真核生物基因表達的調控.ppt

真核生物基因表達的調控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression ),7.1 DNA水平的調控 7.2 轉錄水平的調控(transcriptional regulation) 7.3 轉錄后水平的調控(post transcriptional regulation) 7.4 翻譯水平的調控(translational regulation) 7.5 翻譯后水平的調控(protein maturation),真核基因組結構特點,真核基因組結構龐大 3109bp、染色質、染色體、核膜 單順反子(monocistron) 含有大量重復序列 基因不連續(xù)性 斷裂基因（interrupted gene）、內含子(intron)、 外顯子(exon) 非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1) 原核生物：生長調控；真核生物：分化調控,RNA聚合酶 TATA盒結合蛋白 活性染色體結構變化 正性調節(jié)占主導 轉錄與翻譯間隔進行 轉錄后修飾、加工,真核基因表達調控特點,多層次調控,失活,7.1 DNA水平的調控,染色質的丟失：不可逆 核的全能性（totipotency）：細胞核內保存了個體發(fā)育所必需的全部基因 基因擴增(gene amplification)：增加基因的拷貝數(shù) 非洲爪蟾卵母細胞rRNA基因卵裂時，擴增2000倍，達1012個核糖體 藥物：誘導抗藥性基因的擴增；腫瘤細胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加 基因重排(gene rearrangement)： 如免疫球蛋白基因重排，多樣性,DNA水平的調控,DNA甲基化(DNA methylation)： mCpG，即“CpG島(CpG-rich islands)” 甲基化(methylated)程度高，基因表達降低； 去甲基化(undermethylated)：基因表達增加 染色質(chromatin)或染色體(chromosome)結構對基因表達的調控：,DNA甲基化與X染色體失活,雌性胎生哺乳動物細胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機失活 X染色體失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic):Xist基因(Xi-specific transcript),常染色質:結構松散，基因表達 異染色質:結構緊密，基因不表達 有基因表達活性的染色質DNA對 DNase更敏感，即Dnase的敏感性可作為該基因的轉錄活性的標志。,7.2 轉錄水平的調控,7.2.1 順式作用元件(cis-acting element) 7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor) 7.2.3 轉錄起始的調控,7.2.1 順式作用元件(cis-acting element),影響自身基因表達活性的DNA序列 非編碼序列 分啟動子、增強子、沉默子,啟動子是一段特定的直接與RNA聚合酶及其轉錄因子相結合、決定基因轉錄起始與否的DNA序列。不同的啟動子對RNA聚合酶的親和力不同，所結合的反式作用因子（trans-acting factors）也不同，因此，基因轉錄活性也很不相同。,順式作用元件（一） 啟動子,典型的原核啟動子有四大要素,1.轉錄起始位點 2.-10區(qū) 3.-35區(qū) 4.-10區(qū)與-35區(qū)之間的間隔,原核基因轉錄起始位點通常是嘌呤，其序列為CAT（A為起始位點）。 -10區(qū)是一個6堿基保守序列（常以-10為中心）。T80A95T45A60A50T96，有助于DNA的解鏈。 -35區(qū)是另一個6堿基保守序列（常以-35為中心）。T82T84G78A65C54A45。 當-10區(qū)和-35區(qū)中心位置相距16-18bp時，該啟動子的功能較強；相距較近或較遠時，起始轉錄的功能都相應減弱。,真核基因啟動子,真核生物有3類RNA聚合酶，負責轉錄3類不同的啟動子，分別為：類、類和類。,類啟動子,由RNA聚合酶I負責轉錄的rRNA基因，啟動子（I類）比較單一，由轉錄起始位點附近的兩部分序列構成。第一部分是核心啟動子（core promoter），由-45+20位核苷酸組成，單獨存在時就足以起始轉錄。另一部分由-170-107位序列組成，稱為上游調控元件，能有效地增強轉錄效率。,類啟動子,由RNA聚合酶負責轉錄的是5SrRNA、tRNA和某些核內小分子RNA（snRNA），其啟動子（類）組成較復雜，又可被分為三個亞類。兩亞類5S rRNA和tRNA基因的啟動子是內部啟動子（internal promoter），位于轉錄起始位點的下游，都由兩部分組成。第三亞類啟動子由三個部分組成，位于轉錄起始位點上游。,類啟動子,由RNA聚合酶II負責轉錄的II類基因包括所有蛋白質編碼基因和部分snRNA基因。后者的啟動子結構與III類基因啟動子中的第三種類型相似，編碼蛋白質的II類基因啟動子在結構上有共同的保守序列。 II啟動子： 核心啟動子(core promoter)TATA盒，-25-30bp 上游啟動子元件(upstream promotor elements,UPE)：CAAT 盒，-70bp；GC盒等，通過TF II復合物來提高轉錄效率。,增強子是指能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。遠離轉錄起始點（130kb），增強啟動子轉錄活性DNA序列。,順式作用元件（二） 增強子,增強子的性質,1、增強效應十分明顯。 2、增強效應與其位置和取向無關。 3、大多為重復序列，一般長約50bp。 4、 增強效應有嚴密的組織和細胞特異性。 5、 沒有基因專一性。 6、 許多增強子還受外部信號的調控。,增強子的作用原理,一種觀點認為，增強子為轉錄因子提供進入啟動子區(qū)的位點。 第二種認為，增強子能改變染色質的構象。因為增強子區(qū)域容易發(fā)生從B-DNA到Z-DNA的構象變化。 增強子的功能是可以累加的。,增強子,感染真核細胞的病毒DNA，大多具有可被寄主細胞蛋白質激活的增強子。 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮質激素基因的增強子。在能被類固醇激活的細胞（如乳腺上皮細胞）中，MMTV病毒能旺盛生長。 病毒有寄主范圍，因它有組織特異和物種特異的增強子。,順式作用元件（三） 沉默子,沉默子(silencer)：負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。,7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor),概念：為DNA結合蛋白，核內蛋白，可使鄰近基因開放（正調控）或關閉（負調控） 通用或基本轉錄因子(general transcription factors)RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子。 TFA、 TFB、 TFD、 TFE等 特異轉錄因子( special transcription factors)個別基因轉錄所必需的轉錄因子. OCT-2：在淋巴細胞中特異性表達，識別Ig基因的啟動子和增強子。,反式作用因子特點,三個功能結構域：DNA識別結合域(DNA-binding domain)；轉錄活性域(transcriptional activation domain)；結合其他蛋白的結合域。 能識別并結合順式作用元件(cis-acting element) 正調控與負調控,功能 結構域,反式作用因子結構域的模式,DNA結合域(DNA- banding domain) 鋅指結構(zinc finger motif) 同源結構域(homodomain,HD)：螺旋-轉折-螺旋(helix-turn-helix) 亮氨酸拉鏈結構 (leucine zipper) 螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH) 堿性螺旋(alkaline -helix),鋅指結構(zinc finger motif),長約30個aa，其中4個氨基酸（Cys或2個Cys，兩個His）與一個Zinc原子相結合。與Zinc結合后鋅指結構較穩(wěn)定。,螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix),是最早發(fā)現(xiàn)于原核生物中的一個關鍵因子，該結構域長約20個aa，主要是兩個-螺旋區(qū)和將其隔開的轉角。其中的一個被稱為識別螺旋區(qū)，因為它常常帶有數(shù)個直接與DNA序列相識別的氨基酸。,堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper),是親脂性（amphipathic）的螺旋，包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體。每隔6個殘基出現(xiàn)一個亮氨酸。由賴氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）組成DNA結合區(qū)。,堿性亮氨酸拉鏈結構域轉錄激活因子,螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH),該調控區(qū)長約50個aa殘基，同時具有DNA結合和形成蛋白質二聚體的功能，其主要特點是可形成兩個親脂性-螺旋，兩個螺旋之間由環(huán)狀結構相連，其DNA結合功能是由一個較短的富堿性氨基酸區(qū)所決定的。,螺旋-環(huán)-螺旋,反式作用因子結構域的模式,轉錄活化結構域(transcriptional activation domain) 酸性-螺旋結構域(acidic helix domain) 富含谷氨酰胺結構域(glutamine-rich domain) 富含脯氨酸結構域(proline-rich domain),7.2.3 轉錄起始的調控,轉錄起始復合物的形成 關鍵： 轉錄因子(transcription factor,TF)； 啟動子與TF結合后，才能被RNA pol識別與結合； -25-30區(qū)：TATA盒,轉錄起始的調控,TBP:TATA-binding protein TAFs:TBP associated factors,轉錄起始的調控,反式作用因子的活性調節(jié) 合成后即有活性：需要時合成，可迅速降解 共價修飾：磷酸化-去磷酸化，糖基化 配體結合：如激素與受體的結合 蛋白質與蛋白質相互作用：二聚體 反式作用因子與順式作用元件的結合,轉錄起始的調控,反式作用因子的作用方式 成環(huán)、扭曲、滑動、Oozing等 反式作用因子的組合式調控作用(conbinatorial gene regulation) 使有限的反式作用因子可以調控不同基因的表達,成環(huán),反式作用因子與順式作用元件的結合,組合式調控作用,7.3 轉錄后水平的調控,5端加帽(cap)和3端多聚腺苷酸化(polyA)的調控意義 使mRNA穩(wěn)定，在轉錄過程中不被降解 mRNA的選擇剪接(alternative splicing)對基因表達的調控 外顯子選擇(optional exon)、內含子選擇(optional intron)、互斥外顯子、內部剪接位點 mRNA 運輸?shù)目刂?G蛋白 受體與配體結合后即與膜上的偶聯(lián)蛋白結合，使其釋放活性因子，再與效應器發(fā)生反應。由于這些偶聯(lián)蛋白的結構和功能極為類似，且都能結合并水解GTP，所以通常稱G蛋白，即鳥苷酸調節(jié)蛋白（guanine nucleotide regulatory protein）。 反義RNA(anti sense RNA) 是指mRNA互補的RNA分子。這種反義RNA能與mRNA分子特異性地互補結合，從而抑制該mRNA的加工與翻譯，是原核細胞中基因表達的調控的一種方式。然而，許多實驗證明，在真核細胞中亦存在反義RNA，但其功能尚未全部明了。,cAMP response element,CRE binding protein,7.4 翻譯水平的調控,翻譯起始的調控 未受精卵：隱蔽mRNA(masked mRNA)；受精：招募因子(recruitment factor)，激活隱蔽mRNA 阻遏蛋白的調控：鐵結合調節(jié)蛋白(regulatory iron-binding protein) 翻譯起始因子的調控：eIF-2，血紅素對珠蛋白合成的調節(jié) 5AUG對翻譯的調控作用：減少正常AUG啟動翻譯的作用，使翻譯維持在較低水平 mRNA5 端非編碼區(qū)長度對翻譯的影響。,鐵結合調節(jié)蛋白,3,3,翻譯起始因子(eIF2)的調控,翻譯水平的調控,mRNA穩(wěn)定性調節(jié) 3端非編碼區(qū)結構影響其穩(wěn)定性：3端富含A和U的結構，引起mRNA 不穩(wěn)定 蠶蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蠶絲蛋白，mRNA半衰期達100小時，其他僅2.5小時 小分子RNA對翻譯水平的影響,7.5 翻譯后水平的調控,新生肽鏈的水解：酶解 肽鏈N端的第一個氨基酸：穩(wěn)定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）與去穩(wěn)定氨基酸 肽鏈中氨基酸的共價修飾：磷酸化、甲基化、?；?通過信號肽(signal peptide)分揀、運輸、定