真核生物基因表達(dá)的調(diào)控

1、第 10 章 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控本章教學(xué)要求1 .熟悉真核基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 真核生物在DNA 水平、 轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)。2 .掌握以下概念：順式作用元件、反式作用因子、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子，熟悉沉默子、基本轉(zhuǎn)錄因子、特異轉(zhuǎn)錄因子。3 .了解轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本章教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、真核生物在DNA 水平和轉(zhuǎn)錄水平基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)。2、轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。教學(xué)方法與手段講授與交流互動(dòng)相結(jié)合，采用多媒體教學(xué)。授課內(nèi)容10.1 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個(gè)特定的環(huán)境中為細(xì)胞創(chuàng)造高速生長(zhǎng)的條件，或使細(xì)胞在受到損傷時(shí)

2、，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是通過(guò)控制轉(zhuǎn)錄的起始來(lái)調(diào)節(jié)的。真核基因表達(dá)調(diào)控的最顯著特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn) " 預(yù)定" 的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核的共同點(diǎn)：?基因表達(dá)都有轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，且以轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控為最重要；?在結(jié)構(gòu)基因上游和下游、甚至內(nèi)部存在多種調(diào)控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調(diào)控成分的結(jié)合與否調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核的不同點(diǎn)：1、 真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多： 轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進(jìn)行，具有多種原核生

3、物沒(méi)有的調(diào)控機(jī)制；個(gè)體發(fā)育復(fù)雜，具有調(diào)控基因特異性表達(dá)的機(jī)制。2、真核生物活性染色體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)基因表達(dá)具有調(diào)控作用：DNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、 DNA堿基修飾變化 、組蛋白變化；3、 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)， 且一個(gè)真核基因通常有多個(gè)調(diào)控序列， 需要有多個(gè)激活物。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平的升降，及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育的全部進(jìn)程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可

4、分為：-DNA 水平調(diào)控 Replicational regulation一轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控transcriptional regulation一轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控post transcriptional regulation-翻譯水平調(diào)控translational regulation一蛋白質(zhì)力口工水平的調(diào)控regulation of protein maturation10.2 真核生物 DNA 水平上的基因表達(dá)調(diào)控一、基因丟失二、基因擴(kuò)增三、基因重排四、 DNA 的甲基化與基因調(diào)控五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控一、基因丟失? 丟失一段 DNA 或整條染色體的現(xiàn)象。? 在細(xì)胞分化過(guò)程中， 可以通過(guò)丟

5、失掉某些基因而去除這些基因的活性。 某些原生動(dòng)物、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)和甲殼類動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中，許多體細(xì)胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來(lái)分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞一直保留著整套的染色體。? 目前，在高等真核生物（包括動(dòng)物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。圖 馬蛔蟲(chóng)受精卵的早期分裂? 馬蛔蟲(chóng)2n=2,但染色體上有多個(gè)著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下 2個(gè)子細(xì)胞。 第二次卵裂時(shí)，一個(gè)子細(xì)胞仍進(jìn)行橫裂，保持完整的基因組，而另一個(gè)子細(xì)胞卻進(jìn)行縱向分裂，丟失部分染色體。圖小麥瘤蚊的染色體丟棄瘤蚊卵跟果蠅相似（始核分裂胞質(zhì)不分裂），其卵的后端含有一種特殊的細(xì)胞質(zhì)極細(xì)胞質(zhì)核-保持了全部 40條染色體-生

6、殖細(xì)胞其他細(xì)胞質(zhì)區(qū)域核-丟失 32條、留8條-體細(xì)胞二、基因擴(kuò)增? 基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的 基因產(chǎn)物以滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。? 如非洲爪蟾卵母細(xì)胞中 rDNA的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴(kuò)增現(xiàn)象。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺 傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進(jìn)化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。三、基因重排? 將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的地方移到距它很近的位點(diǎn)從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為 基因重排。? 通過(guò)基因重排調(diào)

7、節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。? 在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不 同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。? 完整的重鏈基因由 VH、D、J和C四個(gè)基因片斷組合而成。? 完整的輕鏈基因由 VL、J和C 3個(gè)片段組合而成。人類基因組中抗體基因片斷產(chǎn)生免疫球蛋白分子多樣性的遺傳控制重鏈和輕鏈的不同組合，K、入、H;在重鏈中，V、D、J和C片段的組合；k輕鏈中V和C的組合；入輕鏈中V、J和C的組合；基因片段之間的連接點(diǎn)也可以在幾個(gè)bp的范圍內(nèi)移動(dòng)。因此，可以從約300個(gè)抗體基因片段中產(chǎn)生 109數(shù)量級(jí)的免疫球蛋白分子。四、 DNA 的甲基

8、化與基因調(diào)控1、 DNA 的甲基化? 胞嘧啶被甲基化修飾形成5- 甲基胞嘧啶(mC)? 幾乎所有的 mC 與其3的鳥(niǎo)嘌呤以5 mCpG3 的形式存在。? 當(dāng)兩條鏈上的胞嘧啶都被 甲基化時(shí)稱為完全甲基化。? 一般在復(fù)制剛完成時(shí)，子鏈上的 C 呈非甲基化狀態(tài)，稱 為半甲基化。? 在真核生物中，5- 甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG 序列、 CpXpG 、 CCA/TGG 和 GATC 中? CpG 二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA 上， CpG 島甲基化位點(diǎn)的檢測(cè)? 特殊的限制性內(nèi)切酶同裂酶?Hpa n識(shí)別并切割未甲基化的CCGG (C J CGG)?Msp I識(shí)別無(wú)論是否甲基化的CCGG (C J CGG

9、或C J CmGG)真核生物細(xì)胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：? 構(gòu)建性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于非甲基化位點(diǎn)，對(duì)發(fā)育早期 DNA 甲基化位點(diǎn)的確定起重 要作用。? 維持性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于半甲基化位點(diǎn)，使子代細(xì)胞具備親代的甲基化狀態(tài)。? 在一些不表達(dá)的基因中，啟動(dòng)區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化 程度較低。2、 親本印記(imprinting)? E叮己：來(lái)源于父母本的一對(duì)等位基因表達(dá)不同。如源于父本的IGF-n (胰島素樣生長(zhǎng)因子n)基因可表達(dá)，而源于母本的則不能表達(dá)。這是由于卵母細(xì)胞中的IGF- n已被甲基化，而精子中的IGF-n未被甲基化，所以這一對(duì)等位基因在合子中表現(xiàn)不同。? 目前

10、在人類和鼠身上已辨明了 20 種印跡基因。大多數(shù)人類的印跡基因集中在三個(gè)簇中。在每個(gè)基因簇上都存在著特異的印記盒(imprinting box) ，能順式調(diào)節(jié)印跡基因的親本特異性表達(dá)，這些位點(diǎn)表現(xiàn)出親本特異性的甲基化作用和去甲基化作用。3、 DNA 甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA 甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域 DNA 構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與 DNA 的相互作用，抑 制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA 的結(jié)合效率。五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控（一）活性染色質(zhì)? 按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)：? 活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；? 非活性染色質(zhì)是指沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。? 真核細(xì)

11、胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的 DNA ， 因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)， 即是否處于活化狀態(tài)是決定 RNA 聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵?；钚匀旧|(zhì)的主要特點(diǎn)? 在結(jié)構(gòu)上：? 活性染色質(zhì)上具有DNase I 超敏感位點(diǎn)? 活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)? 活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（ MAR 序列）活性染色質(zhì)上具有DNase I 超敏感位點(diǎn)。 每個(gè)活躍表達(dá)的基因都有一個(gè)或幾個(gè)超敏感位點(diǎn)，大部分位于基因5'端啟動(dòng)子區(qū)域?；钚匀旧|(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū) （ matrix attachment region ， MAR ）。 MAR 一般位于 DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。在外

12、源基因兩端接上MAR ，可增加基因表達(dá)水平10 倍以上，說(shuō)明 MAR 在基因表達(dá)調(diào)控中有作用。是一種新的基因調(diào)控元件。（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1、對(duì)核酸酶敏感 活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。2、 DNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化? 天然雙鏈 DNA 均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；? 基因活化后3、 DNA 堿基修飾變化- 真核DNA約有5%的胞喀咤被甲基化，- 甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。4、組蛋白變化 富含 Lys 組蛋白水平降低 H2A, H2B 二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾：高乙?；?H3 組蛋白巰基暴露10.3 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控一、真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的差異

13、1 .真核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程涉及復(fù)雜的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化；2 .原核生物調(diào)節(jié)元件種類少，真核很多；3 .原核生物有操縱子結(jié)構(gòu)，真核不組成操縱子；4 .大多數(shù)真核生物啟動(dòng)子以正調(diào)控為主，原核生物以負(fù)調(diào)控為主?！盎颉钡姆肿由飳W(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能 RNA 所必需的全部核苷酸序列。二、真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控順式作用元件（ cis-acting element ）定義：影響自身基因表達(dá)活性的非編碼DNA 序列。例： 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等1、啟動(dòng)子：在DNA 分子中， RNA 聚合酶能夠識(shí)別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。2、增強(qiáng)子指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA 序列。SV40 的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)

14、，轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約200 bp 處有兩段長(zhǎng)72 bp 的正向重復(fù)序列。增強(qiáng)子特點(diǎn)： 增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加 10-200 倍 增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無(wú)關(guān)，不論增強(qiáng)子以什么方向排列（5 '-3'或3 '-5'）,甚至和靶基因相距3 kb ，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)；大多為重復(fù)序列，一般長(zhǎng)約50bp,適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個(gè)核心序列： （ G） TGGA/TA/TA/T （ G ） ，該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需的； 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性，說(shuō)明增強(qiáng)子只有與特定的蛋白質(zhì) （轉(zhuǎn)錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能； 沒(méi)

15、有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)； 許多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控， 如金屬硫蛋白的基因啟動(dòng)區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子， 就可 以對(duì)環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。3、沉默子某些基因含有負(fù)性調(diào)節(jié)元件一一沉默子，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作 用。三、反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子，transcription factor ）（一）定義，也能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì) 稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factor , TF）。如：TF II D （TATA）、CTF （CAAT）、SPI（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動(dòng)區(qū)）反式

16、作用因子識(shí)別/結(jié)合順式作用元件中的靶序列啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子 TF n D 識(shí)別結(jié)合 TATA box轉(zhuǎn)錄因子SP1識(shí)別結(jié)合 GC box轉(zhuǎn)錄因子CTF1 識(shí)別結(jié)合 CCAATbox（二）反式作用因子的類型1 .基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）又稱TATA盒結(jié)合蛋白，如 TF I、TFH和TFIII等。 與RNA pol II相關(guān)的基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）2 .組織或細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子EF1因子Isl-I因子Myo DI因子NF- K B因子DF3因子CEA啟動(dòng)子結(jié)合蛋白紅細(xì)胞胰島3細(xì)胞骨骼肌細(xì)胞B淋巴細(xì)胞乳腺癌細(xì)胞CEA陽(yáng)性的腫瘤細(xì)胞高溫環(huán)境cAMP血清中的生長(zhǎng)因子抗原感染與炎癥

17、反應(yīng)3 .可誘導(dǎo)（inducible）的轉(zhuǎn)錄因子熱休克轉(zhuǎn)錄因子（HSTF）cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREBF）血清應(yīng)激因子（SRF）CD28反應(yīng)元件結(jié)合蛋白激活蛋白2（AP-2）（三）轉(zhuǎn)錄因子上的幾種重要結(jié)構(gòu)域? 反式因子有兩個(gè)必需的結(jié)構(gòu)域1、 DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域- 螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋(Helix-turn-helix , H-T-H )一鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger)- 堿性-亮氨酸拉鏈(basic - leucine zipper)- 堿性-螺旋-環(huán)-螺旋(basic - helix /loop /helix , bHLH )? 螺旋 -轉(zhuǎn)角 -螺旋( helix-turn-helix

18、 ， HTH )? HTH的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)“螺旋被一個(gè)轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)分開(kāi)。? a螺旋由短肽鏈組成，肽鏈的氨基酸順序因不同的轉(zhuǎn)錄因子而不同。? 其中一個(gè)a螺旋識(shí)別特異的順式作用元件上的DNA序列，另一個(gè)a螺旋則結(jié)合在DNA 上，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。螺旋 -轉(zhuǎn)折 -螺旋結(jié)構(gòu)圖( 2)鋅指結(jié)構(gòu)定義：是一種常出現(xiàn)在 DNA 結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元。是由一個(gè)含有大約 30 個(gè)氨基酸的環(huán)和一個(gè)與環(huán)上的 4 個(gè) Cys 或 2 個(gè) Cys 和 2 個(gè) His 配位的 Zn 構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。? 鋅指的N-端部分形成3折疊結(jié)構(gòu)，C-端部分形成“螺旋結(jié)構(gòu)? 每個(gè)a螺旋有兩處識(shí)別特異的DNA序列；3個(gè)a螺旋結(jié)構(gòu)與一個(gè)

19、 DNA雙螺旋的深溝( major groove )結(jié)合，調(diào)控RNA 的轉(zhuǎn)錄。?a螺旋的氨基酸順序視不同的轉(zhuǎn)錄因子而不同。轉(zhuǎn)錄因子 SP1 ( GC 盒) 、連續(xù)的 3 個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)( 3)堿性 -亮氨酸拉鏈( Leucine zipper )? 蛋白質(zhì)之間的相互作用是生命現(xiàn)象的普遍規(guī)律之一，在基因表達(dá)調(diào)控中同樣具有重要意義。? 亮氨酸拉鏈?zhǔn)堑鞍踪|(zhì)二聚體化(蛋白質(zhì)相互作用的一種方式)的一種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。? 某些癌基因(如 c-jun ， v-jun ， c-fos， v-fos 等)表達(dá)產(chǎn)物通過(guò)亮氨酸拉鏈形成同源或異源二聚體，大大增加對(duì)DNA 的結(jié)合能力，調(diào)控基因表達(dá)。?亮氨酸拉鏈?zhǔn)且粋€(gè)高亮氨酸組成的a螺旋，每?jī)蓚€(gè)螺圈出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸，形成拉鏈的一邊。兩個(gè)蛋白質(zhì)因子的a螺旋通過(guò)亮氨酸的疏水作用結(jié)合在一起形成拉鏈結(jié)構(gòu) 在亮氨酸拉鏈近 N-端有富含堿性（帶正電荷）氨基酸殘基的區(qū)域，是 DNA的結(jié)合區(qū)。亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)? 二聚體?亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。? 肽鏈氨基端2030個(gè)富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與 DN