遗传学教学课件：真核生物基因表达与调控

第十章真核生物基因表达与调控本章重点1．真核生物基因表达调控水平：

DNA水平的调控转录水平的调控(transcriptionalregulation)

转录后水平的调控(posttranscriptionalregulation)

翻译水平的调控(translationalregulation)

翻译后水平的调控(proteinmaturation)2．真核与原核生物基因表达调控的区别真核生物结构特点1、有核膜包被，转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行，RNA需进行转录后加工；2、真核生物基因数多，且多含内含子，同时真核生物还有很多非编码区；3、真核生物DNA与组蛋白形成核小体，另外还有非组蛋白，都会影响基因活性；4、真核生物为多细胞复杂有机体，不同发育阶段、不同组织和器官中基因受到不同调节真核生物基因表达的调控DNA水平的调控转录水平的调控(transcriptionalregulation)转录后水平的调控(posttranscriptionalregulation)翻译水平的调控(translationalregulation)翻译后水平的调控(proteinmaturation)第一节DNA水平的调控基因删除通过丢失染色体，丢失某些基因因而删除这些基因的活性的现象称为基因删除。核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因如马蛔虫的受精卵细胞中只有一对染色体，但是这对染色体上有若干个着丝粒（1）受精卵发育成成体的早期阶段：1个起作用（2）即将分化为体细胞的细胞中：染色体破碎基因扩增(geneamplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA，如染色体的核仁组织区即为rDNA区。18S和28SrRNA基因构成一个转录单位。

在卵子形成的过程中rDNA大量扩增的目的，就是为了产生大量的rRNA，组装成核糖体，用于合成大量的蛋白质，以满足受精后发育的需要。基因重排(generearrangement)

将一个基因从远离启动子的地方移到距离它很近的位点，从而启动转录的调控方式。典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。如免疫球蛋白基因重排，多样性编码完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基因经选择、组合、变化、与恒定区基因一起构成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。这种基因重排使细胞可能利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表达调控机理。DNA甲基化(DNAmethylation)：mCpG，即“CpG岛(CpG-richislands)”甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；去甲基化(undermethylated)：基因表达增加染色质(chromatin)或染色体(chromosome)结构对基因表达的调控：第二节转录水平的调控最重要RNA聚合酶顺式作用元件(cis-actingelement)反式作用因子(trans-actingfactor)转录起始的调控真核生物的RNA聚合酶酶聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ位置核仁核质核质产物rRNA(28S,18S,5.8S)mRNAtRNAs,5SrRNA,小RNAs相对活性50％～70％20％～40％～10％对鹅膏覃素不敏感敏感介于二者之间亚基数131014～5.0×105，原核与真核生物的RNA聚合酶顺式作用元件(cis-actingelement)影响自身基因表达活性的DNA序列非编码序列分启动子、增强子、沉默子启动子(promoter)：1、TATA盒，-25bp上游启动子元件(upstreampromotorelements,UPE)2、CAAT盒，-75bp；3、GC序列等增强子(enhancer)：远离转录起始点1~30kb，增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关增强子感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。增强子的特性:通过启动子大幅度提高同一条DNA链上靶基因的转录效率对同源或异源的基因同样有效位置可以在基因上游,内部,下游;正向或反向都有效核苷酸序列多为重复序列,内部含有核心序列一般有组织特异性离转录起始点较远改变DNA模板的空间结构固定模板在细胞核内的特定位置,协助DNA拓扑异构酶改变双螺旋,促进RNA聚合酶II在DNA链上的结合和滑动为RNA聚合酶II或其它反式作用因子进入染色质提供进入位置增强子的作用机制的几种假说:沉默子(silencer)：类似于增强子，但起到负调控作用不受方向和距离的限制，可对异源基因起作用反式作用因子(trans-actingfactor)概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）通用或基本转录因子(generaltranscriptionfactors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等

特异转录因子(specialtranscriptionfactors)—个别基因转录所必需的转录因子.OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。反式作用因子特点三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-bindingdomain)；转录活性域(transcriptionalactivationdomain)；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)正调控与负调控功能

结构域反式作用因子结构域的模式DNA结合域(DNA-bandingdomain)锌指结构(zincfingermotif)同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构(leucinezipper)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性α螺旋(alkalineα-helix)锌指结构(zincfingermotif)锌指结构：基因调控的转录因子存在于致癌基因、果蝇控制发育的基因、受生长因子和分化信号诱导合成的蛋白质序列中；锌指区域：由二个Cys簇及二个His簇组成；保守序列Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His；

锌指蛋白：2~13个手指，各由23氨基酸组成，并由7~8个氨基酸连接；与DNA大沟结合并环绕DNA分子，大沟与特异DNA碱基互作。锌指空间结构锌指与DNA结合

最初发现于原核生物的激活和阻遏蛋白。(N)α－β－α(COOH)

识别螺旋螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)结合磷酸戊糖骨架与DNA大沟中的特异碱基结合与DNA大沟特异结合的空间图示碱性亮氨酸拉链(bZIP)：可形成蛋白质－蛋白质二聚体的亮氨酸拉链(leucinezipper，LP)；具有35个氨基酸残基，其中有4个亮氨酸，每7个氨基酸出现一次，形成α-螺旋时，每两圈伸出一个亮氨酸，由亮氨酸残基间的疏水作用力形成一条拉链，产生蛋白质二聚体；碱性α-螺旋与DNA磷酸残基和碱基互作，二聚体剪刀结构。亮氨酸拉链(leucinezipper)100～200个C端氨基酸形成两个双性α螺旋，中间由非螺旋的氨基酸loop相连疏水面和亲水面有利于二聚体形成α螺旋的N端氨基酸有碱性区，带有正电荷，当与DNA靠近时形成α螺旋结合DNA的大沟，与亮氨酸拉链相似例：广泛存在于DBP，EBP、E12、E47等螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)与DNA结合的空间图示helixloophelix真核基因转录表达调控激素调节甾类激素：糖皮质激素、盐皮质激素、雌激素、雄激素等

1、分子质量小，细胞中含量低

2、甾体核上1－2个基因差异就会导致不同激素产生

3、与受体蛋白结合形成复合物（反式作用因子）

激素应答因子（顺式作用元件）原核基因转录表达调控模型4、甾类激素受体结构甾类激素对基因转录的调节无活性基因基因激活糖皮质激素与受体蛋白形成复合物，结合在增强子序列上，使之活化，促进激素效应基因的转录

真核生物个体在发育时，许多基因可以被协同调控，重复序列可能在调控中具有重要作用。发生协同诱导可能在结构基因之外，还存在3个遗传因子，即：1、受体位点（receptorsiteR）：可被激活因子激活2、整合基因（integratorgeneI）：产生激活物3、感受位点（sensorsiteS）:接受调控信号真核基因转录调控模型（Britten-Davidson模型）多重激活子多重接受子AyxwBxwCzywwWxXyYzZAxByCzxyPxyzOxyR启动子区激活子受体结构基因Gibbon,etal.(2005)TrendsinGenetics21,227-233.Opaque与floury突变基因的染色体遗传定位

o2/o2

+/+B-ZIPComparisonoftheO2TargetSiteandNeighboringSequencein22-kDZeinGenes.Comparisonofthe-300Regionsof22-and19-kDZeinGenePromotersfrom22Z-4andZE19.B-ZIPDNA双链wto2wto2

真核基因转录的结果保证了遗传信息从DNA传递给RNA，因而转录水平的调控是决定细胞中RNA水平的一种重要方式。然而实验表明，RNA的数量、结构甚至种类在细胞核和细胞质中并非完全相同，而且在活跃生长的细胞与静止生长的细胞之间，RNA的情况也存在一些差异。这表明遗传信息在转录后还有着多样的选择性，即基因表达除DNA水平和转录水平的调控外，转录后还将在不同情况下进一步加工、剪切、修饰，以及改变基因表达的最终产物。第三节转录后水平的修饰转录后修饰的几种方式1、剪接(splice)2、剪切(clavage)3、碱基修饰4、添加RNA前体加工内含子的剪接RNA编辑转录后修饰的类型RNA前体加工tRNA前体加工tRNA前体成熟RNA+15-30个核苷酸+非编码序列外切酶剪切剪接添加碱基修饰rRNA前体加工rDNArRNA的45S前体（包含5.8S,18S和28S）5.8S+18S+28S+5’和3’多余序列转录酶切转录45S-RNA剪接18S-RNA5.8S,28SRNArDNA28S5.8S18S5′端加帽(cap)和3′端多聚腺苷酸化(polyA)的调控意义:使mRNA稳定，在转录过程中不被降解。DNA转录mRNA前体后加工3’尾：50-200个多聚腺苷酸（polyA）5’帽：7-甲基鸟苷二磷酸（m7-Gppp）mRNA前体加工5

pppGp…5ppGp…5

GpppGp…磷酸酶pipppG

ppi鸟苷酸转移酶

7GpppGp…m甲基转移酶SAMSAH内含子的剪接一、真核生物中的内含子

1、Ⅰ类内含子

2、Ⅱ类内含子

3、Ⅲ类内含子

内含子类型剪接点序列剪接信号位置剪接特征Ⅰ类内含子（自我剪接）U……GGUGCC……YnAU内含子、剪接点RNA催化，G辅助因子，内含子编码剪接蛋白，套索切除等Ⅱ类内含子（蛋白质酶剪接）NN……NN外显子ATP激活的酶中间产物Ⅲ类内含子（核mRNA前体）GU……AG内含子、剪接点分支点snRNA参与，套索切除不同内含子剪接特点二、内含子剪接过程（自我剪接为例）四膜虫的rRNA二级结构GOH3’G5’OH5’3’GOH414G

3993955’3’E1E2I四膜虫RNA的自我剪接三、交替剪接鼠原肌球蛋白基因的转录和加工剪接RNA编辑RNA编辑概念是指转录后的mRNA在编码区发生碱基插入、删除或转换的现象，是在RNA水平上的修饰。例：原生动物锥虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅱ基因转录物，5’出现非基因组编码的尿苷酸RNA编辑类型1、碱基插入与删除U的插入或删除例：原生动物锥虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅲ基因2、碱基转换例：哺乳动物载脂蛋白B（ApoB）编辑中C被U替换，产生肝型与肠型载脂蛋白B：ApoB100与ApoB48ApoBmRNAApoB100翻译666位：C变UCAA变UAAApoB48158bp产物插入394U，同时在18个位点去除18个U胞苷脱氨酶gRNAgRNA：由不同于编码靶mRNA的基因编码，长约40－80nt，可以指导额外的碱基掺入（或丢失）到mRNA中去，为指导RNA.3个区：1区：5’端，锚定

2区：精确定位编辑的位置

3区：一段多聚尿嘧啶序列，提供或者接收尿嘧啶方向：3’－5’RNA编辑的可能机制5’PUOH3’5’PU3’5’OH3’OH5’P3’OHU5’3’3’3’mRNARNA编辑的转脂反应模型gRNA与mRNA配对gRNA3’攻击与mRNA的非配对碱基磷酸二脂键游离mRNA5’片段的3’OH进行第二次亲核攻击mRNA5’片段重新与编辑后的3’连接第四节翻译水平的调控mRNA稳定性调节3′端非编码区结构影响其稳定性：3′端富含A和U的结构，引起mRNA不稳定5′帽子和3′尾可以增强mRNA的稳定性蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，mRNA半衰期达100小时，其他仅2.5小时翻译起始的调控

蛋白质的生物合成过程可以分为肽链的起始、延伸和终止3个阶段。其中，起始阶段相对重要，是翻译水平调控的主要时期。翻译起始因子的调控：eIF-2，血红素对珠蛋白合成的调节免网织红细胞和大多数生物的网织红细胞一样是没有细胞核的，因此没有DNA，而mRNA也早已加工好了，所以蛋白质的合成调节只能依赖于翻译水平，很多基因表达水平的资料就是从研究网织红细胞中获得的。血红素对珠蛋白合成的调控就是一例，这种调节是通过对翻译起始的复合物的形成来控制的。血红素＋珠蛋白：形成血红蛋白在网织红细胞中有两个合成酶系，一个合成血红素，另一个合成珠蛋白，血红素通过自身的反馈调节来控制，而其浓度又可调节珠蛋白合成的速率，使珠蛋白合成速度为血红素的两倍，这种调控是通过控制翻译起始复合物的形成来进行的。依赖cAMP的蛋白激酶（R2C2）是由调节亚基R2和催化亚基C2构成，当它和cAMP结合释放出自由的C亚基，成为活化的蛋白激酶，而血红素的存在对这一步反应是抑制的。自由的C亚基可催化无活性的HCR（控制血红素阻遏物hemim-controlledrepressor,又称EIF-2激酶）磷酸化而成有活性的HCR，而有活性的HCR又使eIF-2磷酸化失去活性，而血红素抑制这一系列反应就可使EIF-2不被磷酸化，保持活性状态，和细胞中的tRNAinit及ESP（eIF-2-stimulatingprotein）形成翻译起始复合物，开始合成珠蛋白，因此缺乏血红素时，珠蛋白也不能合成。抑制珠蛋白合成mRNA非翻译区的结构与翻译调控（一）、5’非翻译区（5’untranslatedregion,5’UTR）的调控作用1、关于mRNA5’帽子结构：mRNA的5’帽子结构有利于mRNA由细胞核转运至细胞质；未甲基化的帽子可以保护mRNA不受5’外切酶的降解；帽子甲基化后可以使mRNA有效翻译。5GpppGp…5’帽子是真核核糖体识别mRNA的结构信号。有研究报道，帽子结构的类似物（如m7GMP和m7GDP等）会强烈抑制带帽mRNA的翻译。另外，有研究发现，在5’UTR中引入一个抑制翻译的茎-环结构，这样可以改变mRNA半衰期。而且mRNA5’UTR的长度可以通过一种翻译非依赖性的方式来影响mRNA的半衰期。分类共有序列-3＋1＋4脊椎动物GCCGCCCCAUGG植物AACAAUGGC原生动物AAAAAAAAUUUUUUUU酵母AAUU2、起始密码子AUG及旁侧序列AAAAAUGANAGA3、起始密码子AUG所在的先导序列长度对翻译起始的影响先导序列：

5’UTR中由第一个AUG至5’帽子间的长度称为先导序列，它会影响起始效率和翻译起始的准确性。Kozak等人证实：第一个AUG至5’帽子长度<12bp，核糖体40S亚基会滑过第一个AUG第一个AUG至5’帽子长度在17－18bp时，体外翻译效率与其长度成正比体内试验证明，加长这段序列可以减弱AUG5’端二级结构对翻译的抑制作用4、5’UTR的二级结构对mRNA翻译的影响

二级结构较多的5’UTR有碍于核糖体的结合且不利于翻译起始，由于5’UTR二级结构阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有顺式抑制作用，而作用的强弱则取决于发夹结构的稳定性及其在5’UTR中的位置。5’UTR二级结构对翻译起始既可表现出负调控效应，又可表现出正调控效应。当5’UTR的序列中存在着碱基配对时，就可形成发卡式或茎环状二级结构。这类结构会阻止核糖体小亚基的迁移，对翻译起始具有顺式阻抑作用。其抑制作用的强弱取决于发卡结构的稳定性及其在5’UTR中的位置。一般来说，碱基配对区愈长或G+C含量愈高，发卡结构就愈稳定。（二）、3’UTR对翻译的调控作用1、终止密码子及其旁侧序列终止密码子使用频率：UAA：脊椎动物和单子叶植物UGA：除脊椎动物和单子叶植物的其它真核生物UAG：使用频率很低旁侧序列：紧挨3’端核苷酸（A+G）频率：60％－70％

C的频率小于17％2、UA序列与翻译调控3’UTR富含UA保守序列，由几个相间分布的UUAUUUAU组成UA保守序列降低mRNA稳定性，对翻译起抑制作用UA拷贝数增加则抑制效率提高UA的抑制作用与终止密码子的距离无关3、polyA尾的调控作用mRNA转运时的保护作用促进翻译

现在认为多聚(A)尾巴具有稳定mRNA的作