真核生物的基因表達(dá)調(diào)控

第13章真核生物的基因表達(dá)調(diào)控

Section13RegulationofGeneExpressioninEukaryotes1編輯ppt真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點真核生物表達(dá)調(diào)控與原核生物的不同：（1）染色體結(jié)構(gòu)不同；（2）原核生物具有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控并重的特點，真核生物目前已知的主要是正調(diào)控；（3）原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯是相偶聯(lián)的，真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時空上是分開的；（4）真核生物是多細(xì)胞的，在生物的個體發(fā)育過程中其基因表達(dá)在時間和空間上具有特異性，即細(xì)胞特異性或組織特異性表達(dá)。2編輯ppt真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因組結(jié)構(gòu)龐大：3×109bp、染色質(zhì)、染色體、核膜單順反子(monocistron)含有大量重復(fù)序列基因不連續(xù)性：斷裂基因（interruptedgene）、內(nèi)含子(intron)、外顯子(exon)非編碼區(qū)多于編碼序列(9:1)3編輯ppt多層次調(diào)控4編輯ppt染色體水平的調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)是核小體。在細(xì)胞中的狀態(tài)：（1）緊密壓縮（2）被阻遏狀態(tài)（3）有活性狀態(tài)（4）被激活狀態(tài)異染色質(zhì)化5編輯ppt6編輯ppt組蛋白對基因活性的影響占先模型（pre-emptivemodel）:認(rèn)為基因能否轉(zhuǎn)錄取決于特定位置上組蛋白和轉(zhuǎn)錄因子之間的不可逆競爭性結(jié)合。轉(zhuǎn)錄因子先結(jié)合在DNA的特定位點上，基因正常轉(zhuǎn)錄；反之，組蛋白先與DNA的特定位點結(jié)合，則形成核小體，轉(zhuǎn)錄停止。(2)動態(tài)模型（dynamicmodel）：認(rèn)為轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白處于動態(tài)競爭之中，基因轉(zhuǎn)錄前染色質(zhì)必須經(jīng)歷結(jié)構(gòu)上的改變，即染色質(zhì)重塑。在染色質(zhì)重塑過程中，某些轉(zhuǎn)錄因子可以在結(jié)合DNA的同時使核小體解體。7編輯ppt組蛋白的乙?；?去乙?；鞍椎囊阴；腿ヒ阴；堑鞍谆钚哉{(diào)節(jié)的一種重要的形式，通過乙?；蛉ヒ阴；?，改變了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)或是轉(zhuǎn)錄因子的活性，可以調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的活性。組蛋白的乙?；腿ヒ阴；艽蜷_或關(guān)閉某些基因，增強(qiáng)或抑制某些基因的表達(dá)。組蛋白的8個亞基上有32個潛在的乙?；稽c。組蛋白的乙酰化過程由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶催化完成。8編輯ppt組蛋白的乙?；?去乙?；纳锕δ埽海?）組蛋白乙?；瘜?dǎo)致組蛋白表面正電荷減少，組蛋白與DNA結(jié)合能力下降，引起核小體解聚并阻止核小體裝配，使得染色體處于松弛狀態(tài)，從而使轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶順利結(jié)合在基因的DNA上，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；（2）組蛋白乙?；窃S多轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白相互作用的一種“識別信號”，如H4組蛋白的乙?；饔脜⑴c了指示和吸引TFIID到相應(yīng)的啟動子上，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的裝配；（3）在細(xì)胞分裂期，組蛋白的乙酰化參與細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的調(diào)控；（4）組蛋白去乙酰化引起或維持基因沉默。9編輯ppt非組蛋白（NHP)非組蛋白大多數(shù)是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修飾的方式調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝、生長、增殖和變異等，并能在核內(nèi)接受外來信號，構(gòu)成核內(nèi)信息轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，形成一條調(diào)節(jié)基因表達(dá)的重要途徑。10編輯ppt核基質(zhì)(nucleamatrix)定義：核基質(zhì)是由3-30nm的微纖絲構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀骨架蛋白，主要成分包括DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶、核基質(zhì)蛋白以及多種DNA結(jié)合蛋白，并含有少量RNA。特點：（1）限定DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)域的大??；（2）各種核基質(zhì)蛋白之間相互作用，控制染色體組裝的密度程度，調(diào)節(jié)DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄；（3）可能存在著基因的某種增強(qiáng)元件；（4）可能有DNA復(fù)制的起始位點11編輯ppt核基質(zhì)為DNA復(fù)制提供結(jié)構(gòu)支架參與RNA的轉(zhuǎn)錄和加工12編輯ppt基因的丟失：不可逆某些真核生物隨細(xì)胞的分化丟失了染色體上的某些DNA片段的現(xiàn)象稱為基因丟失，如原核生物的大核體和小核體?；驍U(kuò)增：增加基因的拷貝數(shù)非洲爪蟾卵母細(xì)胞rRNA基因卵裂時，擴(kuò)增2000倍，達(dá)1012個核糖體。藥物：誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增；腫瘤細(xì)胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加?；蛑嘏?generearrangement)：如免疫球蛋白基因重排，多樣性。13編輯pptDNA水平上的調(diào)控DNA甲基化（DNAMethylation)

哺乳動物基因中的5‘--CG--3’序列中C—5的甲基化稱之CpG

甲基化。5‘--CG--3’序列是在表達(dá)基因位點處的染色體保持適當(dāng)包裝水平的重要化學(xué)修飾序列。當(dāng)基因序列中的CpG

密度達(dá)到10/100bp時稱為CpG

島。圖：持家基因的CpG島及其啟動子14編輯ppt甲基化酶構(gòu)建性甲基化酶：對CpG進(jìn)行甲基化修飾；維持性甲基化酶：把甲基化的特性遺傳給子代。15編輯pptDNA甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制甲基化(methylated)程度高，對基因轉(zhuǎn)錄抑制的調(diào)控能力越強(qiáng)。去甲基化(undermethylated)：基因轉(zhuǎn)錄激活基因組印記：哺乳動物的某些等位基因性狀的表達(dá)由于基因的來源不同而呈現(xiàn)出差異，甚至只表達(dá)單一親系來源（父源或母源）的基因版本。如人類的亨延頓氏舞蹈病，其基因突變是來自父源或母源基因的甲基化。16編輯ppt雌性胎生哺乳動物細(xì)胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機(jī)失活（異染色質(zhì)化）；異染色質(zhì)中的CpG被高度甲基化，基因不轉(zhuǎn)祿DNA甲基化與X染色體失活17編輯ppt甲基化影響DNA與蛋白質(zhì)的相互作用DNaseI的超敏感區(qū)域(1)組蛋白被一種序列特異性蛋白結(jié)合而被破壞，DNA裸露出來；（2）轉(zhuǎn)錄區(qū)域，DNA鏈打開而暴露；（3）活躍轉(zhuǎn)錄區(qū)（1）（2）（3）18編輯ppt甲基化以兩種方式調(diào)控基因的表達(dá)（1）甲基化增強(qiáng)或減弱DNA與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)之間的相互作用；（2）甲基化改變DNA的正常構(gòu)型。19編輯ppt真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

順式作用元件(cis-actingelement）反式作用因子(trans-actingFactor)20編輯ppt順式作用元件(cis-actingelement)順式作用元件是指具有調(diào)節(jié)功能的特定DNA序列或影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列，在基因的同一條DNA分子上；順式作用元件類型：（1）啟動子(promoter):3種類型；（2）增強(qiáng)子(enhancer)：（3）沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用。（4）絕緣子(insulator,boundaryelement):在真核基因及其調(diào)控區(qū)的一段DNA序列。21編輯ppt22編輯ppt23編輯ppt增強(qiáng)子Enhancer

在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點（上游或下游）的一段可增強(qiáng)啟動子活性的調(diào)控元件，大小為100-200bp。最初在DNA病毒SV40的基因組中發(fā)現(xiàn)。特性：（1）加強(qiáng)相連基因從正確起始位點的轉(zhuǎn)錄活性（2）增強(qiáng)子無論是在下游或在上游均可激活轉(zhuǎn)錄（3）無論是在下游或在上游，可在遠(yuǎn)離起始位點1Kb以上發(fā)揮作用（4）兩個啟動子串聯(lián)在一起時，增強(qiáng)子優(yōu)先激活距離最近的那一個24編輯ppt增強(qiáng)子核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)25編輯ppt26編輯ppt增強(qiáng)子的作用機(jī)理：（1）為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動子區(qū)的位點（2）改變?nèi)旧w的構(gòu)像沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用。絕緣子(insulator,boundaryelement):

在真核基因及其調(diào)控區(qū)的一段DNA序列

。功能是阻止激活或阻遏作用在染色質(zhì)上的傳遞，使染色質(zhì)的活性限定于結(jié)構(gòu)域之內(nèi)。27編輯ppt反式作用因子的結(jié)構(gòu)與功能（1）概念：為DNA結(jié)合蛋白，核內(nèi)蛋白，可使鄰近基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）。（2）通用或基本轉(zhuǎn)錄因子—RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子。如：TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等。（3）特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)—個別基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子.如：OCT-2：在淋巴細(xì)胞中特異性表達(dá)，識別Ig基因的啟動子和增強(qiáng)子。28編輯ppt29編輯ppt反式作用因子的結(jié)構(gòu)特點（1）三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA-bindingdomain)；轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(transcriptionalactivationdomain)；二聚化結(jié)構(gòu)域。（2）能識別并結(jié)合順式作用元件(cis-actingelement)（3）正調(diào)控與負(fù)調(diào)控30編輯ppt31編輯ppt反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式（一）DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA-bandingdomain)鋅指結(jié)構(gòu)(zincfingermotif)同源結(jié)構(gòu)域(homodomain,HD)：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helixdomain)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)(leucinezipper)螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH)堿性α螺旋(alkalineα-helix)32編輯ppt鋅指結(jié)構(gòu)域Thezincfingerdomain鋅指結(jié)構(gòu)有2種形式：C2H2zincfinger和C4zincfingerC2H2zincfinger：由12個氨基酸組成的環(huán)，通過2個半胱氨酸（C，Cys）和2個組氨酸（H，His）殘基固定，這4個殘基與Zn2+在空間上形成一個四面體結(jié)構(gòu)。一般情況下需要3個或更多的C2H2型鋅指才能與DNA結(jié)合，如在TFIIA有9個重復(fù)，轉(zhuǎn)錄因子SP1有3個重復(fù)。C4zincfinger：Zn2+與4個半胱氨酸（C，Cys）結(jié)合，存在于類固醇激素受體轉(zhuǎn)錄因子中。33編輯pptβ-折疊α-螺旋半胱氨酸Cys半胱氨酸Cys堿性保守氨基酸組氨酸His34編輯pptThezincfingerdomain

鋅指結(jié)構(gòu)域半胱氨酸組氨酸β-折疊α-螺旋35編輯pptThehelix-turn-helixdomain

螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域特點：DNA結(jié)合蛋白包含有60個氨基酸的同源域（

Homeodomain），由同源框序列編碼（homeobox）。果蠅的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域由4個-helices（螺旋）組成，螺旋Ⅱ和Ⅲ保持了適當(dāng)?shù)慕嵌?，并被一個特異的β-turn（轉(zhuǎn)角）所分隔。這些結(jié)構(gòu)域在λ噬菌體的Cro阻抑物、乳糖、和色氨酸阻抑物中存在。也存在與真核生物中，包括人類。α識別螺旋處于DNA的大溝中，并與DNA發(fā)生作用兩個同源域因子BicoidandAntennapedia

的識別螺旋可以互換，也就交換了他們的DNA結(jié)合特性。36編輯ppt亮氨酸拉鏈(leucinezipper)

結(jié)構(gòu)域（1）富含堿性的氨基酸殘基（2）通常與亮氨酸拉鏈或HLH（helix-loop-helix)基序中的一個聯(lián)合在一起，稱為堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）或堿性HLH蛋白（3）蛋白的二聚作用使2個堿性結(jié)構(gòu)域相鄰，進(jìn)而可與DNA發(fā)生作用。37編輯ppt亮氨酸拉鏈(leucinezipper)38編輯ppt39編輯ppt螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域Thehelix-loop-helixdomain，HLH結(jié)構(gòu)域。如：MyoD蛋白?？勺冞B接區(qū)DNA特異位點DNA特異位點40編輯ppt螺旋-環(huán)-螺旋DNA特異位點41編輯ppt(1)酸性激活結(jié)構(gòu)域Acidicactivationdomains酵母Gcn4和Gal4、哺乳動物糖皮質(zhì)激素受體、皰疹病毒激活子的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域均含有高比例的酸性氨基酸，稱為酸性激活結(jié)構(gòu)域

(2)富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域Prolin-richdomain在c-Jun、AP2和OCT-2等轉(zhuǎn)錄因子中發(fā)現(xiàn)富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域，這個結(jié)構(gòu)域可以激活轉(zhuǎn)錄。(3)富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域Glutamine-richdomains在SP1轉(zhuǎn)錄因子的2個激活區(qū)域上發(fā)現(xiàn)富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域與果蠅觸角蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域可以互換。

反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式（續(xù)）（二）轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(transcriptionalactivationdomain)42編輯ppt（三）二聚體結(jié)構(gòu)域Dimerizationdomains亮氨酸拉鏈（Leucinezipper）的肽鏈上每隔7個殘基就有一個疏水的亮氨酸殘基，這些殘基位于DNA結(jié)合域的C端α-螺旋上，形成一個疏水表面，疏水表面的相互作用，形成了二聚體——卷曲的卷曲結(jié)構(gòu)（coiled-coilstructure）如bZIP轉(zhuǎn)錄因子。43編輯ppt5′端加帽(cap)和3′端多聚腺苷酸化(polyA)的調(diào)控意義使mRNA穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)錄過程中不被降解mRNA的選擇剪接(alternativesplicing)對基因表達(dá)的調(diào)控外顯子選擇(optionalexon)、內(nèi)含子選擇(optionalintron)、互斥外顯子、內(nèi)部剪接位點mRNA運輸?shù)目刂普婧嘶蜣D(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

44編輯ppt45編輯ppt46編輯ppt47編輯ppt翻譯水平的調(diào)控5’端UTR(非翻譯區(qū)）結(jié)構(gòu)與翻譯起始的調(diào)節(jié)

5‘帽子結(jié)構(gòu)的甲基化：1）保護(hù)mRNA免遭5’外切酶的降解。2）為mRNA的從核中輸出提供轉(zhuǎn)運信號。3）提高翻譯模板的穩(wěn)定性和翻譯效率。翻譯起始因子的調(diào)控：eIF-2-4F的磷酸化能提高翻譯速度eIF-2α的磷酸化能抑制翻譯起始48編輯ppt翻譯起始因子(eIF2)的調(diào)控49編輯ppt3‘UTR（非翻譯區(qū)）結(jié)構(gòu)與mRNA穩(wěn)定性多聚腺苷酸尾的調(diào)節(jié)作用polyA尾巴的功能：1）穩(wěn)定mRNA分子，抵抗3’-端外切酶攻擊的作用。2）有助于細(xì)胞質(zhì)中成熟mRNA的翻譯。3）3‘

UTR區(qū)域具有保護(hù)5‘端帽子結(jié)構(gòu)的作用。50編輯ppt3‘UTR序列及結(jié)構(gòu)對mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)球蛋白mRNA的3‘URT序列含有許多CCUCC重復(fù)蛋白序列，這些序列發(fā)生突變將降低mRNA的穩(wěn)定性。某些不穩(wěn)定的mRNA起3‘UTR含有50nt的共有序列AUUUA，稱為ARE。ARE結(jié)合蛋白可以聚集外切多聚腺苷酸酶和內(nèi)切酶，加速mRNA的降解。51編輯ppt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、酰基化通過信號肽(signalpeptide)分揀、運輸、定位翻譯后水平的調(diào)控52編輯ppt翻譯調(diào)控Translationalcontrol在原核生物中,不同基因的翻譯水平受下列因素的調(diào)控:原核生物自身產(chǎn)生的較短反義RNA與mRNA結(jié)合,抑制了翻譯;多順反子mRNA對核酸酶的相對穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)翻譯的進(jìn)程;mRNA的自身結(jié)合,阻止了其與核糖體附著的蛋白質(zhì)結(jié)合.53編輯ppt在真核生物中，真核生物通常用改變基因的轉(zhuǎn)錄水平和RNA的加工來控制特定的蛋白質(zhì)的合成量，但也有一些調(diào)控發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，如：（1）蛋白質(zhì)結(jié)合掩蓋了mRNA，阻礙了翻譯（2）mRNA的3‘非編碼區(qū)存在5’–AUUUA—3‘的重復(fù)序列，使得mRNA不穩(wěn)定，降低翻譯效率。2.多蛋白Polyproteins

單一翻譯產(chǎn)物被切割形成兩個或多個獨立蛋白，稱為多蛋白54編輯ppt3.蛋白質(zhì)定位Proteintargeting蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的定位是取決于生物自身蛋白質(zhì)的特性、相對長短以及其氨基酸的序列。這些序列可以決定蛋白質(zhì)是否是被分泌、轉(zhuǎn)運至核內(nèi)還是轉(zhuǎn)運至其他細(xì)胞器內(nèi)。原核生物的蛋白定位：分泌（右圖）55編輯ppt真核生物的蛋白質(zhì)定位：有兩條途徑（1）（2）56編輯ppt第1條途徑Post-translationaltargetingpathways57編輯ppt第2條途