生物化学与分子生物学：6-基因表达调控-2

1、第十六章 基因表达调控 Regulation of Gene ExpressionInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering真核基因表达调节Regulation of Eukaryotic Gene Expression第 四 节基 本 内 容真核基因组结构特点真核基因表达调控基本特点RNA pol和pol 的转录调节RNA pol转录起始的调节RNA pol转录终止的调节转录后水平的调节翻译水平的调节Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic E

2、ngineering一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（二）真核基因为单顺反子 （monocistron)“即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链。”Institute of Genetic Engineering（三）重复序列众多单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106 次）中度重复序列（多为103 104次）多拷贝序列反向重复序列一、真核基因组结构特点（四）真核基因编码序列的不连续性Institute of Genetic Engineering 真核基因组 原核基因组1、基因组庞大，与组蛋白结合形成染色质2、许多DNA不转录3、单顺反子4、大量重复序

3、列5、断裂基因（有内含子） 只有一个DNA分子或RNA分子 绝大部分参与基因的表达或调控 多顺反子 重复序列少 操纵子结构（无内含子）真核与原核基因组区别Institute of Genetic Engineering二、真核基因表达调控更复杂（一）三种RNA聚合酶（RNA pol 、） TATA盒结合蛋白（TBP）为共有亚基（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化1. 对核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位点（hypersensitive site)，位于调节蛋白结合位点附近。Institute of Genetic Engineering2. DNA拓扑结构变化RNA-pol正超螺旋负

4、超螺旋转录方向二、真核基因表达调控更复杂（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化Institute of Genetic Engineering3. 甲基修饰变化 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，通常在启动子区的CpG序列（CpG岛）上 甲基化程度与基因表达程度呈反比，处于转录活化状态的基因CpG序列一般低甲基化。二、真核基因表达调控更复杂（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化基因组印迹基因组印迹（genomic imprinting): 源于父母双方的同一对等位基因的选择性差异表达的现象。指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导

5、致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性，又称遗传印迹或亲代印迹或配子印迹。具有这种差异的基因被称为印迹基因（imprinted genes)Institute of Genetic Engineering基因组印迹的分子机理研究发现印迹基因与DNA中胞嘧啶甲基化尤其是CpG岛的甲基化密切相关。基因印迹中，几乎所有的印迹基因都有一些序列成份在两个不同亲本来源的等位基因中仅有一方是甲基化，这些序列被称为“差异甲基化区域”Institute of Genetic Engineering2022/7/9Institute of Genetic Engineering4. 组蛋白修饰活化局

6、部染色质二、真核基因表达调控更复杂 组蛋白修饰包括：乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及ADP核糖基化等组蛋白N端赖氨酸残基的乙酰化修饰能够中和正电荷，降低整个核小体对带负电荷DNA的亲和力，有助于转录激活。（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化Institute of Genetic EngineeringAcetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin, whereas methylation is associated with inactive chromatin. Institute of Genetic E

7、ngineeringInstitute of Genetic Engineering采用正性调节机制更精准采用负性调节不经济（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工二、真核基因表达调控更复杂Institute of Genetic Engineering（一）RNA pol转录体系的控制三、RNA pol和pol 的转录调节人rRNA基因上游调控元件和核心元件 上游结合因子UBF1和选择因子SL1+1-100rRNA前体基因上游调控元件核心元件转录区Upstream control element, UCECore elementtRNA和5S rRNA基因的转录启动

8、子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区（internal control regions, ICR)TFIIIB是必需的转录因子，而TFIIIA, TFIIIC是帮助结合的辅助因子。（二）RNA pol 转录体系的控制Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering四、RNA pol转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性1. 启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。

9、典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒等组成。 典型的真核启动子通常含有TATA盒、CAAT盒、GC盒等多种顺式反应原件的不同组合。Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering2. 增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其作用方式通常与方向、距离无关。酵母中存在上游激活序列 UASs，作用类似。四、RNA pol转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性Institute of Genetic Engineering3. 沉默子(s

10、ilencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。四、RNA pol转录起始的调节（一）顺式作用元件影响基因转录活性Institute of Genetic Engineering（二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性） 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，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。TFD是三种聚合酶的基本转录因子。参与RNA-pol转录的TF Institute of Genetic EngineeringInstitute o

11、f Genetic Engineering特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。 转录激活因子：增强子结合蛋白 转录抑制因子：沉默子结合蛋白 (transcription activators) (transcription inhibitors)（二）反式作用因子 Institute of Genetic Engineering2. 转录调节因子结构TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）转录激活域 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA结合域锌指结构碱性螺旋Institute of Geneti

12、c Engineering常见DNA结合域 锌指结构(zinc finger)螺旋-转角-螺旋 (helix-turn-helix, HTH)螺旋-环-螺旋 (helix-loop-helix,HLH)碱性亮氨酸拉链 (basic leucine zipper, bZIP)Institute of Genetic Engineering锌指结构(zinc finger)最早发现于结合GC盒的SP1因子,由30个氨基酸组成, 其中有2个Cys 和2个His, 四个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角,与四面体中心的的Zn+结合,稳定锌指的结构。在Cys和His之间，有12个氨基酸残基，其中数个为保守

13、的碱性残基。常结合GC boxInstitute of Genetic Engineering锌指结构与DNA的结合Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering螺旋-转角-螺旋及螺旋-环-螺旋这类结构至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连接，两个这样的motif结构以二聚体形式相连，距离正好相当于DNA一个螺距(3.4nm)，两个螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟。 阻遏蛋白二聚体与 DNA的相互作用Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Eng

14、ineering碱性亮氨酸拉链(bZIP)肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，这些亮氨酸残基都在螺旋的同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基能以疏水键结合成二聚体该二聚体的另一端肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低。Institute of Genetic Engineering（三）mRNA 转录激活需形成转录起始复合物polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物.TATA DNATBP相关因子EBPInstitute of Genet

15、ic Engineering机制复杂，仍需进一步研究热休克蛋白基因的转录终止调节热休克时停止大多数基因的转录和翻译，启动热休克蛋白的表达五、RNA pol转录终止的调节Institute of Genetic Engineering六、转录后水平的调节（一）hnRNA加工成熟的调节 1. 加帽 2. 加尾 3. 剪接 4. 编辑Institute of Genetic Engineering六、转录后水平的调节（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节稳定性降解途径保证mRNA不在细胞中累积并避免合成过多的蛋白质。合成速率 降解速率Institute of Genetic Engineering某

16、些mRNA分子的3-UTR含有能影响mRNA稳定性的特殊序列，例： 铁转运蛋白受体（TfR）mRNA稳定性的调节决定于mRNA分子中3UTR特定的重复序列， 称为铁反应元件（iron-response element, IRE)。高铁浓度时，IRE可促进TfR mRNA的降解。六、转录后水平的调节 IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节低铁状态转铁蛋白受体mRNA5编码区活化的IRE-BP3poly(A)n翻译TfR蛋白IRE高铁状态转铁蛋白受体mRNA5编码区铁失活的IRE-BP3poly(A)nmRNA降解IREInstitute of Genetic EngineeringIns

17、titute of Genetic Engineering在过去十多年里，科学家们发现了一些从不会成为蛋白质的新型RNA分子，将之称为非编码RNA （small nonconding RNA，ncRNA) 。越来越多的证据显示，非编码RNA 在基因表达的调节中扮演关键角色，例如microRNA和siRNAncRNA的主要功能有：参与mRNA的稳定及翻译的调节、参与蛋白质的运输、参与RNA的加工和修饰、影响染色体的结构等。（三） 小分子RNA对基因表达的调节Institute of Genetic Engineering（三） 小分子RNA对基因表达的调节短链非编码RNA的序列都比较短，不超过4

18、0 nt。这些短链非编码RNA的发生机制、生理功能，及其调控作用各不相同：microRNAs( miRNAs，约22 nt) 、内源性的小干扰RNAs ( endo-siRNA，约21 nt ) Institute of Genetic Engineering非编码单链RNA，长度约2025nt。由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的发夹状单链RNA 前体(pre-miRNA)在胞浆经Dicer酶剪切后形成。1微小RNA (microRNA, miRNA)（三） 小分子RNA对基因表达的调节Institute of Genetic EngineeringmiRNA的特点一般为2025nt

19、；不同生物普遍存在；序列有一定的保守性；表达有时间特异性、空间特异性；与靶mRNA的3端非编码区互补，切割或抑制该mRNA分子（依据配对高低），从而抑制该mRNA的翻译一个miRNA可调节数百个靶基因包括转录因子、细胞因子等，几种miRNAs也可以联合调控单一基因的表达，miRNAs和靶基因组成了复杂的调节网络30%的mRNA受到调节miRNA 的生成及作用机制Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringNezha has three heads and six arms equipped with a swo

20、rd for mRNA cleavage, a cosmic ring for translational repression, and a flag for DNA methylation. Institute of Genetic Engineering当病毒基因、人工转入基因、转座子等外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内，并利用宿主细胞进行转录时，常产生一些dsRNA。宿主细胞对这些dsRNA迅即产生反应，胞质中的核酸内切酶Dicer将dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的小片段RNA（大约2123 bp），即siRNA。构成RNA诱导的沉默复合体（RISC），与特异的靶mRNA完全

21、互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。2小干扰RNA (siRNA)Institute of Genetic EngineeringRNA 干扰概念：由siRNA介导的转录后基因表达抑制作用被称为RNA干扰(RNA interference，RNAi)。 RNAi是真核生物中普遍存在的抵抗病毒入侵、抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制. 目前，利用siRNA 来沉默目标基因的表达，已经成为基因操作中非常有用的方法之一。基因治疗药物靶点筛选细胞信号传导通路分析 RNA 干扰技术(RNAi)的应用Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringsiRNAmiRNA前体内源或外源长双链RNA内源发夹环结构的转录产物结构双链分子单链分子功能降解mRNA阻遏mRNA翻译靶mRNA 结合需完全互补不需完全互补生物学效应抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节siRNA 和miRNA的差异比较Institute of Genetic Engineering（一）翻译起始因子（eIF）活性的调节蛋白质合成速率的快速变化很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节起始因子活性对起始阶段有重要的控制作用。 eIF-2亚单位