真核生物基因表达调控

1、关于真核生物基因表达调控第一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 真核生物的基因表达调控第二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 第三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原

2、核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控真核生物基因表达调控的种类：第四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 真核生物的基因表达调控一、染色体与DNA水平的调控二、转录水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控六、发育调控第五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月一、染色体

3、与DNA水平的调控（一）、真核生物色质结构第六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。第七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（二）染色质的重塑原核生物的基因组是裸露的，其RNA聚合酶可直接识别启动子，起始转录。而真核生物的基因组和组蛋白结合压缩形成复杂的染色质结构。对真核生物的RNA聚合酶来说，和启动子的结合受染色质结构的限制。只有解除对转录模板的限制才能启动基因的表达。染色质中相关区域的结构改

4、变，使转录活化的过程被称为染色质的重塑（chromatin remodeling）。染色质重塑导致核小体的结构发生变化，转录因子和RNA聚合酶得以接近并结合启动子，使转录发生。第九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月用核酸酶处理染色质，再进行凝胶电泳显示，具有转录活性的基因和不具有转录活性的基因都出现200bp的条带，说明两者都具有核小体结构，因此认为转录的过程中需要核小体的移位，即RNA聚合酶结合部位的核小体需要暂时移开，等待RNA聚合酶作用后再重新组装。实验发现，纯化的DNA加入核心组蛋白温浴后重建的染色体转录能力下降了75%，当在加入组蛋白H1后，转录能力可进一步下降25-100倍

5、。如果在加入H1前先加入Sp1和Gal4等活化蛋白，组蛋白抑制转录的效应可被活化因子阻止。关于转录活化因子调节基因表达中最为普遍接受的为：重塑蛋白首先与核小体结合，不改变其结构，但使其松动并移位，顺式作用原件暴露出来，和相关转录因子或RNA聚合酶结合，启动转录过程。第十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。活性染色质第十一张，

6、PPT共五十八页，创作于2022年6月（三）、组蛋白的共价修饰 组蛋白N末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等多种共价修饰作用，这些修饰对染色质的活性有着重要的调控作用。第十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月组蛋白的乙酰化和去乙酰化组蛋白去乙酰化对转录的抑制作用 (引自Weaver, 2010)第十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月(四) 基因的丢失与扩增1.基因丢失（体细胞中染色体裂解成小染色体）马蛔虫（Parascaris equoorum）（2n =2）第十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月基因丢失1.只存在于一些低等生物体细胞中。在细胞分化时

7、，当需要消除某些基因活性时才发生。2.采用基因丢失的方式调控是不可逆的。3.高等真核生物细胞具有全能性。第十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 2. 基因扩增（amplification）基因扩增是某些基因的拷贝数大量增加的现象,它使细胞在短期内产生大量基因产物满足生长发育的需要.1 .非洲爪蟾的基因扩增 非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码 18S r RNA和28S r RNA的DNA，在卵母 细胞中它们的拷贝数扩大了4000倍。第十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月2. 果蝇的多线染色体（polytene）：每条染色体中含有许多相同的DNA分子。在果蝇卵巢成熟之前，卵

8、巢颗粒中的卵壳蛋白基因被大量扩增。果蝇卵原细胞经过4次分裂产生16个细胞，其中1个是卵母细胞，其余15个是营养细胞，它们为卵细胞的形成提供大量的生物大分子。多线染色体就存在于营养细胞中。第十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（五）、DNA的重排1. 酵母交配型的转换 某些品系的酵母具有转换（switch）交配型的能力，即从a型变成为型，或从型转变为a型。这些品系带有显性等位基因HO，并频繁地改变它们的交配型（常常每代改变一次）。 转换的存在表明所有的细胞都含有MATa和 MAT型的潜在信息， MAT和MATa同在一条染色体上，MAT样基因HML位于MAT的左边，MHR位于MAT的右边

9、。第十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月酵母的接合型转变第十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月接合型转变的模型1977年Hicks,T.B.等提出了暗箱模型（cassette model）活性暗箱（active cassette）沉默暗箱（silent cassettes）沉默子（silencers）第二十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 暗箱模型（cassette model）1 MAT是活性暗盒（active cassette），可以是型，也可以是a型。HML和HMR是沉默暗盒（silent cassettes），都不能表达，通常HML带有暗盒，而HMR带有a

10、暗盒，所有的暗盒都带有编码交配型的信息，但平时由于受到MAR基因编码的阻遏蛋白调节都不表达，只有MAT位点区（活性暗盒）可以表达。当沉默暗盒信息“装进”活性暗盒就可以表达。2 HO基因的编码产物介导了沉默暗盒信息“装进”活性暗盒。该过程类似于转座子的转座行为。第二十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（六）DNA的甲基化与去甲基化 DNA的甲基化存在于所有高等生物中，并与基因表达调控有关一般来讲，甲基化能关闭某些基因的活性，而去甲基化则诱导基因的重新活化。第二十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要

11、出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛，大部分不被甲基化。 DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。 第二十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月掺入正在合成的DNA中，可占据胞苷的位置，从而使基因去甲基化CH35-甲基胞嘧啶第二十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶第二十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月二、转录水平的调控原核生物的转录调控:负调控-阻遏蛋白真核生物的转录调控:正调控-转录激活因子 顺

12、式作用元件 反式作用因子第二十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 （一）、顺式作用元件 顺式作用元件由一定特殊的DNA序列组成，通常与其参与调控的功能基因连锁存在。它们的作用是调控基因的表达，本身不编码任何蛋白质, 仅仅提供一个作用位点, 要与反式作用因子相互作用而发挥功能。真核生物的顺式作用元件主要有启动子，增强子及沉默子等第二十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月1.启动子核心启动子（core promoter）上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）由于RNA聚合酶负责转录产生mRNA前体，所以我们主要以RNA聚合酶为例介绍转录的调节

13、。第二十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子（一）顺式作用元件转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾 转录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点内含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体DNA分子上具有的可影响转录的各种组分GC：GGGGCGGCAAT：GGCCAATCTTATA：TATAAAA第三十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月真核和原核生物启动子的比较第三十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第三十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月2.增强子：能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列1 增强

14、效应十分明显:10-200倍,甚至上千倍2 增强效应与其位置和取向无关3没有基因专一性,与不同的基因组合均表现增强效应4其增强效应有严密的组织性和细胞特异性,只有特定的转录因子参与才能发挥其功能5 许多增强子还受外部金属离子等调控第三十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月3 沉默子 silencer负性调控元件，它与转录抑制因子结合抑制转录。最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中证实其存在。沉默子的作用特点：不受序列方向的影响，能远距离发挥作用，第三十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月绝缘子 4、绝缘子（insulator）：能阻止正调控或负调控信号

15、在染色体上的传递，阻断包括增强子，沉默子的作用，是染色质活性限制在一定结构域之内。第三十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（二）反式作用因子反式作用因子指能与顺式作用元件结合的真核转录调节蛋白，因编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶序列（基因）不在同一染色体上而得名。 反式作用因子 识别/结合 顺式作用元件中的靶序列 启动转录例：转录因子TFD 识别结合 TATA box 转录因子 SP1 识别结合 GC box第三十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第三十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第三十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月反式因子有两个

16、必需的结构域DNA 结合结构域：与顺式元件识别、结合转录激活结构域：与其他蛋白质结合蛋白质图15-9第三十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）这类结构至少有两个螺旋其间由短肽段形成的转角连接，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）,两个螺旋刚好嵌入DNA的深沟。 1.反式作用因子（DNA结合域）结构模式第四十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第四十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月Helix-turn-helix 螺旋-转角-螺旋最常见DNA结合域之一例：CAP

17、(最早在原核生物中发现）螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟第四十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月锌指（zinc finger） ，每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸残基，锌以4个配位键与4个半胱氨酸、或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有2-9个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构。第四十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月Zinc-fingers 锌指最常见DNA结合域之一约有30个AA残基其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys） 配位

18、键 Zn2+ 锌指与DNA双螺旋大沟结合。 存在于多种真核转录因子具多个锌指结构第四十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月碱性-亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP） 这结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致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就能以疏水键结合成二聚体，这二聚体的另一端的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。第四十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月Leucine-zippers 亮氨酸拉链一段肽链中每隔6个AA 即有一个Leu 螺

19、旋 亲水面：亲水AA组成 疏水面：Leu组成 （亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）DNA的结合域： 拉链区以外结构第四十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。第四十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月碱性亮氨酸拉链模体第四十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月螺旋-环-螺旋:helix-loop-helix :两个双性的螺旋被非螺旋的环状结构所隔开, 蛋白质的氨基端则是碱性区, 其DNA结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似. 第四十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月helix-loop-h

20、elix 螺旋-环-螺旋 -螺旋有兼性形成二聚体有利于其与DNA结合第五十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月螺旋-环-螺旋第五十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月2. 转录激活域激活域是与其它转录因子相互作用的结构成分，可控制转录起始复合物的组装和转录起始，具有转录调控功能。酸性激活域，半乳糖代谢的转录因子。谷氨酰胺激活域，结合GC框的Sp1。脯氨酸激活域，识别CAAT框的转录因子CTF。第五十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 三、转录后水平的基因表达调控（一）、可变拼接 有些mRNA前体可通过不同的方式剪接，选择不同的外显子，形成两种或多种成熟mRNA，编码不同的蛋白产物，称为可变拼接。第五十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 1980年，David Baltimore在小鼠IgM重链基因中发现了可变拼接，IgM基因最后两个外显子，决定了所编码的IgM是膜型，还是分泌型，其中膜型的羧基