛋白质与蛋白质与DNA的作用的作用抑制抑制转录因子与启动区转录因子与启动区DNA 的结合的结合2、DNA甲基化抑制基因转录的机理甲基化抑制基因转录的机理第三十四页，共122页幻灯片2022-3-135第三十五页，共122页幻灯片2022-3-1363、甲基化与、甲基化与X染色体失活染色体失活 雌性胚生哺乳类动物细胞中含有的两条雌性胚生哺乳类动物细胞中含有的两条X染色体之一染色体之一在发育早期随机失活。并不是卵原细胞、卵母细胞。在发育早期随机失活。并不是卵原细胞、卵母细胞。 人们将与人们将与X染色体失活有关的核

19、心区命名为染色体失活有关的核心区命名为X染色体染色体失活中心（失活中心（X-chromosome inactivation center , Xic)。在在X染色体失活中心发现一个基因染色体失活中心发现一个基因Xist ( Xi - specific transcript )。该基因在失活的染色体上表达，而在具有该基因在失活的染色体上表达，而在具有活性的染色体上不表达。活性的染色体上不表达。 失活染色体上大多数基因都处于关闭状态，失活染色体上大多数基因都处于关闭状态，DNA序列都序列都呈高度甲基化。呈高度甲基化。第三十六页，共122页幻灯片2022-3-137Xist基因位点去甲基化基因位点去

20、甲基化表达表达Xist 的的RNA分子分子Xic区，使区，使Xic区构象变区构象变化化结合结合各种蛋白因子各种蛋白因子结合结合导致导致X 染色体失活染色体失活X 染色体失活的机理染色体失活的机理：第三十七页，共122页幻灯片2022-3-138Xist基因基因表达表达不表达不表达甲基化甲基化有活性有活性去甲基化去甲基化失活失活第三十八页，共122页幻灯片2022-3-1391、在原核中正、负调控同等重要，真核中主要是正调控在原核中正、负调控同等重要，真核中主要是正调控。2、真核基因的调控序列多，必须有多个激活物同时特真核基因的调控序列多，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能启动基因的转录。异

21、地结合上去才能启动基因的转录。3、在真核中染色质的结构对基因的表达有明显的调控在真核中染色质的结构对基因的表达有明显的调控作用。作用。4、真核基因的表达有多种转录后的调控机制，其中许真核基因的表达有多种转录后的调控机制，其中许多机制是原核所没有的。多机制是原核所没有的。5、真核生物具有调控组织特异性表达的机制。真核生物具有调控组织特异性表达的机制。第三十九页，共122页幻灯片2022-3-140 真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的特定的顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）和和反式作反式作用因子（用因子（trans

22、-acting factor，又称跨域作用因子），又称跨域作用因子）的的调控，真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用调控，真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。第二节第二节 真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成第四十页，共122页幻灯片2022-3-141基因（基因（gene） 产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核所必需的全部核苷酸序列。苷酸序列。一、真核基因的转录一、真核基因的转录第四十一页，共122页幻灯片2022-3-142 一般位于结构基因的附近，由若干一般位于结

23、构基因的附近，由若干DNA序列元序列元件组成，主要包括启动子和增强子，只能对同一条件组成，主要包括启动子和增强子，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为实验上称为顺式作用（顺式作用（cis-action），），这些这些DNA序列叫序列叫顺式作用元件顺式作用元件，一般不编码蛋白质。，一般不编码蛋白质。第四十二页，共122页幻灯片2022-3-143 顺式作用元件一般位于基因附近，与之相连；顺式作用元件一般位于基因附近，与之相连；一般通过与反式作用因子结合发挥功能。一般通过与反式作用因子结合发挥功能。第四十三页，共122页幻

24、灯片2022-3-144 真核基因的启动子真核基因的启动子由由核心启动子核心启动子和和上游启动子上游启动子两两个部分组成，是在基因转录起始位点个部分组成，是在基因转录起始位点(+1)及其及其5上游大上游大约约100-200 bp以内的一组具有独立功能的以内的一组具有独立功能的DNA序列，每序列，每个元件长度约个元件长度约7-20 bp，是决定，是决定RNA聚合酶聚合酶II转录起始点和转录起始点和转录频率的关键元件。转录频率的关键元件。1、真核基因的启动子、真核基因的启动子第四十四页，共122页幻灯片2022-3-145 核心启动子（核心启动子（core promoter)：是指保证是指保证RN

25、A聚合聚合酶酶II转录正常起始所必需的、最少的转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转序列，包括转录起始点及转录起始位点上游录起始点及转录起始位点上游 25 - 30bp 处处TATA盒。盒。功能：确定转录起始位点并产生基础水平的转录。功能：确定转录起始位点并产生基础水平的转录。 上游启动子元件（上游启动子元件（upstream promoter element)：包括通常位于包括通常位于-70bp附近的附近的CAAT盒盒和和GC盒盒等，通等，通过过 TFII D复合物调节转录起始的频率，提高转录的效复合物调节转录起始的频率，提高转录的效率。率。第四十五页，共122页幻灯片2022-3-

26、1462、转录模板、转录模板 包括从转录起始位点到包括从转录起始位点到RNA聚合酶聚合酶II转录转录终止处的全部终止处的全部DNA序列。序列。3、RNA聚合酶聚合酶II 由至少由至少1020个亚基组成，有些亚基也个亚基组成，有些亚基也在在I、中共用。其中中共用。其中2.4105最大亚基的羧基末端含最大亚基的羧基末端含有由有由7个氨基酸残基（个氨基酸残基（Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）组成的多磷酸化位点重复序列，称为羧基末端结组成的多磷酸化位点重复序列，称为羧基末端结构域（构域（CTD）。）。第四十六页，共122页幻灯片2022-3-147 4、RNA聚合酶聚合酶II基

27、础转录所需的蛋白质因子（以基础转录所需的蛋白质因子（以“TFII”表示）表示） RNA聚合酶聚合酶II需与需与20种以上的蛋白质因子结合形成种以上的蛋白质因子结合形成转录起始复合物。转录起始复合物。 RNA聚合酶聚合酶II起始的基因转录的终止位点的起始的基因转录的终止位点的3端都端都存在一个存在一个poly(A) 位点，该位点上游位点，该位点上游1530 bp处的保守序处的保守序列列AATAAA对于初级转录产物的切割及加对于初级转录产物的切割及加poly(A)是必需是必需的。的。第四十七页，共122页幻灯片2022-3-148 poly(A)及及AATAAA序列对于基因的转序列对于基因的转录和

28、成熟意义重大，但录和成熟意义重大，但RNA聚合酶聚合酶II却不却不在该位点终止转录，而是在其下游在该位点终止转录，而是在其下游0.52 kb序列。序列。第四十八页，共122页幻灯片2022-3-149真核基因的结构真核基因的结构第四十九页，共122页幻灯片2022-3-150 真核启动子不总是单独执行功能，在一些情况真核启动子不总是单独执行功能，在一些情况下，启动子活性被另一组元件下，启动子活性被另一组元件增强子增强子大幅提高大幅提高。 增强子（增强子（enhancer）：真核生物中提高启动子效真核生物中提高启动子效率的顺式作用元件，可以不同的方向，在相对于启动子率的顺式作用元件，可以不同的方

29、向，在相对于启动子的任何位置发挥作用。的任何位置发挥作用。最显著的特点：可在很最显著的特点：可在很远的距离远的距离起作用。起作用。二、增强子及其对转录的影响二、增强子及其对转录的影响第五十页，共122页幻灯片2022-3-151增强子的增强子的特性特性： 增效效应十分明显增效效应十分明显 。 一般能使基因转录频率增加一般能使基因转录频率增加10200倍，倍，甚至增加上千倍。甚至增加上千倍。 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。 大多为重复序列大多为重复序列 。 一般长约一般长约50 bp，适合与某些蛋白因子结合。其，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（内部常

30、含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产），是产生增强效应所必需的。生增强效应所必需的。 其增强效应有严密的组织和细胞特异性。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。 说明增强子只有与说明增强子只有与特定蛋白质相互作用才能发挥功能。特定蛋白质相互作用才能发挥功能。 没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。 许多增强子受外部信号的调控。许多增强子受外部信号的调控。第五十一页，共122页幻灯片2022-3-152真核生物基因调控元件示意图真核生物基因调控元件示意图第五十二页，共122页幻灯片2022-3-153增强子的

31、作用原理：增强子的作用原理：（1）影响模板附近的影响模板附近的DNA双螺旋结构双螺旋结构，导致，导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间动子之间“成环成环”连接，活化基因转录；连接，活化基因转录；第五十三页，共122页幻灯片2022-3-154（2）将模板固定在细胞核内特定位置将模板固定在细胞核内特定位置，如连接，如连接在核基质上，有利于在核基质上，有利于DNA拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力，促进双螺旋结构的张力，促进RNA聚合酶聚合酶II在在DNA

32、链上的结合和滑动；链上的结合和滑动；（3）增强子区可以作为反式作用因子或）增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶聚合酶II进入进入染色质结构的染色质结构的“入口入口”。第五十四页，共122页幻灯片2022-3-155增强子的作用方式增强子的作用方式 增强子通过增强子通过结合结合蛋白蛋白与基础转录装与基础转录装置的作用来发挥功置的作用来发挥功能。只有增强子靠能。只有增强子靠近启动子时，才可近启动子时，才可以发挥作用。以发挥作用。第五十五页，共122页幻灯片2022-3-156第三节第三节 反式作用因子反式作用因子反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）: 指能指能

33、直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白蛋白质质，也叫转录因子。，也叫转录因子。 第五十六页，共122页幻灯片2022-3-157 根据转录复合物中各个蛋白质在转录中根据转录复合物中各个蛋白质在转录中作用不同可分为三类：作用不同可分为三类：RNA聚合酶亚基聚合酶亚基，不具有基因特异性；，不具有基因特异性；转录起始或终止的辅助因子转录起始或终止的辅助因子，不具有基因特，不具有基因特异性；异性；与与特异调控序列特异调控序列结合的转录因子。结合的转录因子。第五十七页，共122页幻灯片2

34、022-3-158目前研究最多的转录因子有：目前研究最多的转录因子有：TATA区：区：TFD；CAAT区：区：CTF；GGGCGG区：区：SP1；识别热激蛋白启动区：识别热激蛋白启动区：HSF第五十八页，共122页幻灯片2022-3-159真核生物中转录因子活性调节的主要方式真核生物中转录因子活性调节的主要方式第五十九页，共122页幻灯片2022-3-160碱基与氨基酸之间的作用一般没有固定的搭配模式碱基与氨基酸之间的作用一般没有固定的搭配模式。 蛋白与蛋白与DNA结合的结构域比较小，且结构有一定结合的结构域比较小，且结构有一定特征，称为特征，称为结构基元（结构基元（structural mo

35、tif）；）；结构基元结构基元在与在与DNA 结合中起着主要作用。结合中起着主要作用。第六十页，共122页幻灯片2022-3-161一、反式作用因子中的一、反式作用因子中的 DNA 识别或结合域识别或结合域1、螺旋、螺旋-转角转角-螺旋螺旋（helix-turn-helix，H-T-H）结构）结构 这一类蛋白质分子中有至少这一类蛋白质分子中有至少两个两个螺旋螺旋，中间由，中间由短短侧链氨基酸残基侧链氨基酸残基形成形成“转折转折”，近羧基端的，近羧基端的螺旋中氨螺旋中氨基酸残基的基酸残基的替换替换会影响该蛋白质在会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟双螺旋大沟中的结合。中的结合。第六十一页，共122页

36、幻灯片2022-3-162接触部位接触部位第三个第三个-螺旋与大沟螺旋与大沟N-端与小沟端与小沟磷酸骨架磷酸骨架没有特异性没有特异性碱基碱基有特异性有特异性螺旋螺旋1螺旋螺旋2反向平行反向平行垂直于垂直于螺旋螺旋3螺旋螺旋转角转角螺旋式样螺旋式样形成形成第六十二页，共122页幻灯片2022-3-163q定义：保守氨基酸残基与锌离子结合，使中间的氨基定义：保守氨基酸残基与锌离子结合，使中间的氨基酸残基回折成一种手指状结构，称为酸残基回折成一种手指状结构，称为锌指锌指。 一个一个-螺旋与一个螺旋与一个反向平行反向平行片层的基部以片层的基部以锌原子为中心，通过一对半锌原子为中心，通过一对半胱氨酸和一

37、对组氨酸之间形胱氨酸和一对组氨酸之间形成配位键相连接。成配位键相连接。第六十三页，共122页幻灯片2022-3-164 锌指与锌指与DNA 的结的结合：合：C 端形成端形成-螺旋螺旋，插入大沟与，插入大沟与 DNA 结结合，合，N 端形成端形成-折叠折叠；第六十四页，共122页幻灯片2022-3-165糖皮质激素受体特异性糖皮质激素受体特异性雌激素受体特异性雌激素受体特异性类固醇激素受体是以二聚体形类固醇激素受体是以二聚体形式发挥其促进转录作用的。它式发挥其促进转录作用的。它们的两个锌指的功能不同。第们的两个锌指的功能不同。第1个锌指的右侧是控制与个锌指的右侧是控制与DNA结合的，第结合的，第

38、2个锌指的左侧则是控个锌指的左侧则是控制形成二聚体的能力的。制形成二聚体的能力的。第六十五页，共122页幻灯片2022-3-1663、碱性、碱性亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic-Leucine zipper，bZIP)第六十六页，共122页幻灯片2022-3-167碱性区域插入碱性区域插入DNA大沟，与大沟，与DNA结合。结合。第六十七页，共122页幻灯片2022-3-168q -螺旋的一侧集中了许多螺旋的一侧集中了许多疏水氨基酸疏水氨基酸，疏水侧面相互，疏水侧面相互作用形成二聚体。作用形成二聚体。q -螺旋中螺旋中亮氨酸亮氨酸频繁出现，且趋于每频繁出现，且趋于每7个氨基酸残基出个氨基酸残基

39、出现一个亮氨酸，使在形成现一个亮氨酸，使在形成 -螺旋时，亮氨酸出现在螺旋时，亮氨酸出现在 -螺旋的疏水一侧，并且直线排列。螺旋的疏水一侧，并且直线排列。碱性碱性亮氨酸拉链亮氨酸拉链 ：第六十八页，共122页幻灯片2022-3-169p在拉链区的氨基端有约在拉链区的氨基端有约35个残基的个残基的碱性区碱性区(富含赖氨富含赖氨酸和精氨酸酸和精氨酸)。此区的作用是与。此区的作用是与DNA结合，它也形成结合，它也形成 -螺旋。螺旋。p亮氨酸拉链区的作用是将一对与亮氨酸拉链区的作用是将一对与DNA结合的区域拉结合的区域拉在一起，以结合两个相邻的在一起，以结合两个相邻的DNA序列。序列。第六十九页，共1

40、22页幻灯片2022-3-170碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子序列比较碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子序列比较第七十页，共122页幻灯片2022-3-171 bHLH蛋白是以二聚体与蛋白是以二聚体与DNA结合并发挥作用的。结合并发挥作用的。4、碱性碱性螺旋螺旋环环 螺旋螺旋（basic-helix-loop-helix, bHLH)第七十一页，共122页幻灯片2022-3-172第七十二页，共122页幻灯片2022-3-173碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构（basic helix-loop-helix，bHLH）含含40-50个氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂个氨基酸残基，其中

41、含两个既亲水又亲脂的的 -螺旋（螺旋（helix），）， -螺旋被不同长度的连接区（螺旋被不同长度的连接区（loop）分开。分开。bHLH蛋白借两个螺旋对应面上疏水基团相互作用形成蛋白借两个螺旋对应面上疏水基团相互作用形成同样亚基或不同亚基构成的同样亚基或不同亚基构成的 二聚体。二聚体。第七十三页，共122页幻灯片2022-3-174pbHLH区使各亚基的两个碱性区正确定向。区使各亚基的两个碱性区正确定向。p与与bHLH区相邻的是强碱性的区域，它是与区相邻的是强碱性的区域，它是与DNA结合结合必须的。必须的。第七十四页，共122页幻灯片2022-3-175 同源域：同源域：是指编码是指编码60

42、个保守氨基酸序列的个保守氨基酸序列的DNA片段，广泛存在于真核生物基因组内，片段，广泛存在于真核生物基因组内，同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化密切相关。许多含有同源转换区的基因编码化密切相关。许多含有同源转换区的基因编码的蛋白具有转录调控的功能，同源转换区氨基的蛋白具有转录调控的功能，同源转换区氨基酸序列很可能参与形成了酸序列很可能参与形成了DNA结合区。结合区。第七十五页，共122页幻灯片2022-3-176第七十六页，共122页幻灯片2022-3-177第七十七页，共122页幻灯片2022-3-178 在真核生物中，反式作用因子的功能受蛋白

43、质在真核生物中，反式作用因子的功能受蛋白质-蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以的转录调控功能通常以复合物复合物的方式来完成，这就的方式来完成，这就意味着并非每个转录因子都直接与意味着并非每个转录因子都直接与DNA结合。是否结合。是否具有具有转录活化域转录活化域成为反式作用因子中唯一的结构基础。通成为反式作用因子中唯一的结构基础。通常依赖于常依赖于DNA结合结构域以外的结合结构域以外的30100个氨基酸残基个氨基酸残基。第七十八页，共122页幻灯片2022-3-179转录活化有下列几个特征性结构：转录活化有下列几个特征性结

44、构：l1、带负电荷的螺旋结构带负电荷的螺旋结构。糖皮质激素受体。糖皮质激素受体AP1家族的家族的Jun及及GAL4有酸性的螺旋结构，能与有酸性的螺旋结构，能与TFIID复合物复合物中某个通用基因或中某个通用基因或RNA聚合酶聚合酶II本身结合，并有稳本身结合，并有稳定转录起始复合物的作用。定转录起始复合物的作用。第七十九页，共122页幻灯片2022-3-180l2、富含谷氨酰胺的结构富含谷氨酰胺的结构。Oct1/2，Jun、AP2、血清应答因子（、血清应答因子（SRF）有相同的富含）有相同的富含谷氨酰氨的结构域。谷氨酰氨的结构域。第八十页，共122页幻灯片2022-3-181l3、富含脯氨酸的

45、结构富含脯氨酸的结构。CTFNF1因子的因子的羧基端富含脯氨酸（达羧基端富含脯氨酸（达20%30%），很难），很难形成形成螺旋。螺旋。第八十一页，共122页幻灯片2022-3-182细胞应答分为细胞应答分为3个阶段个阶段：l外界信息的外界信息的“感知感知”，即由细胞膜到细，即由细胞膜到细胞核内的信息传递；胞核内的信息传递；l染色质水平上的基因活性调控；染色质水平上的基因活性调控；l特定基因的表达，即从特定基因的表达，即从DNARNA蛋蛋白质的遗传信息传递过程。白质的遗传信息传递过程。第八十二页，共122页幻灯片2022-3-183蛋白质的磷酸化及去磷酸化蛋白质的磷酸化及去磷酸化第八十三页，共1

46、22页幻灯片2022-3-184第八十四页，共122页幻灯片2022-3-185由细胞膜到细胞核内的由细胞膜到细胞核内的信息传递信息传递途径途径:细胞表面受体蛋白构象变化细胞表面受体蛋白构象变化; ;细胞表面受体发生寡聚化。细胞表面受体发生寡聚化。受体分子受体分子活化细胞活化细胞功能的途径：功能的途径：受体本身或受体结合蛋白具有内源酪氨酸激酶受体本身或受体结合蛋白具有内源酪氨酸激酶活性活性; ;配体与受体结合，通过配体与受体结合，通过G G蛋白，活化丝氨酸蛋白，活化丝氨酸/ /苏氨酸或酪氨酸激酶。苏氨酸或酪氨酸激酶。第八十五页，共122页幻灯片2022-3-186一、受一、受cAMP水平调控的

47、水平调控的A激酶激酶 A激酶激酶：指依赖于：指依赖于cAMP的蛋白激酶的蛋白激酶（PKA），其功能是将），其功能是将ATP分子上的末端磷分子上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸基团加到某个特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上。酸残基上。第八十六页，共122页幻灯片2022-3-187cAMP第八十七页，共122页幻灯片2022-3-188 许多转录因子的许多转录因子的5端启动子区有一个或数个端启动子区有一个或数个cAMP应答元件，其基本序列为：应答元件，其基本序列为：TGACGTCA。膜上受体膜上受体结合结合外源配基外源配基引起引起受体构象变化受体构象变化结合结合GTP结合蛋白结合蛋

48、白激活激活腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶导致导致cAMP浓度升高浓度升高活化活化A激酶激酶释放释放催化亚基进入核内催化亚基进入核内活化活化转录因子转录因子p作用过程：作用过程：第八十八页，共122页幻灯片2022-3-189 磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇肌醇-4,5-二磷酸二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2)的两个降解产物：肌醇的两个降解产物：肌醇-1,4,5-三磷酸（三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3） 和二酰基甘油（和二酰基甘油（diacylglycero

49、l，DAG）。）。第八十九页，共122页幻灯片2022-3-190膜上受体膜上受体结合结合外源配基外源配基活化活化受体受体活化活化G蛋白蛋白激活激活磷酸酯酶磷酸酯酶-磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二磷酸(PIP2)降解降解肌醇肌醇-1,4,5-三磷酸（三磷酸（IP3）二酰基甘油（二酰基甘油（DAG）提高提高Ca2+浓度浓度C激酶激酶激活激活磷酸化磷酸化丝氨酸或苏氨酸丝氨酸或苏氨酸图图 8-31第九十页，共122页幻灯片2022-3-191 Ca2+的细胞学功能主要是通过的细胞学功能主要是通过钙调蛋白（钙调蛋白（calmodulin，CaM）激酶）激酶来实现来实现 ，也是一类，也是一类丝氨

50、酸丝氨酸或或苏氨酸苏氨酸激酶，但激酶，但仅应答于细胞内仅应答于细胞内Ca2+的水平。的水平。 MAP激酶激酶(mitogen-activated protein kinase, MAP-kinase) 的活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，的活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，也受到酪氨酸蛋白激酶及也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受体系统的调控。蛋白受体系统的调控。第九十一页，共122页幻灯片2022-3-192 MAP激酶的结构特点是激酶的结构特点是酪氨酸酪氨酸与与丝氨酸丝氨酸残基仅相隔一个氨基酸残基。残基仅相隔一个氨基酸残基。 MAP激酶上酪氨酸与丝氨酸残基的同时激酶上酪氨酸与丝氨酸残

51、基的同时磷酸化使之具有活性，引起一系列生理反应。磷酸化使之具有活性，引起一系列生理反应。MAP的磷酸化与活化示意图的磷酸化与活化示意图第九十二页，共122页幻灯片2022-3-193MAPK作用机制作用机制：被激活后转移至细胞核内，：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。的酶发生磷酸化使之活性发生改变。MAPK家族成员的底物大部分是家族成员的底物大部分是转录因子转录因子、蛋蛋白激酶白激酶等。等。 第九十三页，共122页幻灯片2

52、022-3-194 MAPK调控的调控的生物学效应生物学效应：参与多种细：参与多种细胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化及胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位。用部位。第九十四页，共122页幻灯片2022-3-195 酪氨酸激酶（酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸激酶酪氨酸激酶跨膜受体家族跨膜受体家族胞质非受体家族胞质非受体家族胞外配体结构域胞外配体结构域跨膜结构域跨膜结构域细胞质激酶结构域细胞质激

53、酶结构域细胞质激酶结构域细胞质激酶结构域保守序列保守序列第九十五页，共122页幻灯片2022-3-196胞外配体结构域胞外配体结构域结合结合配体配体受体二聚化受体二聚化导致导致使使胞质区酪氨酸残基磷酸化胞质区酪氨酸残基磷酸化跨膜受体家族作用机理：跨膜受体家族作用机理：第九十六页，共122页幻灯片2022-3-197Src同源结构域同源结构域功能区功能区SH1区：区：416位磷酸化活性提高位磷酸化活性提高调节区调节区SH2区：结合蛋白区：结合蛋白SH3区：定位区：定位SH2抑制区抑制区527位磷酸化抑制其活性位磷酸化抑制其活性胞质非受体家族作用机理胞质非受体家族作用机理第九十七页，共122页幻灯

54、片2022-3-198p53基因基因编码编码 p53蛋白蛋白激活物调节激活物调节 p21蛋白表达蛋白表达大量大量p21蛋白蛋白结合细胞周期蛋白结合细胞周期蛋白激酶激酶E-CDK2复合物复合物p21蛋白不足蛋白不足CDK2使得使得pRb蛋白磷酸化蛋白磷酸化pRb蛋白不能与蛋白不能与E2F结合结合与与DNA合成有关的基因合成有关的基因被激活，引发细胞分裂被激活，引发细胞分裂CDK2不能使不能使pRb蛋白磷酸化蛋白磷酸化pRb结合转结合转录因子录因子E2F细胞分裂受阻细胞分裂受阻第九十八页，共122页幻灯片2022-3-199一、组蛋白的乙酰化及去乙酰化一、组蛋白的乙酰化及去乙酰化 1、组蛋白的基本

55、组成、组蛋白的基本组成 2、核心组蛋白的乙酰化及去乙酰化、核心组蛋白的乙酰化及去乙酰化 核心组蛋白的核心组蛋白的N端可发生乙酰化及去乙酰化修端可发生乙酰化及去乙酰化修饰。饰。第九十九页，共122页幻灯片2022-3-11003、组蛋白乙酰基转移酶、组蛋白乙酰基转移酶与转录有关与转录有关与核小体的组装及染色体结构有关与核小体的组装及染色体结构有关4、组蛋白的去乙酰化、组蛋白的去乙酰化 使核小体相互靠近，抑制基因转录。使核小体相互靠近，抑制基因转录。第一百页，共122页幻灯片2022-3-1101二、组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响二、组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响组蛋白乙酰化组蛋白

56、乙酰化中和正电荷，使核小体结构松散中和正电荷，使核小体结构松散抑制核小体的浓缩抑制核小体的浓缩组蛋白乙酰化提高基因的转录活性。组蛋白乙酰化提高基因的转录活性。第一百零一页，共122页幻灯片2022-3-1102三、三、 p53乙酰化对转录的影响乙酰化对转录的影响 p53蛋白调节蛋白调节p21蛋白的表达，当蛋白的表达，当p53蛋白蛋白乙酰化后使与乙酰化后使与DNA的结合区暴露，增强了与的结合区暴露，增强了与DNA的结合能力从而促进的结合能力从而促进p21基因的转录。基因的转录。第一百零二页，共122页幻灯片2022-3-1103一、激素对靶基因的影响一、激素对靶基因的影响 类固醇激素（如雌激素、

57、孕激素、醛固类固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮质激素和雄激素）以及一般代谢性酮、糖皮质激素和雄激素）以及一般代谢性激素（如胰岛素）的调控作用都是通过激素（如胰岛素）的调控作用都是通过起始起始基因转录基因转录而实现的。而实现的。第一百零三页，共122页幻灯片2022-3-1104 1、膜受体激素、膜受体激素 激素激素作为第一信使，通过与细胞表面质作为第一信使，通过与细胞表面质膜受体结合，通过跨膜传递途径将信号传递膜受体结合，通过跨膜传递途径将信号传递到细胞内。然后通过第二信使，将信号逐级到细胞内。然后通过第二信使，将信号逐级放大，从而使激素的信号转换为放大，从而使激素的信号转换为激活转录

58、因激活转录因子子的信号，影响基因表达。的信号，影响基因表达。第一百零四页，共122页幻灯片2022-3-1105激素透过细胞膜进入细胞激素透过细胞膜进入细胞进入进入结合结合细胞质受体细胞质受体细胞核细胞核结合结合染色质的特定区域染色质的特定区域导致导致基因转录起始或关闭基因转录起始或关闭2、非膜受体激素、非膜受体激素第一百零五页，共122页幻灯片2022-3-1106二、热激蛋白诱导的基因表达二、热激蛋白诱导的基因表达 大多数生物在最适温度以上，能受热诱导合成一系大多数生物在最适温度以上，能受热诱导合成一系列热休克蛋白列热休克蛋白，就是由于就是由于热激因子（热激因子（ heat shock f

59、actor,HSF ) 与与 hsp70 基因基因TATA区上游区上游60bp 处的热激处的热激应答元件（应答元件（ heat shock response element, HSE ) 相相结合，诱发基因转录的起始。结合，诱发基因转录的起始。第一百零六页，共122页幻灯片2022-3-1107 应答元件应答元件：能与某一个或某一类专一：能与某一个或某一类专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列。上游序列。第一百零七页，共122页幻灯片2022-3-1108三、金属硫蛋白基因表达的调控三、金属硫蛋白基因表达的调控 金属硫蛋白（金属硫蛋白（met

60、allothionein,MT ) 是细胞内是细胞内多余重金属离子的螯合蛋白，在平时有本底水平多余重金属离子的螯合蛋白，在平时有本底水平的表达，还能受重金属离子或糖皮质的诱导而高的表达，还能受重金属离子或糖皮质的诱导而高效表达。效表达。第一百零八页，共122页幻灯片2022-3-1109第六节第六节 其他水平上的基因调控其他水平上的基因调控一、一、RNA的加工成熟的加工成熟1、rRNA和和tRNA的加工成熟的加工成熟 rRNA加工有两个内容，一个是分子内的加工有两个内容，一个是分子内的切割切割，另一个是，另一个是化学修饰化学修饰。 rRNA的化学修饰主要是的化学修饰主要是甲基化甲基化，原核生物