第六章基因表达调控(二)

人工基因组的设计与合成李炳志bzli@2013-031中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制DNARNA复制2温故知新Lac操纵子Trp操纵子3第六章

基因表达调控(二)李炳志bzli@2013-034第六章基因表达调控基本概念原核表达调控真核表达调控5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。真核生物基因表达调控的种类6真核生物基因组结构特点（1）基因组大，基因多，存在大量重复序列，大部分与组蛋白和非组蛋白结合在一起；（2）基因主要以单顺反子形式存在；（3）多数基因是断裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表达的调控位点多，位置多样化；（6）部分基因组序列存在重排、扩增、丢失等规律性变化。7真核基因表达调控的层次8真核生物基因表达调控的层次1、DNA水平调节2、转录水平调节3、转录后水平的调节4、翻译水平调节5、翻译后加工的调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后水平的调节翻译调节mRNA降解的调节翻译后加工的调节核细胞质9

真核生物DNA水平上的基因表达调控●基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化状态染色体结构●●●●10基因丢失：在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。细胞全能性：在多细胞生物中每个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因，只要条件许可，都可发育成完整的个体。11出生日期：1996年7月5日出生地点：英国爱丁堡市罗斯林研究所死亡日期：2003年2月14日死亡原因：被确诊患进行性肺病后处以安乐死创造者：伊恩·维尔穆特及其领导的小组基因父亲：无基因母亲：一只芬兰多塞特白面绵羊线粒体母亲：一只苏格兰黑脸羊生育母亲：另一只苏格兰黑脸羊子女：生育6名，存活5名12基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得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。如果蝇的不切离多次复制导致的基因扩增现象。13基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在14多倍体的DNA含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍体基因组中的DNA质量。15将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。基因重排：161718DNA的甲基化状态：19甲基化酶:1、维持性甲基化酶(日常型甲基化酶)：在DNA复制时,可识别新合成的半甲基化双链,并将甲基加到新链的非甲基化胞嘧啶上;2、从头合成型甲基化酶：不需要甲基化的DNA模板作指导,可以直接使非甲基化的DNA甲基化20原核细胞的DNA甲基化1、限制修饰系统的甲基化（1）限制外源DNA：

限制性内切酶切断外源DNA（保护机制）（2）保护自身DNA：通过内切酶识别位点特定碱基的甲基化保护自身DNA212、Dam甲基化（1）DNA腺嘌呤甲基化酶：识别序列GATC（2）作用：

a、错配修复：识别母链，修正子链

b、转录调节：如抑制转座酶基因的转录，抑制转座22真核细胞DNA甲基化1、甲基化部位：胞嘧啶（C）5-甲基胞嘧啶（5-mC）（1）脊椎动物：5’-CG-3’

（2）植物（两种基序）：5’-CG-3’，5’-CNG-3’23（3）CpG岛：富含CpG的一段DNA，一般位于基因启动子附近特点：

a、1~2kb；

b、位于基因5’端；

c、富含CpG二核苷酸基序24在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，称为CpG岛252、甲基化的作用：（1）基因表达调控的一种方式（2）抑制外源基因的表达（3）抑制转座子、反转座子的活动263、DNA甲基化与基因表达调控

基因表达与甲基化呈负相关

DNA甲基化转录抑制作用机理（1）识别位点中胞嘧啶被甲基化，转录因子不能与其结合（2）特异性识别甲基化DNA的蛋白（如MeCP1）竞争性地抑制了转录因子的结合（3）DNA甲基化导致染色质结构和DNA构象的改变274、DNA甲基化与基因组印迹

（1）基因组印迹：来源于父母本的一对等位基因表达不同（如X染色体失活）（2）基因组印迹的机制--DNA高度甲基化28染色质结构影响基因转录常染色质（euchromatin）---基因可以转录，也称活性染色质异染色质（hetrochromatin）---基因不能转录

活性基因置于异染色质内会失活位置效应（Positioneffect）：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变29异染色质化：基因组某些区域被组装成高度压缩的异染色质的过程巴氏小体：哺乳类雌体细胞1条X染色体异染色质化（雌性X染色体基因表达的蛋白质可能是雄性的两倍）剂量补偿：女性两条X染色体的作用与男性一条X染色体基因产物剂量平衡的现象30活性染色质的主要特点在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点活性染色质上具有基因座控制区活性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）31活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因5´端启动子区域。32活性染色质上具有核基质结合区（matrixattachmentregion，MAR）。MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。DNA放射环：由直径为25～30nm的DNA纤丝放射状折叠排列成约250nm左右的染色单体丝。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。3334真核转录水平的调控顺式调控元件(cis-regulatingelement)

启动子、增强子、沉寂子、绝缘子、减弱子、应答元件反式作用因子(trans-actingfactor)

是通过识别和结合顺式调控元件的核心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质．

35反式作用元件的结构DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区36

转录因子DNA结合域几种常见基序

锌指(zincfinger)

螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)二聚体结构域：

螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix，HLH)

亮氨酸拉链(Leucinezipper) 37锌指(zincfinger) C2H2型：由肽链的保守序列中的一对组氨酸和一对半胱氨酸(His2／Cys2)与锌离子形成一个四面体结构有两条β链和一个α螺旋，α螺旋区域上含有保守的碱性氨基酸，负责与DNA结合如TFIIIA、与GC盒结合的SPlC2H2型38C4型：

2对半胱氨酸(cys2／cys2)与一个锌离子形成配位键，如类固醇激素受体家族

3940螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)

两段螺旋被一短的转角结构分开多种果蝇胚胎发生的调节蛋白，同源异型蛋白

13241亮氨酸拉链(Leucinezipper)由一段每7个氨基酸残基就有一个Leu的伸展肽链组成，这些周期性出现的Leu都位于α-螺旋的同一侧面，形成一个疏水的表面，因此两条均含Leu拉链基序的蛋白质通过亮氨酸侧链的疏水作用形成二聚体。

LLLLLLLL++++++++

NH2NH2COOHCOOH肽链氨基端富含碱性氨基酸残基区，可与DNA结合。42碱性结构域富含碱性氨基酸残基在许多DNA结合蛋白质中发现通常与其他的二聚体结构域如亮氨酸拉链或HLH基序中的一个联合在一起，结果被称为碱性亮氨酸拉链（bZIP）或碱性HLH（bHLH）蛋白。蛋白质二聚体使两个碱性结构域相邻进而可与DNA发生作用。43N-端碱性结构域形成一个对称结构，象一个夹子夹在DNA上44

++

++

++螺旋-环-螺旋(Helix-loop-Helix)

HLH由2个α螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成，通过C端α螺旋的疏水作用形成二聚体碱性结构域碱性HLH蛋白与碱性亮氨酸拉链这种异二聚体的形成增加了转录因子的多样性和复杂性NH2NH2COOHCOOH45转录激活结构域

是反式作用因子的转录调控结构域，一般由DNA结合结构域外的30-100个氨基酸组成1．酸性结构域也叫做“酸斑（acidblobs）”或“带负电的长链（negativenoodles）”富含酸性氨基酸存在于许多转录因子的激活结构域中，如：yeastGcn4andGal4,

哺乳动物的糖皮质激素受体的两个激活结构域462．富含谷氨酰胺激活结构域：

富含谷氨酰胺

（SP1，OCT－1，OCT

－2，SRF等）

3．富含脯氨酸激活结构域

富含脯氨酸有一个能激活转录的连续脯氨酸残基链

（AP－2、Jun、SRF

等）474、转录因子的活化途径：（1）需要时蛋白被合成，但很快被降解，不能积累。（2）通过与配体结合被活化。（3）通过磷酸化被活化。（4）结合DNA亚基的加入，与带有转录激活结构域的蛋白质形成复合物。（5）通过抑制因子的磷酸化，暴露隐蔽的活化区域。（6）通过去除一个抑制蛋白，刺激转录因子入核。48真核转录后调控可变剪切反式剪切49mRNA前体的可变剪接mRNA前体通过不同方式的剪接，可由一个基因的转录产物产生出不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质的过程称为可变剪接（alternativesplicing）或选择性剪接。来自一个基因的mRNA前体因可变剪接产生多种成熟mRNA，翻译出不同的蛋白质，或形成一组相似的蛋白质家族，都可称为同工型蛋白质（isoform）。5051顺式剪接剪接过程一般发生同一个RNA分子的内部，即通过剪接将一个RNA分子内的内含子剪掉，使外显子连接在一起，这种剪接方式称为顺式剪接（cis-splicing）。52两种不同来源的RNA前体分子的内含子之间具有互补序列时，发生反式剪接（trans-splicing）。反式剪接53翻译水平调控翻译水平的调控是真核生物基因表达多级调控的重要环节之一。真核生物翻译水平调控最普遍的机制是起始因子的磷酸化。mRNA结构与稳定性与翻译控制掩蔽mRNA（maskmRNA）：蛋白质结合到mRNA上并阻止翻译。54uORF调控翻译过程uORF：上游开放读码框。酵母GCN4基因的mRNA的翻译收到四个uORF的调控。55基因沉默基因沉默（genesilencing）：指生物体中特定基因由于种种原因不能表达或表达量很低的遗传现象。转录水平的基因沉默(TGS)转录后水平的基因沉默(PTGS)DNAmRNAProteinDNAmRNAProtein56是由dsRNA介导的，通过目标mRNA的降解而使特定基因沉默的现象。

RNA沉默DNAmRNAProteinRNA