分子遗传学5章真核生物基因的表达调控.ppt
第五章 真核基因的表达调控,Three levels control,Three or four levels control?,Gene regulation very complex in eukaryotes cells!,Multiple places control!,真核生物基因表达调控的特点：在真核生物中，染色体的结构对基因的表达有明显的调控作用；真核基因的转录和翻译是在不同地点不同时间进行，从而使真核基因的表达有多种转录后的调控机制；基因表达具有时间性和空间性。时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。真核生物基因表达存在细胞特异性或组织特异性。真核生物的基因表达调控是多因子、多步骤的调控过程。,一 DNA水平的调控,基因丢失 在细胞分化过程中，某些原生动物、线虫、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而除去这些基因的活性。基因扩增某个或某些基因的拷贝数选择性增加的现象。这种增加可以发生在细胞或组织内，也可以在体外(试管中)或在细胞或组织中。这种增加一般与基因组的其他基因的增加不成比例。（爪蟾卵母细胞成熟中rDNA的扩增。）基因重排 指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。（免疫球蛋白IgG）,基因重排,DNA甲基化 与基因的表达成反比关系直接改变基因的构型影响转录因子与顺式作用元件结合5端调控序列甲基化后与核内甲基化CG序列结合蛋白结合DNase高敏感区为去甲基化的标志 染色质结构改变 组蛋白与DNA结合与解离（活性与非活性）非组蛋白与组蛋白竞争结合DNA，解除组蛋白对基因表达的抑制组蛋白修饰（甲基化、乙酰化、磷酸化）常染色质与异染色质的互变,DNA甲基化,（一）顺式作用元件（cis-element）：顺式作用元件:指DNA上对基因表达有调节活性的某些特定的调节序列，其活性仅影响与其自身处于同一DNA分子的基因。这种DNA序列多位与基因旁侧或内含子中，不编码蛋白质。1、启动子2、增强子3、绝缘子4、应答元件,二 转录水平的调控,1、启动子(promotor)位于转录起始位点附近，具有相对固定位置，且为转录起始所必需的序列元件。启动子一般模式：核心启动子，TATA box上游启动子成分（UPE），CAAT box等TATA框控制转录的精确性，而UPE则控制转录的起始频率，启动子的强度决定于UPE的数目和种类。,Core Promotor I,Core Promotor II,Assembly of RNA pol III,2、增强子(enhancer)位于转录起始位点较远位置上，具有参与、激活和增强转录起始功能的序列元件。增强子元件常常是组织特异性或短暂调节的靶位点。增强子特点：与启动子的相对位置和取向无关，只要存在于同一DNA分子上都能起作用；没有基因专一性，可以在不同的基因组合中表现增强效应；严格的组织特异性和细胞特异性；,增强子(enhancer),3、绝缘子(insulator)能阻断激活或失活效应通过的元件，它们有一种或同时有两种主要特征：当绝缘子位于增强子和启动子之间的时候，它能阻断增强子对启动子的激活作用当绝缘子位于活性基因和异染色质之间时，能保护活性基因免受异染色质延伸所带来的失活效应 绝缘子的作用是增强基因调控的准确性,4、应答元件(response element),一组受共同调控的基因，各基因都有一个相同的序列元件，该元件是诱导型转录因子（inducible activator）识别靶基因的位点,称为应答元件（response element）。如：热休克应答元件（HSE）、血清应答元件（SRE）、糖皮质激素应答元件（GRE）特点：是启动子的上游元件（如HSE）或增强子（如GRE）都含有短的共有序列，但不一定完全相同转录因子结合区在共有序列的任一侧附近,应答元件,动物模型,植物模型,（二）反式作用因子(trans-acting factor),真核细胞内序列特异的DNA（8-15bp）结合蛋白可以使基因开放（正调控）或关闭（负调控）三个功能结构域：DNA结合域，转录活性域，结合其它蛋白结构域,反式作用因子:指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件815bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质，也称序列特异性DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding protein，SDBP)，这是一类细胞核内蛋白质因子。在结构上含有与DNA结合的结构域。,DNA Structure Major and Minor Grooves,反式作用因子根据作用方式分为三类：,通用转录因子。普遍存在的转录因子。如TATA box结合因子 TFD、GC box结合因子SP1 等。,组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。,诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子所诱导。,DNA结合域（DNA-binding domain）,锌指结构（Zinc finger motif）同源结构域（Homodomain）亮氨酸拉链（Leucine zipper）螺旋-环-螺旋(Helix-loop-helix structure)螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-helix),1)DNA识别结合域：,锌指（zinc finger）结构 指含有一段保守氨基酸顺序的蛋白质与该蛋白的辅基锌螫合而形成的环状结构，分为锌指、锌扭（twist）和锌簇（cluster）结构；也有按照与锌结合的氨基酸残基性质分为Cys2Cys2和Cys2His2指。,（A）锌指结构示意图（Cys2His2锌指结构）两个半胱氨酸残基和两个组氨酸残基(His)，通过与位于中心的锌离子以配位键结合，形成稳定的指状结构。,（B）Cys2Cys2 锌指结构示意图,Zinc Finger Motif,同源结构域（homeodomain，HD）同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个螺旋中形成“转折”，第三个螺旋与DNA大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA结合的主要力量。功能：调节与机体各部分正常发育或正常分化的有关基因的表达。,同源结构域及其作用,碱性亮氨酸拉链（basic 1eucine zipper，bLZ）有些肽链C末端有一段30个氨基酸序列以-螺旋构型出现的结构单元，每间隔6个氨基酸出现一个亮氨酸残基，能形成两性-螺旋。两个具有这种结构的因子接触后可借助侧链疏水性交错对插，形成稳定卷曲螺旋结构的二聚体。功能：可使碱性区与DNA的亲和力明显增加。,Leucine Zipper,螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH）结构:含两个双性-螺旋，每34个氨基酸含一个疏水性残基，中间为非螺旋环区，内含一个或多个能阻断螺旋的氨基酸残基。,helix-loop-helix,Helix-turn-helix(螺旋-转角-螺旋)结构,为第一个被确立的DNA-结合结构，是最常见DNA结合域之一，常结合CAAT盒，属常见的转录调控蛋白因子。,Helix-turn-helix,2)转录活化结构域（transcriptional activation domain）反式作用因子并非都需要其直接与DNA结合，转录活化域是反式作用因子必须具备的结构基础。转录活化域通常是依赖于DNA结合结构域以外的30100个氨基酸残基。转录因子通常具有一个以上的转录活化区。,转录活化结构域模型有以下几种：,酸性-螺旋（acidic-helix domain）含有较多的负电荷。能非特异性地与起始复合物（如TATA盒结合因子）相互作用发挥转录活化功能。,富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-rich domain）最强的转录活化域之一。,富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）,三转录起始的调控,反式作用因子的活性调节表达式调节 合成后即有活性，不能积累共价修饰 磷酸化、去磷酸化，糖基化配体结合 激素受体蛋白质与蛋白质相互作用 复合物的解离与形成,反式作用因子与顺式元件的结合反式作用因子的作用方式成环 使相应位点接近而发挥作用扭曲 改变DNA构型滑动 沿DNA滑动到另一特异序列而发挥作用连锁反应（Oozing）转录因子与DNA结合后促进与另一转录因子的结合反式作用因子的组合式调控作用组合式基因调控（conbinatorial gene regulation）几种反式作用因子组合而发挥特定作用,真核基因的调控模型:BrittenDavidson模型,原始模型,改进模型:多重调节基因,改进模型:多重受体基因,四 转录后水平的调控,1.加帽和加尾的调控意义,5端加帽:真核生物转录生成的mRNA在转录后，在5端加上7甲基鸟苷(m7GPPPmNp-),意义:能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；m7Gppp结构能有效地封闭RNA 5末端，以保护mRNA免疫5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。有助于mRNA越过核膜，进入胞质。,3端加尾:转录后在mRNA在3末端加上50200个腺苷酸，即poly(A)尾（成熟mRNA）。,意义：可能有助mRNA从核到细胞质转运；避免在细胞中受到核酶降解，增强mRNA的稳定性。,2.mRNA前体的剪接、选择性剪接对基因表达的调控作用,（1）mRNA前体的剪接 真核细胞基因表达所转录出的mRNA前体在剪接酶作用下，有序删除每一个内含子并将外显子拼接起来，形成成熟的mRNA，这一过程即为剪接。,生物体内内含子的主要类型：GU-AG、AU-AC、类内含子、类内含子,5种snRNA(，U1、U2、U4、U5、U6)+100多种蛋白,GU-AG、AU-AC类内含子的剪接,剪接体(spliceosome),I、II类内含子的自我剪接,高等真核细胞中,某个内含子5的供点在特定条件下可与另一个内含子3受点进行剪接，同时删除这两个内含子及其中间的全部外显子或内含子，即一个外显子或内含子是否出现在成熟的mRNA中是可以选择的，这种剪接方式称为选择性剪接。,（2）mRNA的选择性剪接,Exon，Intron是否出现在成熟mRNA是可以选择。,意义：在高等生物细胞的高度异质性中起重要作用。由于剪接的多样化，一个基因在转录后通过mRNA前体的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质。,.RNA的编辑,RNA编辑（editing）:是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。,五 翻译水平的调控,mRNA运输控制mRNA稳定性调节mRNA结构调控翻译起始的调控,翻译过程和翻译后水平的调控主要表现在翻译的起始、延长、蛋白质的加工修饰及定位等方面。,.mRNA运输控制,运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。合成的RNA大约有1/2能被运出核进入细胞质，50左右的在核内降解，还有一些留在核。,.mRNA稳定性调节,原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约3min。高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h。在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命长达数天。,.mRNA结构的影响,3.1 mRNA5前导序列对翻译水平的影响,5m7G帽结构是否存在和是否易于接近eIF-4F的程度对翻译效率有着明显的影响。起始密码子AUG的位置和其侧翼的序列对翻译的效率也有影响。5端非翻译区的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性，当此区长度在1780Nt之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。在5UTR中存在碱基配对区时，可以形成发夹式或茎环二级结构，这类结构会阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有抑制作用。,3.2 mRNA3端的结构对翻译速率和mRNA寿命的影响,mRNA 3端的poly(A)不仅和mRNA穿越核膜的能力有关，而且影响到mRNA的稳定性和翻译效率。poly(A)越长mRNA作为模板的使用的半衰期越长。Poly(A)对翻译的促进作用是需要PABP（poly(A)结合蛋白）的存在。,阻遏蛋白的调控作用（核糖体蛋白）翻译起始因子的功能调控AUG对翻译的调控mRNA5非编码区长度对翻译的影响,翻译其始的调控,进入核糖体位点：IRES 反式作用因子：ITAFs,六 翻译后水平的调控,新生肽链的水解肽链中氨基酸残基的修饰通过信号肽分拣、运输、定位,
