第五章 真核生物基因表达的调控

第五章真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的特点：

1．基因组DNA存在的形式与原核生物不同；2．真核生物中转录和翻译分别在细胞的细胞核与细胞质中进行；3．真核基因表达的调控可以在多个水平上进行：DNA水平的调控、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；4．不同组织和细胞类型合成不同的一套蛋白质，即具有细胞特异性或组织特异性；5．真核生物基因调控的信号分子；6．持家基因和时态基因。第一节真核细胞的基因结构一、真核细胞与原核细胞在基因表达与DNA空间结构上的差异：P238；二、基因家族1、简单多基因家族；2、复杂多基因家族；三、真核基因的断裂结构——断裂基因外显子与内含子（定义、可变性、连接区）；四、真核生物DNA水平的调控；基因家族1、定义：P2392、类型：P239（1）、简单多基因家族：rRNA基因（rDNA）形成串联重复序列：参见书P240；（2）、复杂多基因家族：组蛋白基因家族，P241；（3）、发育调控的复杂多基因家族：血红蛋白基因家族TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit.果蝇海胆Organizationofhistonegenesintheanimalgenome.血红蛋白基因家族有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子被两个内含子隔开类和类珠蛋白基因家族人在发育过程中的血红蛋白类型三、真核基因的断裂结构1、外显子与内含子：定义2、外显子与内含子的可变性——同一段DNA序列生成了两条或两条以上的mRNA链；3、外显子与内含子的连接区——特点:1）内含子两端序列不能互补；2）连接区序列高度保守（GT-AG法则）；断裂基因——外显子与内含子有些DNA序列可编码一条以上的蛋白质相同密码子、不同起始位点产生长度不同的蛋白质不同起始位点、不同读码顺序产生不同蛋白质外显子与内含子的可变性——不同外显子的使用产生不同蛋白质外显子与内含子的连接区：1）内含子两端序列不能互补；2）连接区序列高度保守（GT-AG法则）四、真核生物DNA水平的调控1、染色质结构对转录的影响2、基因丢失—马蛔虫；3、基因扩增—rDNA；4、基因重排与变换—小鼠免疫球蛋白、人类血红蛋白；1、染色质结构对转录的影响转录发生之前，染色质常常在特定的区域被解旋或松弛，形成自由DNA并发生DNA局部结构的变化，导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，从而使基因转录。HMG蛋白与启动子的结合，导致单链区形成，使启动子暴露，产生了DNaseⅠ超敏感位点。Nucleosomesinchromatinstructure.(A)thecorenucleosomeparticle;(B)10-nmnucleosomearray,(beadsonastring);(C)30-nmsolenoid;DNaseⅠhypersensitivesitesinthemaizeAdh1promoter.染色体中组蛋白的乙酰化与去乙酰化控制着染色体的活性ElectronmicrographofrRNAbeingtranscriped.基因扩增：P247定义：实例：非洲爪蟾卵母细胞中的rRNA基因(rDNA)rDNA以简单多基因家族形式形成中度重复序列TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit.基因重排与变换基因重排的定义：P248实例：小鼠免疫球蛋白、人类血红蛋白；人类血红蛋白基因免疫球蛋白由两条重链（可变区V、连接区J、恒定区C）和两条轻链（V、C）组成；免疫球蛋白及其基因重排DNA甲基化与基因活性的调控DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。其机理是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。DNA的甲基化能提高该位点的突变频率，因而可作为诱变剂或致癌因子调节基因表达。X染色体上DNA的高度甲基化可引起X染色体的失活。第二节顺式作用元件与基因调控真核生物的转录调控主要通过顺式作用元件与反式作用因子的相互作用来实现；一、启动子及其对转录的影响；二、增强子及其对转录的影响；一、启动子（Ⅱ型）及其对转录的影响1、真核基因的结构及其功能基因的定义：P255；原核和真核基因转录起始位点上游区结构（起始位点与调控区域）的比较：3端的poly（A）位点与其上游的AATAAA区；structureandorganizationofaeukaryoticgene2、真核生物启动子的多元性1）真核基因启动子的结构：P255：TAAT区：精确起始转录；CAAT区和GC区：控制转录起始频率。2）真核基因启动子的多元性：并不是每个基因的启动子区都包含这三个UPE；3）真核基因启动子的UPE对转录起始的决定性作用可能是各个UPE之间的距离，而不是序列本身。真核基因启动子的多元性RNApolⅠ的启动子RNApolⅠ负责5.8S、18S、28SrRNA的合成RNApolⅠ的启动子由核心启动子及上游调控元件（UCE）构成。核心启动子能够启动转录，其活性被UCE增强。所需转录辅助因子为UBF1和SL1RNApolⅠ启动子起始转录复合物的形成RNApolⅢ的启动子RNApolⅢ主要负责tRNA和5SrRNA的合成；RNA聚合酶Ⅲ的启动子有两类，5SrRNA和tRNA基因的启动子在起始位点的下游，即在基因的内部，称为内部启动子，这是很特殊的。另一类启动子在起始位点上游，如snRNA（核内小RNA）基因的启动子。所需转录因子为TFⅢA、TFⅢB、TFⅢC。RNApolⅢ启动子与转录起始因子起始转录3、增强子及其对转录的影响：P257定义：增强子增强子的性质；Ageneenhancerelementcanfunctioningeneregulationatadistance.第三节反式作用因子

（转录因子）对转录的影响一、转录因子的类型；二、转录因子的DNA结合结构域；一、转录因子的类型1、具有普遍性作用的通用转录因子一般作用于类型Ⅱ基因的基本核心启动子元件，如TATA框和转录起始区域(INR)，一般参与启动子上转录起始反应。它们使启动子进行低水平基础性转录，可以被转录活化因子进一步激活，也可被转录抑制因子阻遏。

2、细胞或基因特异性转录调控因子。作用于转录起始复合物形成过程中的某些靶分子和控制位点，往往含有DNA序列特异性结合的结构域和激活(活化)结构域。DNA序列持异性结合的结构域使它们结合、固定到启动子上游调控区上。活化结构域被认为是直接或间接地接触到普遍性转录因子内的靶上，对转录的起始过程实行调控。

TFⅡD的一个亚基TBP即TATA框结合蛋白，是一个普遍性的转录因子TFⅡD的一个亚基是特异识别TATA框的，称为TATA框结合蛋白（TBP）；其余亚基叫TBP-相关因子（TAF）；起始复合物的组装过程：TFⅡD（TBP、TAFs）+DNA+TFⅡA+TFⅡB+（TFⅡF+RNApolⅡ）+TFⅡE由RNApolⅡ与通用转录因子组成基础转录装置——起始复合物RNApolⅡ的上游元件及其转录因子上游元件：TATA框、GC框、CAAT框、八聚体（octamer，一个8bp元件）。转录因子：1、TATA框结合蛋白：TFⅡD、TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE等；2、SP1：结合到GC框，能与启动子的任一条链结合。其DNA结合域在C端，含有三个锌指。3、结合CAAT框的因子：有多种，其中一类是CTF家族，其成员与CAAT框的亲和力相同；另一类是CP家族，其成员与不同启动子的CAAT框的亲和力不同。RNApolⅡ的上游元件及其转录因子二、转录因子的DNA结合结构域1、锌指（Zincfingerregion）2、亮氨酸“拉链”式二聚体（leucinezipper）3、螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）4、结合相关靶DNA的同源域（hemeodomain）：5、类固醇受体（steroidreceptor）Threemajorcategoriesoftranscriptionfactorpeotein1、锌指：P301定义：保守氨基酸的残基与锌离子结合，使中间的氨基酸残基回折成一种手指状结构，称为锌指。结构：保守序列：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His；Cys2/His2锌指，Cys2/Cys2锌指；功能：锌指区负责识别并结合于DNA上特异的目标位点。有两类与DNA结合的蛋白质具有这种结构，即经典的锌指蛋白与类固醇受体。不同蛋白质锌指数目不同。糖皮质激素特异性雌激素特异性类固醇激素受体是以二聚体形式发挥其促进转录作用的。它们的两个锌指的功能不同。第1个锌指的右侧是控制与DNA结合的，第2个锌指的左侧则是控制形成二聚体的能力的。2、亮氨酸“拉链”式二聚体P303此种结构基元的特点是蛋白质的-螺旋的一侧集中了许多疏水氨基酸，两分子蛋白质的这种疏水侧面相互作用使之形成二聚体。这些-螺旋的一个突出特点是频繁出现亮氨酸，并且趋于每7个氨基酸残基出现一个亮氨酸，这种出现频率使得在形成-螺旋时，亮氨酸出现在-螺旋的疏水一侧，并且直线排列。早期设想的这些-螺旋之间的蛋白质—蛋白质相互作用的模式是亮氨酸残基的交错插入，因而把它叫成亮氨酸拉链。现在已知，在两个蛋白质上的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来的，并且相互作用的两个-螺旋是彼此缠绕在一起，成为螺旋了的螺旋。亮氨酸拉链蛋白在序列上的另一个共同特点是，在拉链区的氨基端有个约30个残基的碱性区(富含赖氨酸和精氨酸)。此区的作用是与DNA结合，它也形成-螺旋。亮氨酸拉链区的作用是将一对与DNA结合的区域拉在一起，以结合两个相邻的DNA序列。

3、螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）HLH蛋白的共同结构：含40-50个氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂的-螺旋（helix），-螺旋被不同长度的连接区（loop）分开。HLH蛋白借两个螺旋对应面上疏水基团相互作用形成同样亚基或不同亚基构成的二聚体。HLH区可能使各亚基的两个碱性区正确定向。与HLH区相邻的是强碱性的区域，它是与DNA结合必须的。

bHLH蛋白是以二聚体与DNA结合并发挥作用的。一个同二聚体或一个异二聚体的两个亚基都有碱性区时才能与DNA结合。HLH结构域的作用大概是正确安置这两个(由每个亚基提供一个)碱性区的位置。4、结合相关靶DNA的同源域蛋白：P304同源域蛋白：是指由60个保守氨基酸组成的结构域。它存在于许多或几乎所有真核生物的DNA结合蛋白中，负责与DNA结合。编码同源域的DNA序列称为同源域（同源转换）基因，可能与生物的生长、发育和分化密切相关。同源域具有三个螺旋区并通过螺旋区与DNA发生识别和结合。图示果蝇engrailed基因产物的同源异型域与DNA结合的模式图。从图中可以看出，螺旋3结合在DNA的大沟中，它是蛋白质和DNA的主要接触部位。螺旋3的一些部位与磷酸骨架结合，这是没有特异性的。但中间部分则与碱基相结合，这种结合规定着特异性。螺旋2和螺旋3形成螺旋—转角—螺旋式样，螺旋1和螺旋2为反平行样式，它们与螺旋3近于垂直。此外，在结构域N端有个伸展的臂，它伸入到小沟中，成为蛋白质与DNA的另一个接触位点。5、类固醇受体（steroidreceptor）受体的定义及其具备的条件：受体：靶细胞上与活性物质（配体）专一性结合，并传递信息的部位称为受体。受体应具备4个条件：1）和配体呈特异性结合；2）和配体有很强的亲和力；3）在细胞表面或细胞内，它的数量是稳定的，而且容量极小，容易为配体所饱和；4）主要分布在特异的靶细胞上。所有固醇类激素受体蛋白分子都有相同的结构框架：同源性最差的N端、高度保守的中央DNA结合区、C端较保守的激素结合区。激素-受体-激素应答元件一起调控与生长、发育及分化有关基因的表达。P322三、转录活化结构域：P306带有负电荷的螺旋结构富含谷氨酰胺的结构富含脯氨酸的结构特异转录因子：P325概念与缩写：应答元件；HSE、GRE、MRE、HSF等；1、热激基因结合蛋白（热激因子HSF）：P325-328；2、金属硫蛋白基因的多重调控：金属硫蛋白基因的多重调控机制糖皮质激素应答元件基础水平元件金属应答元件佛波酯应答元件GC区TATA区五、真核基因转录调控的主要模式1、蛋白质磷酸化ATP或GTP上的磷酸基转移到蛋白质氨基酸残基上的过程，可逆。蛋白质磷酸化与去磷酸化是生物体内普遍存在的信息传导调节方式。2、蛋白质磷酸化在信号传导中的作用介导胞外信号专一应答对外界刺激做出迅速的反应对外界信号具有级联放大作用对外界信号的持续反应3、跨膜信号转导途径离子通道G蛋白偶联受体跨膜蛋白激酶受体4、蛋白激酶的种类与功能根据是否有调节物可分成两大类：•信使依赖性蛋白质激酶•非信使依赖型蛋白激酶。根据作用底物可分为三类：丝氨酸/苏氨酸型酪氨酸型双重底物特异性蛋白激酶既可使丝/苏氨酸磷酸化又可使酪氨酸磷酸化。（1）受cAMP调控的A激酶•依赖于cAMP的蛋白酶称为A激酶（PKA）•PKA全酶由4个亚基组成(R2C2）C亚基具有催化活性，R亚基具有调节功能，R亚基对C亚基具有抑制作用•全酶（R2C2）无催化活性。•R亚基与cAMP结合导致C亚基解离表现出活性。（2）受Ca2+调控的C激酶C激酶（PKC）是依赖于Ca2+的蛋白质激酶。IP3（肌醇三磷酸）引起细胞质Ca2+浓度升高，C激酶被DAG（二酰基甘油）和Ca2+的双重影响所激活，使丝/苏氨酸磷酸化导致信号的传递。5、激素调节•激素调控作用是通过启始基因转录而实现的。•cAMP作为第二信使•解除受体蛋白与DNA结合区起始基因表达六、转录后调控1、RNA加工成熟无论是rRNA、tRNA、mRNA，转录后都必须经过加工，才能成为有功能的分子。2、转录后加工的多样性（1）简单转录单位•编码产生一个多肽，转录后加工有3种形式。a、基因没有内含子，转录后无需加工，也没poly(A),如组蛋白基因。b、没有内含子，无需剪切，但需要加poly(A尾，如α-干扰素基因。c、有内含子，需要加工，及加poly(A)尾。（2）复杂转录单位•转录产物可通过不同的方式加工成两个或两个以上的mRNA。a、利用多个剪接位点产生不同的蛋白质。b、