分子生物学基因表达调控-兼容

基因表达调控

Geneexpression®ulation2几个相关概念3一段特定的DNA序列生物体的基本遗传单位

(Ageneisamolecularunitofheredityofalivingorganism)GeneisanamegiventosomestretchesofDNAandRNAthatcodeforapolypeptideorforanRNAchainthathasafunctionintheorganism.1.基因(Gene)42.基因表达(Geneexpression)First,theDNAonwhichthegeneresidesmustbetranscribedfromDNAtomessengerRNA(mRNA).Second,itmustbetranslatedfrommRNAtoprotein.将贮存在基因中的遗传信息变成具有生物学活性蛋白质或RNA的过程Inallorganisms,therearetwomajorstepsseparatingaprotein-codinggenefromitsprotein:Thegeneticcodeisthesetofchemicalsymbolsbywhichageneistranslatedintoafunctionalprotein.53.基因表达调控(Regulationofgeneexpression)在外环境作用下，细胞内的特定因素控制特定基因表达的规律及其机制Includestheprocessesthatcellsusetoregulatethewaythattheinformationingenesisturnedintogeneproducts.主要内容：转录水平的基因表达调控翻译水平的基因表达调控染色体水平的基因表达调控67转录水平的基因表达调控对DNA的调控81.基因转录需要具备哪些条件？基因是一段特定的DNA序列基因表达：Gene(DNA）mRNAProteinATGATGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA转录mRNA—依照DNA序列合成mRNA的过程RNA聚合酶：负责合成RNA

需要识别及/或特定DNA序列—启动转录

—终止转录基因序列：应该位于启动位点与终止位点之间9我们再将基因完善如下：ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA转录mRNA—依照DNA序列合成mRNA的过程可见，—RNA聚合酶并不需要直接与基因的编码序列结合—具备startpoint和terminator的DNA序列就可以被转录

称这种序列为转录单位(transcriptionunit）StartpointTerminator启动子PromoterAUG5-non-codingsequence3-non-codingsequence—具备完整转录单位的基因才能被转录10原核基因以操纵子为转录单位transcriptionStartpointtermination调控区信息区启动子操作子串联的结构基因—多顺反子顺式作用元件一个操纵子是一个转录单位转录调控也是以操纵子为单位的11可见，基因转录需要具备：完整的转录单位（启动子-基因-终止子）RNA聚合酶122.启动子可影响基因的转录启动子可直接影响RNA聚合酶对转录的起始ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAAStartpointTerminator启动子Promoter-35区：T82G78A65C54A95-10区：T80A95T45A60A50T96Consensussequence(共有序列)+1转录方向-GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG--CACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-+1-10-355'5'3'3'大肠杆菌的启动子：13大肠杆菌启动子有3个功能区：—起始部位(initiationsite)：+1区—结合部位(bindingsite)：-10区—识别部位(recognitionsite)：-35区-GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG--CACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-+1-10-355'5'3'3'如果启动子序列有变异，RNA聚合酶结合能力会发生变化—促进RNA聚合酶的结合能力（强启动子）—减弱RNA聚合酶的结合能力（弱启动子）真核基因的Ⅱ类启动子：TATAboxCAATboxGCbox

增强子

核心元件

结构基因-GCGC---CAAT---TATAInitiator,Inr起始子-3+5上游元件远端调控区TATAAAA5-Y-Y-A+1-N-T/A-Y-Y-Y-3Y：C或TN：任意碱基T/A：T或A与位置、方向无关，一个基因可受多个增强子调控+1Startpoint启动子：—位于基因的上游—启动其下游基因的转录—决定转录方向机模板链15附：启动子变异也会引起疾病例如，-地中海贫血患者在-珠蛋白基因与其远端上游调控元件之间有一个SNP(AG)TAATAATGATAA转录因子GATA-1结合位点GATA-1GATA-1两个结合位点竞争结合GATA-1转录因子TGATAATGATAA珠蛋白编码基因从而干扰原有启动子的活性，下调珠蛋白的表达水平16可见，启动子的序列和位置对转录有影响启动子的序列可影响RNA聚合酶的结合能力173.RNA聚合酶(RNApol.)的转录活性原核生物只有一种RNA聚合酶RNApol.全酶问：如果编码RNA聚合酶的基因突变了会怎样？18大肠杆菌的RNA

pol.全酶覆盖-40~+20区域RNA聚合酶移动方向：35—RNA聚合酶是抗菌靶点例如：利福平—亚基肝素——亚基(体外)问：具备RNApol.和启动子，基因一定能被转录吗？194.调控蛋白参与基因转录的调节-35-10+1+20+28RNA聚合酶结合区阻遏蛋白结合区原核基因的操纵子：RNA聚合酶和阻遏蛋白结合区有部分是重叠的即：一旦阻遏蛋白先结合了，RNA聚合酶就无法转录

反之亦然20例：乳糖操纵子调控模式乳糖操纵子(Lacoperon)：阻遏蛋白负调控CAP正调控Catabolitegeneactivatorprotein,CAP(分解代谢物基因活化蛋白)IPOLacZLacYLacAStructuregenesRepressorgeneRepressorbindingsiteRNApol.bindingsiteCAPbindingsite乳糖操纵子结构：21IPOLacZLacYLacAStructuregenesRepressorgeneCAP-bindingsitetranscriptionmRNANoexpression阻遏蛋白的结合阻碍RNApol的通过：22IPOLacZLacYLacAStructuregenesRepressorgeneCAP-bindingsiteExpressionX诱导物可解除阻遏蛋白的阻遏：23真核生物有三种RNA聚合酶—转录调控主要是对RNApolII活性的调控—RNApolⅡ不能直接与DNA结合转录因子复合物：为RNApolⅡ搭起了接近并结合DNA的“脚手架”也是决定基因是否启动转录以及转录强度的关键因素TBPRNAPolymeraseII+10+20Startpoint-10-20-30-40+1ATGRNAPolymeraseIIRNAPolymeraseII基因转录24小结：基因是一段DNA序列基因转录需要完整的转录单位转录单位：“启动子-基因-终止子”结构框架启动子是RNA聚合酶识别及/或结合位点RNA聚合酶活性直接影响基因转录调控蛋白参与调控RNA聚合酶的转录活性总之，蛋白质-DNA的相互作用都是在影响RNA聚合酶的转录活性25翻译水平的基因表达调控对mRNA的调控261.核糖体定位到mRNA上启动翻译原核生物mRNA上的SD序列决定翻译起始效率核糖体(ribosome)：是蛋白质-rRNA复合物通过rRNA与mRNA互补配对方式结合到mRNA上SD序列(Shine-Dalgarnosequence)基本特点：一般位于mRNA上游距AUG约8-11nt位点由6个核苷酸组成的consensussequenceInE.coli,AGGAGG基本功能：负责招募核糖体定位到起始密码处，启动蛋白质的合成互补序列：CCUCCU，位于16SrRNA的3-end被称作anti-SDsequence在多顺反子mRNA中，每一个蛋白编码区都有一个AUG，在AUG上游都有一个SD序列AUGAUGAUGAUGSDSDSDSD核糖体可直接结合到mRNA上的任何一个SD序列上，并从其后的AUG开始启动蛋白质的翻译SD序列与AUG之间的距离直接影响基因产物的翻译效率XXXXXXXAUG7basesSDpromoterIL-2geneStartpointTranscriptionTranslationIL-2表达最高XXXXXXXXAUG8basesSDpromoterIL-2geneStartpointTranscriptionTranslationIL-2表达水平降低500倍因此，SD序列的位置在基因表达调控中起重要作用例如：30问题：SD序列与AUG之间的距离直接影响基因产物翻译效率的本质是什么？其实：是影响了核糖体精确定位到AUG上31Kozak序列(Kozaksequence)真核生物mRNA上有Kozak序列Kozak序列是真核mRNA上的一段序列Consensussequence：(gcc)gccRccAUGG一般是嘌呤(A或G)-6-5-4-3-2-1+1+2+3+4核糖体启动翻译需要识别Kozak序列但Kozak序列并不是核糖体结合位点(RBS)5’-capofmRNALocatedat32附：Kozak序列变异可引起疾病在意大利东南部的一个家庭：-球蛋白(+)mRNA的-6GC地中海贫血形成血红蛋白的球蛋白比例错误：-链-链相对过剩不能形成四聚体-链与红细胞膜结合并产生毒性这是第一例Kozak序列突变引起的疾病AUG作为翻译起始密码子是Kozak序列中重要的核苷酸+4G和-6G对于翻译起始非常重要-1、-2位核苷酸并不保守，但对于Kozak序列的强度还是有作用33可见，核糖体的精确定位是翻译的重要步骤原核SD序列、真核Kozak序列与核糖体定位有关342.mRNA本身也是翻译调控的靶点原核生物的mRNA转录、翻译、降解偶联进行RNApol大多数细菌mRNA都非常不稳定—细菌mRNA的平均半衰期2min细菌的转录和翻译有相似的速率在37℃条件下：mRNA转录：40nt/s≈13aa蛋白质翻译：15aa/s≈45nt35真核mRNA需要经过剪接后运输到胞浆—mRNA的运输是受控制的细胞核细胞浆mRNAcaptail进入细胞浆的mRNA才有机会作为蛋白质合成的模板留在核内的RNA大约在1小时内降解成小片段—大约只有20%的成熟mRNA有机会被运输到细胞浆中36真核mRNA的剪接是有选择性的—剪接是一个基因产生多种mRNA的原因5...AAGUAAGU…..CURAY..(10-40)..(U/C)11NCAGG…3Intron

Exon

Exon

5-splicesite3-splicesiteBranchpointsequencePolypyrimidinetractConsensussequencesofsplicingsites:问：如果剪接位点变了会怎样？动画：mRNAsplicing37FGFR1Kinase-deficientFGFR1In1994-1996,—myworkinUCSFDNAcloningDNAsequencingGenefunctionassay

—tyrosinekinaseactivityRNaseprotectionassay例：FGFR1mRNA选择性剪接产生一种激酶活性缺失型FGFR1WangLiying,etal.Anaturalkinase-deficientvariantofFGFR1.Biochemistry，1996,35(33):10134Lost111bp(for37aa)lengthofanexon38真核mRNA可被特异性阻抑或降解—siRNA诱导转录后沉默SmallinterfereRNA(siRNA)Lin-4miRNAtargets3-UTRofLin-14mRNA:3UTRLin-14mRNALin-4miRNALin-14蛋白质siRNA是一种小双链RNA，可以通过激活Dicer发挥定向切割靶RNA作用这种现象也叫转译抑制

(translationalinhibition)Lin-4miRNA是人们鉴定出的第一个microRNA分子Lin-4miRNA以不完全互补方式靶向Lin-14mRNA参与调控线虫的发育时序Lee,R.C.;Feinbaum,R.L.;Ambros,V.(1993)."TheC.Elegansheterochronicgenelin-4encodessmallRNAswithantisensecomplementaritytolin-14".Cell

75(5):843–85439为什么一个只有21nt的RNA分子起着如此重要的调节作用？—个别现象？2000年发现第二个miRNA—miRNAlet-7控制线虫的发育时序人和果蝇有同源物参与多种癌症的发生ReinhartB.J.etal.(2000)."The21-nucleotidelet-7RNAregulatesdevelopmentaltiminginCaenorhabditiselegans".Nature

403(6772):901–906.PasquinelliA.E.etal.(2000)."Conservationofthesequenceandtemporalexpressionoflet-7heterochronicregulatoryRNA".Nature

408(6808):86–89.—miRNA

的发现也是对中心法则中RNA次要的中介角色的重要补充40问：你怎么理解mRNA末端有非翻译区？Un-translatedregion(UTR)ATGTGAInitiationorstartpointTermination+1CodingsequenceStartcodonStopcodon5-UTR3-UTRAnexonisanucleicacidsequencethatisrepresentedinthematureformofanRNAmolecule41真核mRNA的帽尾结构参与蛋白翻译—3-poly(A)尾缩短使mRNA易降解mRNA上的“AAUAAA”是加尾信号加尾信号后30bp处加上polyA尾(200-300nt)问：在一个基因的DNA序列中是否含有polyA尾的模板序列？动画：lifecycleofanmRNA42小结：核糖体与mRNA的结合是调控要点之一原核mRNA的SD序列和真核mRNA的Kozak序列都是与核糖体启动翻译有关mRNA自身的稳定性及定位也影响蛋白翻译miRNA直接在mRNA水平阻抑蛋白翻译总之，真核细胞有核，mRNA水平的调控环节更多比原核细胞多包括：选择性运输，选择性剪接，帽尾结构、miRNA阻抑，等ProteinDNARNA43染色体水平的基因表达调控转录前的染色体变构44真核染色体：DNA缠绕在组蛋白上形成染色体真核染色体多且结构致密人：23对染色体

也就是说：染色体是否适当的松解变构对直接影响基因表达问：你知道原核生物的染色体结构吗？Protein-membranecoreorscaffoldSupercoileddomain50-100kbindependentloopsordomains负超螺旋DNA以蛋白质-细胞膜为支架45转录前的调控主要是对染色质变构的调节其实，—就是有效暴露待转录的DNA序列影响因素：组蛋白与DNA的亲和性DNA甲基化程度目的：—增加转录因子和RNApol对DNA的易接近性组蛋白乙酰化：“loosen”核小体(ribosome)使核心组蛋白从DNA上移位暴露一些供其他蛋白结合的位点46问：一旦组蛋白发生变异可能会出现什么事件？那么，当H5替代H1组装核小体如何？已知：H1从核小体上的解离是释放DNA的重要因素与DNA的亲和性：H5>H1472012年8月(Nature)：基因表达受到两类蛋白的共同控制：—转录因子—表观遗传调控子DNA甲基化及组蛋白乙酰化都属于表观调控的结果DNA甲基化能引起：—染色质结构改变—DNA构象改变—DNA稳定性改变—DNA与蛋白质相互作用方式的改变——Early-stageepigeneticmodificationduringsomaticcellreprogrammingbyParp1andTet2.Nature,488:652–655(30Aug2012)调控基因表达48通过基因组重编程诱导出多能干细胞（iPS）两位科学家刚刚因此获2012年诺贝尔奖ShinyaYamanakaBorn:1962Affiliationatthetimeoftheaward:KyotoUniversity,Kyoto,Japan,GladstoneInstitute,SanFrancisco,CA,USASirJohnB.GurdonBorn:1933Affiliationatthetimeoftheaward:GurdonInstitute,Cambridge,UnitedKingdomTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2012Forthediscoverythatmaturecellscanbereprogrammedtobecomepluripotent49Heasked:arethecellsofanadultorganismgeneticallyidenticaltothefertilizedeggfromwhichtheyarederived?Hehypothesisedthatitsgenomemightstillcontainalltheinformationneededtodriveitsdevelopmentintoallthedifferentcelltypesofanorganism.体细胞核去核卵细胞In1962,hetestedthishypothesis.Thenucleusofthematurecellhadnotlostitscapacitytodrivedevelopmentto