第八章真核生物基因表達調控

第八章真核生物基因的表達調控第一節(jié)概述真核基因表達調控的特點

發(fā)育調控

、正調控、組織細胞特異性、多層次DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平調控翻譯后水平調控調控層次核酸分子間的互作蛋白質與核酸分子間的互作蛋白質分子間的互作調控機理蛋白質如何識別DNA特定序列？非特異性結合：蛋白正電區(qū)域（由帶正電的氨基酸側鏈組成），與DNA主鏈的負電荷產生靜電作用，二者距離遠，作用力弱特異性結合：蛋白質分子與DNA靶位點形成氫鍵，使二者距離縮短（1.0~1.5nm），作用力增強P239－245真核生物的基因結構與轉錄活性基因家族（簡單多基因家族和復雜多基因家族）真核基因的斷裂結構（組成型剪接和選擇型剪接）基因簇與基因家族（Genecluster、Genefamily）基因家族（Genefamily）:真核生物的基因組中許多來源相同，結構相似、功能相關的一組基因①簡單多基因家族：5SrRNA基因家族復雜多基因家族：各個成員并不都是相同的

往往以串聯(lián)重復基因簇的形式出現(xiàn)目前可分為三類：各成員之間有高度的序列一致性串聯(lián)重復基因簇的特點：拷貝數(shù)高幾十～幾百非轉錄的間隔區(qū)短而一致正好滿足組蛋白基因、rRNA基因和tRNA的基因產物被細胞大量需要基因簇（genecluster）：基因家族的各成員緊密成簇，排列成大段的串聯(lián)重復單位，定位于染色體的特殊區(qū)域③由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類珠蛋白的基因家族割裂基因（splittinggene）不連續(xù)基因（discontinuousgene）

斷裂基因（interruptedgene）概念：編碼某一RNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的序列隔開外顯子與內含子的可變調控組成型剪接：一個基因的轉錄產物只產生一種成熟mRNA，編碼一個多肽選擇性剪接：一個基因的轉錄產物可以通過不同的剪接方式產生不同的mRNA，翻譯成不同蛋白質第一節(jié)DNA水平的調控基因丟失染色質結構對基因表達的調控基因擴增基因重排DNA甲基化1、基因丟失：在細胞分化過程中，通過丟掉某些基因而去除其活性，不可逆。某些原生動物，線蟲、昆蟲、甲殼類動物，體細胞常丟掉部分或整條染色體。蛔蟲胚胎發(fā)育過程中，有27％DNA丟失。在高等動植物中，尚未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

2、染色質結構對基因表達的調控：真核基因的活躍轉錄是在常染色質上進行的有基因表達活性的染色質DNA對DNaseⅠ更敏感，即DNaseⅠ的敏感性可作為該基因轉錄活性的標志。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3、基因擴增：細胞內某些特定基因的拷貝數(shù)專一性增加的現(xiàn)象為滿足正常的生長發(fā)育需要

兩棲類和昆蟲卵母細胞rRNA基因的擴增果蠅濾泡細胞卵殼蛋白基因的擴增

外界環(huán)境因素引起基因擴增

藥物誘導抗藥性基因的擴增；腫瘤細胞中原癌基因拷貝數(shù)異常增加。原發(fā)性的視網膜細胞瘤中，含myc原癌基因的DNA區(qū)段擴增10－200倍。許多致癌劑可誘導DNA擴增。4、基因重排：將一個基因從遠離啟動子的地方移動到距它很近的位點而啟動轉錄特異性調節(jié)，發(fā)生在特殊的細胞類型中釀酒酵母接合型哺乳動物免疫球蛋白編碼區(qū)的連接無序的，發(fā)生在腫瘤細胞基因組中DNA水平的調控5、DNA甲基化：DNA甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導基因活化和表達5-mC，N6-mA，7-mG“CpG島”甲基化程度高，基因表達降低去甲基化，基因表達增加甲基化酶類型：日常型甲基轉移酶：催化半甲基化，甲基化母鏈為模板指導，甲基化迅速從頭合成型甲基轉移酶：催化未甲基化，無需母鏈指導，速度慢DNA甲基化抑制基因轉錄機制：甲基化達到一定程度時，B-DNA轉變?yōu)閆-DNA，Z-DNA結構收縮，螺旋加深，大溝（蛋白質因子識別）不存在，不利于轉錄起始。第二節(jié)轉錄水平的調控Britten-Davidson模型順式作用元件反式作用因子特異性轉錄調控的機制轉錄起始復合物的形成轉錄因子(transcriptionfactor,TF)；啟動子與TF結合后，才能被RNApol識別與結合；-25～-30區(qū)：TATA盒轉錄起始的調控真核生物基因的表達調控一、Britten-Davidson模型影響基因表達活性的DNA序列非編碼序列包括：啟動子、增強子、沉默子等沉默子(silencer)：負性調節(jié)元件，起阻遏作用二、順式作用元件(cis-actingelement)1、啟動子核心啟動子：TATAbox

上游啟動子元件：CAATbox和GCbox2、增強子促進轉錄，不具有啟動子專一性功能與方向，位置無關遠距離發(fā)揮作用(100~500bp，10Kb)組織或細胞特異性必須有兩個(以上)增強子成份緊密相連

增強子的特點P257感染真核細胞的病毒DNA大多具有增強子，可被寄主細胞蛋白質激活。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）：具有糖皮質激素基因的增強子，能在被類固醇激活的細胞（如乳腺上皮細胞）中旺盛生長。病毒有寄主范圍，因它有組織特異和物種特異的增強子三、反式作用因子(trans-actingfactor)反式作用因子三個功能結構域

1.DNA結合域(DNA-bindingdomain)；2.轉錄激活域(transcriptionalactivationdomain)；3.結合其它蛋白的結合域為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）。1）螺旋-轉角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）2）鋅指結構（zincfinger）3）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucinezipper，bZIP）4）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic-helix/loop/helix，HLH）5）同源域蛋白（homeodomain，HD）1、反式作用因子DNA結合域的模式（motif

）1）HTH,Helix-turn-helix2個螺旋被一個轉角隔開識別螺旋，與DNA在大溝中特異結合λ阻遏蛋白CRP酵母接合型調控蛋白α1，α2許多調控蛋白都有HTHCys2/His2,經典的鋅指結構~23aaCys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-HisCys、His與Zn++結合形成4面體結構，中部芳香族氨基酸保守，疏水串聯(lián)重復排列，兩指間7-8aa鋅指數(shù)目多少不等2）鋅指結構(zincfingermotif)：兩種SP1TFIIIA344aa，N端與DNA結合9個鋅指，每個～30aa與5srRNA基因內啟動子（50bp)結合Cys-X2-Cys-X13—Cys-X2-CysZn++與4個Cys結合DNA結合序列較短，對稱無大量重復性鋅指例如GAL4，酵母的轉錄因子哺乳類的固醇類激素受體Cys2/Cys2zincfinger-COOH，每隔6個氨基酸出現(xiàn)一個Leu，所有Leu出現(xiàn)在同一側面，成直線排列，形成疏水面-NH2，富含堿性氨基酸，堿性DNA結合域依靠Leu的疏水作用，2個helix相互纏繞，形成拉鏈結構3）bzip（P262）40～50aa含2個-helix（15~16aa）,由連接區(qū)（12~28aa）連接；兩親性；通過疏水面作用形成二聚體－NH2端為堿性結合區(qū)，16aa4）bHLH（Helix-loop-helix）MyoD-DNA缺乏堿性區(qū)的蛋白質，即使形成（同、異）二聚體，也無法同DNA結合zyj278最早在果蠅中發(fā)現(xiàn)同形異位現(xiàn)象(homeosis):果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎發(fā)育的基因從酵母到人類都存在5）同源域蛋白Homeodomain有3個—helixH1與H2平行H2與H3形成HTHmotifH3位于大溝中，與DNA特異結合N末端位于小溝中，與DNA接觸真核生物基因的表達調控酸性α-螺旋結構域如GCN4，GAL4富含谷氨酰胺結構域如SP1,AP2,oct1,oct2富含脯氨酸結構域如CTF/NF1不規(guī)則的，含雙性-helix2、轉錄激活結構域(transcriptionalactivationdomain)反式作用因子的作用方式成環(huán)、扭曲、滑動等反式作用因子的組合式調控作用(combinatorialgeneregulation)使有限的反式作用因子可以調控不同基因的表達3、反式作用因子與順式作用元件的結合成環(huán)constitutiveexpressioninducibleexpression4、反式作用因子的種類TF(I，II，III）：通用轉錄因子(基礎因子)：RNA聚合酶結合啟動子所必需的蛋白因子轉錄調控因子(上游因子)：識別并結合在上游元件UPE上，提高轉錄效率，活性不受調控誘導型因子：結合在應答元件上，活性受調控，調控基因的特異性表達SP1C末端DNA結合域,3個Zn指

2個活化結構域,rich-Gln在大溝中結合GCbox，一個SP1結合～20bp,無組織特異性，作用無方向性，可提高轉錄10-25倍最初在SV40中發(fā)現(xiàn)，普遍存在于脊椎動物中，每個細胞中有6萬個ThespecifictranscriptionfactorSP1bindstoGCrichsequenceinTATAlesspromoterglutamine-richdomainsGC250150SP1110TBPzincfingermotifs一種元件可被一種以上的TF識別！一個特定蛋白質能識別不止一種序列！CTF結合CCAATbox，作用于大溝，無組織專一性每個細胞中有30萬個有許多蛋白質可與CAAT結合

NF1,腺病毒復制原點的核因子1C/EBP,大鼠肝中CCAAT結合蛋白

CTF家族

CP家族

真核生物的轉錄因子，雖然具有較高程度的獨立性，仍然可能與原核生物的σ因子起著相同作用，即核心酶識別特異序列，并與之結合。所以沒有大量轉錄因子，RNA聚合酶II本身不可能識別真核中數(shù)量巨大的啟動子。含有短的共有序列；在不同基因中，拷貝相似，有時有多個拷貝；與轉錄起點距離不固定，一般位于上游元件或增強子內；常是啟動子的上游元件或增強子四、轉錄水平特異性表達的機制1、應答元件Responseelement

：與誘導型轉錄因子結合的DNA序列。Eukaryoticresponseelements.ResponseElementTranscriptionFactorConsensusSequenceMREmetalCGNCCCGGNCNCCRECREB(cAMP)TGACGTCAEREEstrogenreceptor雌激素AGGTCANNNTGACCTGREGlucocorticoidreceptor糖皮質激素AGAACANNNTGTTCTHSEHeatshockfactorGAANNTTCNNGAATRE佛波酯TGACTCASRESerumresponsefactor血漿反應因子CC(A/T)6GGEREEthylene乙烯AGCCGCCT*(A/T)6

meanssixAorT;N=any.2、誘導型轉錄因子活性調控合成后即有活性：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3、熱休克應答（P281）HSP（heatshockprotein)aa序列高度保守蛋白質功能高度保守是一種分子伴侶chaperonehsp基因核苷酸序列高度保守，如人與E.Coli40～60％多基因家族，多拷貝，成簇存在大部分無內含子，如hsp70，轉錄后不須剪切即可產生成熟mRNA，適應需要位于hsp基因上游核心序列nGAAn首尾排列：－GAANNTTCNNGAA－

HSE幾乎存在于所有的HSP中，其在進化中的保守性是熱休克應答普遍性的分子基礎之一把HSE連接在其它基因的上游，該基因可獲得熱誘導性。HSE（heatshockelement）HSF,heatshockfactor，

HSE結合蛋白，熱激轉錄因子DNA結合區(qū)：3個螺旋，形成疏水區(qū)多聚化區(qū)：4個Leu拉鏈，三聚體有活性C末端（452～488）保守區(qū)熱休克應答的調控機制常溫下，HSF為單體，不與DNA結合（無活性）熱激后，多聚化，與HSE結合大量變性和錯誤折疊的蛋白質出現(xiàn),與hsp70,hsp90競爭結合,使拉鏈區(qū)暴露,HSF解離，形成HSF單體多聚化與HSE結合產生HSPHSP積累，可與HSF結合脫離HSE熱激熱休克應答現(xiàn)象普遍存在熱休克基因家族是迄今被發(fā)現(xiàn)的最保守的遺傳系統(tǒng)熱休克反應可被多種因素誘導，應激反應shen256真核生物基因的表達調控真核生物基因的表達調控rRNA的加工成熟（核仁）：分子內的切割（初級轉錄產物45S前體）化學修飾（原核生物堿基甲基化，真核生物核糖甲基化）tRNA的加工成熟：初級轉錄產物進入細胞質，先經核苷修飾，生成45S前體，再剪接成熟第三節(jié)轉錄后水平的調控mRNA的加工成熟：5’端加帽(cap)和3’端加尾(polyA)使mRNA穩(wěn)定，在轉錄過程中不被降解真核生物轉錄后加工的多樣性：簡單轉錄單位