真核基因表达调控-1课件

1、8 基因的表达与调控（下）8.1 真核基因表达调控相关概念和一般规律真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在的差异:在真核细胞中，成熟mRNA为单顺反子mRNA，很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。8.1.1 基因表达的基本概念基因(gene)是能产生一条肽链或功能RNA所必需的DNA。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA分子的过程称为基因表达。基因表达是受内源和外源信号调控的。高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间存在不被翻译的内含子。真核生物

2、能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于转录起始位点上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶对它的结合。在真核生物中，基因转录的调节区则大得多，它们可能远离核心启动子达几百个甚至上千个碱基对。真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。原核生物中不存在这样严格的空间间隔。许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。8.1.2 真核基因的断裂结构1. 外显子与内含子内含子是指存在于原始转录物或基因组DNA中，但

3、不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成的。断裂基因(interrupted gene)基因中的内含子数量和大小都不同。胶原蛋白基因长约40kb，至少有40个内含子，其中短的只有50bp，长的可达到2000bp。少数基因，如组蛋白及型、型干扰素基因，根本不带内含子。哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长25-31kb左右，但其6个外显子总长只有2kb2. 外显子与内含子的连接区断裂结构的一个重要特点是外显子-内含子连接区的高度保守性和特异性碱基序列。序列分析表明，几乎每个内含子5 端起始的两个碱基都是GU，而3 端最

4、后两个碱基总是AG，由于这两个碱基的高度保守性和广泛性，有人把它称为GU-AG法则。（线粒体基因和酵母tRNA基因例外）连接区的保守序列几乎存在于所有高等真核生物基因中，表明可能存在着共同的剪接加工机制。3. 外显子与内含子的可变调控真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生不同的mRNA，翻译成不同的蛋白质。有些真核基因，如肌红蛋白重链基因虽有41个外显子，却能精确地剪接成一个成熟的mRNA，我们称这种方式为组成型剪接。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA，编码一个多肽。不少真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接方式产生不同的mRNA，并翻译成不同的蛋白质。有些核基因转

5、录时选择了不同的启动子，或者选择了不同的polyA位点而使原始转录物具有不同的二级结构，产生不同的mRNA分子。同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程称为选择性剪接。8.1.3 基因家族在原核细胞中，密切相关的基因往往组成操纵子，并以多顺反子的方式进行转录。而真核细胞中的DNA是单顺反子结构，很少置于同一启动子之下的操纵子。真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族。同一家族的成员有时紧密排列在一起，成为一个基因簇；更多时候，分散在同一染色体不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。在真核生物中，前rRNA转录产物的沉降系数为45S，（约有1

6、4 000个核苷酸），包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。复杂多基因家族复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。海胆组蛋白基因家族：编码不同组蛋白的基因处于一个约为6 000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达1 000次。延伸-假基因（Pseudogene）是指脱氧核糖核酸（DNA）的碱基序列中，一段与其他生物体内已知的基因序列非常相似的片段。但是这个片段无法发挥原有的基因功能，也就是无法制造出蛋白质。 这种基因片段是来自演化过程中的突变累积，有些无法转录，有些则是转录不完

7、全。有些虽然能够转录完成，但是也会在转译阶段途中终止作用。1. 基因表达的方式 组成性表达和选择性表达2. 基因表达的时空特异性 发育过程不同阶段 细胞或组织特异性8.1.4 基因表达的方式和特点8.1.5 真核基因表达调控一般规律真核基因的表达调控的特点：原核细胞环境因素对调控起决定性的作用。群体中每一个细胞对环境变化的反应是直接的和一致的。真核细胞基因表达调控最明显的特征是在特定时间，特定的细胞中特定的基因被激活，实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育，并使生物的组织和器官保持正常功能。这是生命活动规律决定的，环境因素在其中作用不大。真核生物基因调控可分为两大类：第一类是瞬时调控或称

8、可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降，或细胞周期不同阶段酶活性的调节；第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。根据基因调控发生的先后次序，又可分为：转录水平调控转录后水平调控（RNA加工成熟过程的调控，翻译水平的调控，蛋白质加工水平的调控）。研究基因调控的三个主要内容：诱发基因转录的信号？基因调控在哪一步（模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？不同水平基因调控的分子机制什么？8.2 真核基因表达的转录水平调控8.2.1 真核基因的一般结构特征8.2.2 增强子对转录的影响增强子

9、是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。增强子通常具有下列特性：增强效应十分明显。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列（50bp），适合与某些蛋白因子结合；其增强效应有严密的组织和细胞特异性。无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控。8.2.3 反式作用因子真核生物启动子和增强子是由若干DNA序列元件组成的，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起，因此被称为顺式作用元件。这些序列组成基因的调控区，影响基因的表达。在转录过程中，除了需要调控区外，还需要反式作用因子。根据不同功能，

10、常将反式作用因子分为以下3类：识别启动子元件的基本转录因子识别增强子或沉默子的转录调节因子不需要通过DNA-蛋白互作就参与转录调控的共调节因子（主要通过蛋白-蛋白相互作用影响转录因子的分子构象以调节转录活性。）转录因子被广泛研究的转录因子主要有： TFIID：识别TATA区； CTF：识别CAAT区； SP1：识别GGGCGG； HSF：识别热激蛋白启动区。These multiple binding sites for transcription factors were mapped by footprinting. (A) Binding of Sp1 (green) to the SV

11、40 viral promoter and to the dihydrofolate reductase (DHFR) promoter. (B) Binding of HSTF (blue) to a Drosophila heat-shock promoter. After W. S. Dynan and R. Tjian. Nature 316(1985):774. 转录复合物中，根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合物分为3部分： 参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性。 与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具基因特异性。 与特异调控序列结合的转录因子。真核

12、生物中转录因子活性调节的主要方式反式作用因子：是能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蛋白质。这些因子有两种独立的活性：首先它们特异地与DNA结合位点相结合，然后激活转录。这些活性可以独立分配给特定的蛋白结构域，分别称作DNA结合结构域和激活结构域。转录激活功能是与其DNA结合活性相分离的，它们在蛋白质的不同区域。1. DNA识别或结合域常见的DNA结合域包括碱性氨基酸结合域、酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域等。螺旋-转折-螺旋结构 （helix-turn-helix）。这类蛋白质分子中有至少两个螺旋，中间由短侧连氨基酸残基形成“转折”，近羧基端

13、的螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。Some helix-turn-helix DNA-binding proteins /swxbx/shuangyu/8.htm 锌指结构（zinc finger）。锌指结构家族蛋白包括锌指、锌钮和锌簇结构，有锌参与时才具备转录调控活性。与DNA的结合较为牢固，特异性也很高。类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构，以同源或异源性二聚体的方式将两个螺旋结合在相邻的两个大沟中。Cartoon representation of the Cys2His2 zinc finger motif, consisting of an hel

14、ix and an antiparallel sheet. The zinc ion (green) is coordinated by two histidine residues and two cysteine residues. HisCysCartoon representation of the protein Zif268 (blue) containing three zinc fingers in complex with DNA (orange). The coordinating amino acid residues and zinc ions (green) are

15、highlighted. Cys2/His2 fingers: Cys-X2-4-Cys-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His Cys2/Cys2 fingers: Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys已知的锌指结构主要发现于促进RNA聚合酶II和RNA聚合酶III转录的转录因子中。碱性-亮氨酸拉链（basic-leucine zipper），即bZIP结构。蛋白中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。以二聚体形式与DNA结合，亮氨酸拉链区并不直接结合DNA，肽链氨基端2030个富碱性氨基酸结构域与DNA结合，但以碱性区和亮氨酸

16、拉链结构域整体作为基础。碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix-loop-helix，bHLH）。在免疫球蛋白轻链基因的增强子结合蛋白E12与E47中，羧基端100200个氨基酸残基可形成两个两性螺旋，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。bHLH类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的DNA结合能力。当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区（如Id或E12蛋白）时，该二聚体明显缺乏对靶DNA的亲和力。同源域蛋白（homoe domains）。同源域蛋白是指编码60个保守氨基酸序列的DNA片段，它广泛存在于真核生物基因组内，由于最早

17、从果蝇homeoticloci（该遗传位点的基因产物决定了躯体发育）中克隆得到而命名，同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化密切相关。同源域蛋白形成3个螺旋。C端螺旋有17个氨基酸，结合DNA大沟。N端臂插入DNA小沟。含同源域的蛋白质可能是转录的激活剂或阻抑物。触足复合群基因2. 转录活化结构域在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白质-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复合物的方式来完成，因此，是否具有转录活化域就成为反式作用因子中唯一的结构基础。反式作用因子功能具有多样性，其转录活化域也有多种，通常依赖于DNA结合结构域以外的30-100个氨基酸残基。

18、在不同的转录活化域有下列特征性结构：带负电荷的螺旋结构。哺乳动物细胞中糖皮质激素受体的两个转录活化域，AP1家族的Jun及GAL4都有酸性的螺旋结构，它们可能与TFIID复合物中某个通用因子或RNA聚合酶II本身结合，具有稳定转录起始复合物的作用。富含谷氨酰胺的结构。SP1是启动子GC盒的结合蛋白，共有4个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域含25%左右的谷氨酰胺。富含脯氨酸的结构。CTF-NF1因子羧基端富含脯氨酸（达20%30%），很难形成螺旋。在Oct2、Jun、AP2、SRF等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构域。发生在转录之前的，染色体水平上的结构调整，称为基因表达的表观遗传调控

19、。DNA修饰，组蛋白修饰8.3 真核基因表达的染色质修饰和表观遗传调控8.1.3 真核DNA水平上的基因表达调控在个体发育过程中，DNA会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。这与转录和翻译水平的调控是不同的，这种调控使基因组发生了改变。成熟红细胞能产生大量的可翻译成熟珠蛋白的mRNA，它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因本身或者是基因的拷贝数发生了永久性变化所调控的。1. “开放”型活性染色质结构对转录的影响活跃状态的基因更容易被DNA酶I所降解。基因活跃表达时启动区部分序列可能解开成单链，从

20、而不能继续缠绕在核小体上，使启动区DNA“裸露”于组蛋白表面，形成对DNA酶I的超敏感现象。最活跃的DNA转录区结构较为伸展，形成蓬松区。2. 基因扩增基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。3. 基因重排与变换将一个基因从远离启动子的地方移到较近的位点从而启动转录，被称为基因重排。免疫球

21、蛋白的肽链主要由可变区（V区）、恒定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成，V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。IgG结构示意图V：可变区C：恒定区8.3.2 DNA甲基化与基因调控1. DNA的甲基化DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。日常型甲基转移酶在甲基化母链指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。从头合成型甲基转移酶 催化未甲基化的CpG成为mCpG，不需母链指导。2. DNA甲基化抑制基因转录机制甲基化