第七章 真核基因表达的调控.ppt

1、7. 真核基因表达的调控,7.1 DNA水平的调控 7.2 转录水平的调控 7.3 转录后水平的调控 7.4 翻译水平调控 7.5 原核与真核基因表达调控差异,内容介绍,7.1.1 基因丢失 在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。 例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。 许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性totipotency,7.1 DNA水平的调控,7.1.2 基因扩增,在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，

2、细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象 7.1.2.1 为满足正常的生长发育需要 如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增: 卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍，用于转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体。 在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增 7.1.2.2 外界环境因素引起基因扩增 基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc 原癌基因的DNA区段扩增10200倍。许多致癌剂可诱导DNA扩增。,7.1.3 DNA 甲基化,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子DNA的结合效

3、率. DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶和7-甲基鸟嘌呤. X染色体的失活与甲基化相关.,7.2 转录水平的调控,真核生物细胞中有成千上万个基因表达，不同类型细胞由不同组合的基因表达。那么，每种细胞如何保证正确的基因组合表达？ 一种途径是基因重复：基因有多个拷贝，不同类型细胞表达不同的拷贝，不同拷贝的表达处于不同调控系统。 另一种途径是复合控制系统：真核生物单拷贝基因转录调控系统,网络,7.2.1 Britten-Davidson model,Integrator 整合基因：产生激活因子 Sensor感受位点：位于整合基因5端，接受调控信号，激活整合基因表达 Gene 结构基因 Recepto

4、r接受位点：位于结构基因5端，被激活因子识别,RNA/pro,S I R G,mRNA,7.2.2 基因转录的顺式调控元件 cis-element,由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反式作用因子结合，实现对基因转录的调控。 按照功能分为启动子、增强子、沉默子 按照调控水平分为基础转录水平的顺式调控元件，如启动子；特异诱导高效表达的顺式调控元件，如增强子,7.2.2.1 启动子,UAS: upstream activating sequence,7.2.2.2. Enhancer sv40,促进转录，不具有启动子专一性 功能与方向，位置无关

5、 远距离发挥作用 (100500bp，10Kb) 组织或细胞特异性 必须有两个(以上)增强子成份紧密相连，enhanson,增强子的特点,7.2.2.3 Response element,应答元件、效应元件：一组受到共同调控的基因，都有一个相同的元件（序列），此元件能与某一个(类)专一蛋白结合，使基因对其作出反应 含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝；与转录起点距离不固定，一般位于上游元件或增强子内；常是启动子的上游元件或增强子,Eukaryotic response elements.,*(A/T)6 means six A or T; N = any.,7.2.2.4

6、silencer,负调控元件, 不受距离和方向限制，可对异源基因的表达起作用 对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用 例如 酵母，mating type -珠蛋白基因簇,7.2.3 基因转录的反式作用因子,调控蛋白质包括负调控因子（阻遏蛋白） 正调控因子（转录因子） 原核生物调控蛋白种类较少（由于启动子或 操作子结构简单） 真核生物调控蛋白种类较多，主要是转录因子,DNA binding domain：100aa，氢键，大沟 transcription active domain：30-100aa regular domain：与其它因子或调控蛋白结合,7.2.3.1 TF结构特征,（1）

7、HTH, Helix-turn-helix,2个螺旋被一个转角隔开 识别螺旋，与DNA在大沟中特异结合 穿过大沟，与DNA非特异结合,S386,许多调控蛋白都有HTH,阻遏蛋白与cro蛋白 CAP 酵母接合型调控蛋白1，2 果蝇的触角足基因 Antp 玉米的Kn1 水稻的OSH1,果蝇的engrailed 果蝇的触角足蛋白 哺乳动物转录因子,（2） Zinc finger,A. Cys2/His2, 经典 23aa Cys- X2-4- Cys-X3-Phe- X5 -Leu- X2 -His- X3 -His Cys，His与Zn+结合形成4面体结构，使中部的氨基酸回折成环，凸出如手指 中部

8、芳香族氨基酸保守，疏水 串联重复排列，两指间7-8aa 锌指数目多少不等,S395,SP1,zyj271,TF III A,344aa，N端与DNA结合 9个锌指，每个30aa 与5s rRNA基因内启动子 （50bp)结合,B. Cys2/Cys2 zinc finger,Cys- X2- Cys-X13Cys- X2- Cys Zn+与4个Cys结合 DNA结合序列较短，对称 无大量重复性锌指 Cys2/Cys2与 Cys2/His2不同 例如GAL4，酵母的转录因子 哺乳类的固醇类激素受体,糖皮质激素受体,ZYJ272,-COOH，每隔7个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，

9、成直线排列，形成疏水面,-NH2,富含碱性氨基酸，碱性DNA结合域,(3) Leu zipper,依靠Leu的疏水作用,2个helix 相互缠绕，形成拉链结构,base ZIP motif Y形结构,在真核生物中广泛存在,C/EBP 增强子结合蛋白 GCN4 酵母激活因子 CREB（cAMP应答元件结合蛋白） 原癌基因jun, fos编码产物,Leu拉链可以homodimer, heterodimer起作用，说明用各种不同组合，可产生不同的调控蛋白，能阅读多种序列（功能的灵活性）,（4） bHLH （ Helix-loop-helix）,4050aa 含2个-helix（1516aa）, 由连

10、接区（1228aa）连接；两亲性, amphipathic；通过疏水面作用形成二聚体 NH2端为碱性结合区，16aa,MyoD-DNA,2. 转录激活域,酸性激活域 如GCN4，GAL4 rich-Gln 如SP1, AP2, oct1, oct2 rich-pro 如CTF/NF1 不规则的，含双性-helix,7.2.3.2 反式作用因子的种类,TF(I,II,III） 通用转录因子 ，基础因子：结合在TATA盒上的蛋白质因子，转录必须，TFA、 TFB、 TFD、 TFE等 转录调控因子，上游因子：识别并结合在上游元件UPE上， 诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控 constitu

11、tive expression inducible expression,RNApol II的上游元件及其转录因子,S356,C末端 DNA结合域, 3个Zn 指 2个活化结构域, rich-Gln 在大沟中结合GC box，一个SP1结合20bp, 无组织特异性，作用无方向性，可提高转录10-25倍 最初在SV40中发现，普遍存在于脊椎动物中，每个细胞中有6万个,（1）SP1,The specific transcription factor SP1 binds to GC rich sequence in TATA less promoter,（2） CTF 结合CCAAT box，作用于

12、大沟，无组织专一性 每个细胞中有30万个 有许多蛋白质可与CAAT结合 NF1, 腺病毒复制原点的核因子1 C/EBP, 大鼠肝中CCAAT结合蛋白 CTF家族 CP家族,真核生物的转录因子，虽然具有较高程度的独立性，仍然可能与原核生物的因子起着相同作用，即赋予核心酶识别特异序列，并与之结合的本领。所以没有大量转录因子，RNA 聚合酶II本身不可能识别真核中数量巨大的启动子。,7.2.4 真核基因转录调控机制,基因转录的调控需要 顺反因子、蛋白质之间的相互作用 7.2.4.1 顺式元件与反式作用因子的相互作用 1 调控模型 调控蛋白以多聚体（2,4）结合 识别序列为palindromic se

13、q.,Y277,平移对称,螺丝对称,两倍轴对称,二倍旋转对称,2 蛋白质如何识别DNA特定序列？,蛋白质的识别螺旋嵌入DNA大沟中 非特异性结合：结合部位附近的正电区域（由带正电的氨基酸侧链组成），与DNA主链的PO4离子产生静电作用，二者距离远，作用弱 特异性结合：当到达靶位点时，蛋白质分子上特定位点上的H供体和受体的空间取向正好于DNA靶位点互补，结果形成氢键，使二者距离缩短（1.01.5nm），作用力增强106倍 这种寻找方式比在DNA上跳动能更迅速地找到靶位点,7.2.4.2 cis-factor 互作的模式,Looping hypothesis：位于2个不同的DNA结合位点上的2个蛋

14、白质，可以通过2个结合位点之间的DNA形成loop得以相互作用，影响基因转录 实验证据： ：cI在OR1上的结合使OR2的结合能力提高 Gal operon Ara operon SV 40 早期启动子 Enhancer，见下页,7.2.4.3 诱导型转录因子活性调控 -热休克应答,1 HSP（heat shock protein) aa序列高度保守 蛋白质功能高度保守 是一种分子伴侣chaperone,2 hsp 核苷酸序列高度保守，如人与E.Coli4060 多基因家族，多拷贝，成簇存在 大部分无内元，如hsp70，转录后不须剪切即可产生成熟mRNA，适应需要,HSE, heat shoc

15、k element,位于hsp上游 核心序列nGAAn，首尾排列 GAANNTTCNNGAA 保守 ，几乎存在于所有的HSE中。把HSE连接在其它基因的上游，该基因可获得热诱导性。HSE在进化中的保守性是热休克应答普遍性的分子基础之一,HSF, heat shock factor，HSE 结合蛋白，热激转录因子,DNA结合区：3个螺旋，形成疏水区 多聚化区：4个Leu拉链，三聚体有活性 C末端（452488）保守区,5 热休克应答的调控机制,常温下，HSF在体内以单体存在，不与DNA结合（无活性） 这是由于拉链1,4相互作用，加上Hsp70, hsp90的共同作用，使HSF保持单体,热激后，大

16、量变性和 错误折叠的蛋白质出现, 与Hsp70, Hsp90竞争结 合,使拉链区暴露, 多聚 化，与HSE结合,HSF解离，形成HSF单体,多聚化,与HSE结合,产生HSP,HSP积累，可与HSF结合,脱离HSE,热激,shen256,热休克应答现象普遍存在热休克基因家族是迄今被发现的最保守的遗传系统 热休克反应可被多种因素诱导，应激反应,7.3 转录后水平调控,7.3.1 hnRNA选择加工及运输 实验发现，在海胆囊胚细胞中，约有2万种不同序列的hnRNA，其中1.3万种加工形成mRNA；在成体肠细胞中，约有2.5万种hnRNA，只有3000种加工成mRNA。在囊胚中存在，而肠细胞中没有的m

17、RNA序列，大多数可在肠mRNA中发现。 说明海胆中许多基因的转录并不因组织的不同而有很大的差异。不同组织调控自己mRNA水平的主要方式似乎不在转录水平，而在对hnRNA的选择加工，似乎只有一小部分基因的调控发生在转录水平。,除了转录水平调控外，mRNA水平还决定于hnRNA加工、mRNA运输，但对其机制了解不多,hnRNA 核内不均一RNA hnRNP 与RNA结合蛋白形成核糖核蛋白,蛋白质3/4 加工 5-capping, 3-polyA, splicing ，RNP复合物中的蛋白质组分可能包含了各步骤所需的酶 mRNA ,mRNP 在细胞质中与蛋白质结合存在,7.3.2 alternat

18、ive splicing,7.3.2.1 概念 组成型拼接: 一个基因的mRNA前体按一种方式剪切，产生一种mRNA，一种蛋白质 选择性拼接：有些基因的mRNA前体，按不同方式剪切，产生两种以上mRNA，翻译产生多种蛋白质 7.3.2.2 产生原因及类型 有两个以上的启动子, 未发现实例 有多个加尾信号, 如免疫球蛋白 选用不同的拼接位点，如SV40的T,t抗原 几者兼有，如大鼠降钙素基因相关产物,果蝇，性别决定,免疫球蛋白, 不同3末端型,S366,大鼠肌钙蛋白T基因,大鼠降钙素, calcitonin,ylf420,Calcitonin gene related peptide,Y420,

19、7.3.2.3 调控机制,实质是5供体与3受体拼接点的选择搭配 如何选择不同的位点？ SR蛋白家族：SF2剪接因子，可与RNA 结合，决定5剪接位点 RNP的调节：hnRNP-A1, U5-snRNP,Intron的功能之一是使同一个基因表达出多种蛋白质，即扩大DNA中遗传信息的含量 高等真核生物基因组很大，完全能容纳更多的基因。为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方面它又使一个基因产生出多种产物？,7.3.2.4 选择性剪接的意义,令人不解 ！？,由于可变剪接机制的多样化，一个基因可以在转录后通过hnRNA的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质。因此基因的定义也应随之扩展，即不应以多肽产物为

20、单位，应以独立转录的一段DNA作为确定一个基因的标准,7.3.4 RNA editing,7.3.4.1 细胞色素氧化酶亚基 （cox）,RNA编辑是指遗传信息在mRNA水平上发生改变的过程 。即RNA的编码序列与转录产生它的DNA序列不同。,7.3.4.2 如何插入多个U？,guide RNA 55-70nt 5端与RNA转录产物互补 3端有5-25个U,插入U 的两步转酯反应,gRNA的3OH攻击mRNA 产生5段 3段(5端与gRNA3相连) 5段的3-OH攻击gRNA的U-U 生成RNA编辑产物(插入一个U) gRNA（少一个U）,RNA编辑相继在真核生物和病毒中发现 如小鼠脑中的谷氨

21、酸受体，哺乳动物载脂蛋白B，植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基 editing signal? editosome structure? 生物学意义 生物适应中的保护措施之一 中心法则的发展：改变DNA的信息，使DNA abbreviated, 称为cryptic gene, crytogene,7.4 翻译水平的调控,7.4.1 翻译起始的调控 7.4.2 mRNA稳定性调节 7.4. 翻译后水平的调控,7.4.1 翻译起始的调控 翻译起始GTP.MET-tRNA40S.MET-tRNAi.GTP 40S.MET-tRNAiGTPmRNA 80s.METtRNA.GTPmRNA。在之前各个阶段

22、都可以发生调控作用。 1.阻遏Pr.的调控作用 进入胞浆并非所有的mRNA分子立即与核糖体结合翻译成Pr. 一些特定的翻译抑制Pr. 可结合到mRNA5,抑制翻译。如： 铁Pr.（ferritin）mRNA5端非编码区约30个核甘酸序列称为铁反应元件（iron-response element） 可折叠成1个茎环（发夹结构） 可结合1个铁结合调节蛋白（regulatoryiron-binding pro）。,（1）TfR (transferrin receptor), 用于铁的运输 铁含量高时， TfR合成减少 低时， TfR合成增加 IRE, 在3-UTR区, 与IRE-BP结合稳定mRNA

23、,（2）Ferritin，铁蛋白，用于铁的解毒 铁含量高时， ferritin合成增加 低时，ferritin合成减少 IRE, 在5-UTR区，与IRE-BP结合阻止翻译,ZYX231,IRE-BP与顺乌头酸酶同源性高，是一种铁硫蛋白 4Fe4S 3Fe4S,不能与IRE 结合,2. 翻译起始因子的功能调控 eIF2是Pr.合成过程中重要起始因子。有些因素可影响其活性，如： eIF2去磷酸化 eIF2磷酸化(活性) 培养Rbc营养不足 肽链合成起始效率 3. 5-AUG对翻译的调控作用 5 3 mRNA （1）按Pr.生物合成模型，90%真核mRNA符合第1AUG规律译出正常Pr. （2）5

24、AUG可以减少正常AUG翻译起始作用使翻译维持在较低 水平。原癌基因中是控制原癌基因表达的重要因素缺失导致某些原癌基因翻译激活。,CAMP-蛋白激活酶系统,血红素抑制CAMP-Pr.激酶系统,5-AUG(1个或数个),第1-AUG,非编码区非正常开放阅读框,编码区正常开放阅读框,4.mRNA5端非编码区长度对翻译的影响 （1）5端非编码区的长度在1780核甘酸时体外翻译效率正比于其长度。 （2）当第1个AUG离5帽结构太近时不易被40S亚基识别约在12个核苷酸内有一半以上核糖体会滑过第1个AUG。如FN5端非编码区长达267个碱基表达量 7.4.2 mRNA稳定性调节 mRNA的稳定性差别很大

25、，调节受自身内在因素和其它因素影响。 1.差异（1）种属差异 原核mRNA半寿期短平均3左右，以适应环境获取营养；真核mRNA半寿期长。 （2）组织细胞差异 真核生长因子mRNA半寿期10 ,-珠Pr.mRNA半寿期10h。 2.调控或影响因素 （1）一级结构：mRNA 3端非编码区富含A或U是许多不稳定mRNA不稳定原因。 （2）二级结构：组Pr.mRNA3端无poly（A）尾但有荃环结构受DNA合成调控。 “戴帽穿靴”，转录后修饰都影响mRNA寿命。,3.重组DNA技术实验结果 （1）切除生长因子mRNA部分3端序列，mRNA稳定 （2）组Pr.mRNA3换成珠Pr.3端，mRNA稳定 （

26、3）-珠Pr.mRNA3端插入生长因子mRNA 3端、mRNA稳定 （4） -珠Pr.mRNA3端换成组Pr.mRNA3端，则受DNA合成调节。,7.4.3 翻译后水平的调控 （一）新生肽的水解基因表达调控1个重要环节。 影响新生肽（Pr.）寿命长短因素 1.产物类别，如fos、myc原癌基因产物、寿命 2.运输速度，出胞浆到各需要地方（如内质网、线粒体、叶绿体、核内）慢、寿命 3.肽链自身因素 （1）酶切位点多、降解 （2）肽链N-端第1个AA：Met.ser、Thr、Ala、val、cys、Gly、pro是“稳定化AA”。其余12个AA是“去稳定AA”（destabilizing amino acid）。 去稳定AA是由特定的酶加到肽链N-端的。肽链合成的起始总是Met