第六章基因表達(dá)調(diào)控(二)

人工基因組的設(shè)計(jì)與合成李炳志bzli@2013-031中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA復(fù)制2溫故知新Lac操縱子Trp操縱子3第六章

基因表達(dá)調(diào)控(二)李炳志bzli@2013-034第六章基因表達(dá)調(diào)控基本概念原核表達(dá)調(diào)控真核表達(dá)調(diào)控5根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類(lèi)：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱(chēng)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升降時(shí)，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(chēng)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。真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類(lèi)6真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）基因組大，基因多，存在大量重復(fù)序列，大部分與組蛋白和非組蛋白結(jié)合在一起；（2）基因主要以單順?lè)醋有问酱嬖?；?）多數(shù)基因是斷裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表達(dá)的調(diào)控位點(diǎn)多，位置多樣化；（6）部分基因組序列存在重排、擴(kuò)增、丟失等規(guī)律性變化。7真核基因表達(dá)調(diào)控的層次8真核生物基因表達(dá)調(diào)控的層次1、DNA水平調(diào)節(jié)2、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)3、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)4、翻譯水平調(diào)節(jié)5、翻譯后加工的調(diào)節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解的調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)9

真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控●基因丟失基因擴(kuò)增基因重排DNA甲基化狀態(tài)染色體結(jié)構(gòu)●●●●10基因丟失：在細(xì)胞分化過(guò)程中，可以通過(guò)丟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(lèi)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(lèi)似的基因丟失現(xiàn)象。細(xì)胞全能性：在多細(xì)胞生物中每個(gè)體細(xì)胞的細(xì)胞核具有個(gè)體發(fā)育的全部基因，只要條件許可，都可發(fā)育成完整的個(gè)體。11出生日期：1996年7月5日出生地點(diǎn)：英國(guó)愛(ài)丁堡市羅斯林研究所死亡日期：2003年2月14日死亡原因：被確診患進(jìn)行性肺病后處以安樂(lè)死創(chuàng)造者：伊恩·維爾穆特及其領(lǐng)導(dǎo)的小組基因父親：無(wú)基因母親：一只芬蘭多塞特白面綿羊線粒體母親：一只蘇格蘭黑臉羊生育母親：另一只蘇格蘭黑臉羊子女：生育6名，存活5名12基因擴(kuò)增：基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專(zhuān)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。如果蠅的不切離多次復(fù)制導(dǎo)致的基因擴(kuò)增現(xiàn)象。13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。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在14多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成正比。對(duì)于一給定的物種，C是單倍體基因組中的DNA質(zhì)量。15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(chēng)為基因重排。通過(guò)基因重排調(diào)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)?；蛑嘏牛?61718DNA的甲基化狀態(tài)：19甲基化酶:1、維持性甲基化酶(日常型甲基化酶)：在DNA復(fù)制時(shí),可識(shí)別新合成的半甲基化雙鏈,并將甲基加到新鏈的非甲基化胞嘧啶上;2、從頭合成型甲基化酶：不需要甲基化的DNA模板作指導(dǎo),可以直接使非甲基化的DNA甲基化20原核細(xì)胞的DNA甲基化1、限制修飾系統(tǒng)的甲基化（1）限制外源DNA：

限制性內(nèi)切酶切斷外源DNA（保護(hù)機(jī)制）（2）保護(hù)自身DNA：通過(guò)內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)特定堿基的甲基化保護(hù)自身DNA212、Dam甲基化（1）DNA腺嘌呤甲基化酶：識(shí)別序列GATC（2）作用：

a、錯(cuò)配修復(fù)：識(shí)別母鏈，修正子鏈

b、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)：如抑制轉(zhuǎn)座酶基因的轉(zhuǎn)錄，抑制轉(zhuǎn)座22真核細(xì)胞DNA甲基化1、甲基化部位：胞嘧啶（C）5-甲基胞嘧啶（5-mC）（1）脊椎動(dòng)物：5’-CG-3’

（2）植物（兩種基序）：5’-CG-3’，5’-CNG-3’23（3）CpG島：富含CpG的一段DNA，一般位于基因啟動(dòng)子附近特點(diǎn)：

a、1~2kb；

b、位于基因5’端；

c、富含CpG二核苷酸基序24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，稱(chēng)為CpG島252、甲基化的作用：（1）基因表達(dá)調(diào)控的一種方式（2）抑制外源基因的表達(dá)（3）抑制轉(zhuǎn)座子、反轉(zhuǎn)座子的活動(dòng)263、DNA甲基化與基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)與甲基化呈負(fù)相關(guān)

DNA甲基化轉(zhuǎn)錄抑制作用機(jī)理（1）識(shí)別位點(diǎn)中胞嘧啶被甲基化，轉(zhuǎn)錄因子不能與其結(jié)合（2）特異性識(shí)別甲基化DNA的蛋白（如MeCP1）競(jìng)爭(zhēng)性地抑制了轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合（3）DNA甲基化導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和DNA構(gòu)象的改變274、DNA甲基化與基因組印跡

（1）基因組印跡：來(lái)源于父母本的一對(duì)等位基因表達(dá)不同（如X染色體失活）（2）基因組印跡的機(jī)制--DNA高度甲基化28染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄常染色質(zhì)（euchromatin）---基因可以轉(zhuǎn)錄，也稱(chēng)活性染色質(zhì)異染色質(zhì)（hetrochromatin）---基因不能轉(zhuǎn)錄

活性基因置于異染色質(zhì)內(nèi)會(huì)失活位置效應(yīng)（Positioneffect）：指基因轉(zhuǎn)移到基因組上新位置而引起基因表達(dá)的改變29異染色質(zhì)化：基因組某些區(qū)域被組裝成高度壓縮的異染色質(zhì)的過(guò)程巴氏小體：哺乳類(lèi)雌體細(xì)胞1條X染色體異染色質(zhì)化（雌性X染色體基因表達(dá)的蛋白質(zhì)可能是雄性的兩倍）劑量補(bǔ)償：女性兩條X染色體的作用與男性一條X染色體基因產(chǎn)物劑量平衡的現(xiàn)象30活性染色質(zhì)的主要特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上：活性染色質(zhì)上具有DNaseI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）31活性染色質(zhì)上具有DNaseI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。32活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（matrixattachmentregion，MAR）。MAR一般位于DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。DNA放射環(huán)：由直徑為25～30nm的DNA纖絲放射狀折疊排列成約250nm左右的染色單體絲。在外源基因兩端接上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。3334真核轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式調(diào)控元件(cis-regulatingelement)

啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉寂子、絕緣子、減弱子、應(yīng)答元件反式作用因子(trans-actingfactor)

是通過(guò)識(shí)別和結(jié)合順式調(diào)控元件的核心序列而調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)．

35反式作用元件的結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域連接區(qū)36

轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合域幾種常見(jiàn)基序

鋅指(zincfinger)

螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix)二聚體結(jié)構(gòu)域：

螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix，HLH)

亮氨酸拉鏈(Leucinezipper) 37鋅指(zincfinger) C2H2型：由肽鏈的保守序列中的一對(duì)組氨酸和一對(duì)半胱氨酸(His2／Cys2)與鋅離子形成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)有兩條β鏈和一個(gè)α螺旋，α螺旋區(qū)域上含有保守的堿性氨基酸，負(fù)責(zé)與DNA結(jié)合如TFIIIA、與GC盒結(jié)合的SPlC2H2型38C4型：

2對(duì)半胱氨酸(cys2／cys2)與一個(gè)鋅離子形成配位鍵，如類(lèi)固醇激素受體家族

3940螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix)

兩段螺旋被一短的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)分開(kāi)多種果蠅胚胎發(fā)生的調(diào)節(jié)蛋白，同源異型蛋白

13241亮氨酸拉鏈(Leucinezipper)由一段每7個(gè)氨基酸殘基就有一個(gè)Leu的伸展肽鏈組成，這些周期性出現(xiàn)的Leu都位于α-螺旋的同一側(cè)面，形成一個(gè)疏水的表面，因此兩條均含Leu拉鏈基序的蛋白質(zhì)通過(guò)亮氨酸側(cè)鏈的疏水作用形成二聚體。

LLLLLLLL++++++++

NH2NH2COOHCOOH肽鏈氨基端富含堿性氨基酸殘基區(qū)，可與DNA結(jié)合。42堿性結(jié)構(gòu)域富含堿性氨基酸殘基在許多DNA結(jié)合蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)通常與其他的二聚體結(jié)構(gòu)域如亮氨酸拉鏈或HLH基序中的一個(gè)聯(lián)合在一起，結(jié)果被稱(chēng)為堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）或堿性HLH（bHLH）蛋白。蛋白質(zhì)二聚體使兩個(gè)堿性結(jié)構(gòu)域相鄰進(jìn)而可與DNA發(fā)生作用。43N-端堿性結(jié)構(gòu)域形成一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，象一個(gè)夾子夾在DNA上44

++

++

++螺旋-環(huán)-螺旋(Helix-loop-Helix)

HLH由2個(gè)α螺旋間隔一個(gè)非螺旋的環(huán)(loop)組成，通過(guò)C端α螺旋的疏水作用形成二聚體堿性結(jié)構(gòu)域堿性HLH蛋白與堿性亮氨酸拉鏈這種異二聚體的形成增加了轉(zhuǎn)錄因子的多樣性和復(fù)雜性NH2NH2COOHCOOH45轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域

是反式作用因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域，一般由DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域外的30-100個(gè)氨基酸組成1．酸性結(jié)構(gòu)域也叫做“酸斑（acidblobs）”或“帶負(fù)電的長(zhǎng)鏈（negativenoodles）”富含酸性氨基酸存在于許多轉(zhuǎn)錄因子的激活結(jié)構(gòu)域中，如：yeastGcn4andGal4,

哺乳動(dòng)物的糖皮質(zhì)激素受體的兩個(gè)激活結(jié)構(gòu)域462．富含谷氨酰胺激活結(jié)構(gòu)域：

富含谷氨酰胺

（SP1，OCT－1，OCT

－2，SRF等）

3．富含脯氨酸激活結(jié)構(gòu)域

富含脯氨酸有一個(gè)能激活轉(zhuǎn)錄的連續(xù)脯氨酸殘基鏈

（AP－2、Jun、SRF

等）474、轉(zhuǎn)錄因子的活化途徑：（1）需要時(shí)蛋白被合成，但很快被降解，不能積累。（2）通過(guò)與配體結(jié)合被活化。（3）通過(guò)磷酸化被活化。（4）結(jié)合DNA亞基的加入，與帶有轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物。（5）通過(guò)抑制因子的磷酸化，暴露隱蔽的活化區(qū)域。（6）通過(guò)去除一個(gè)抑制蛋白，刺激轉(zhuǎn)錄因子入核。48真核轉(zhuǎn)錄后調(diào)控可變剪切反式剪切49mRNA前體的可變剪接mRNA前體通過(guò)不同方式的剪接，可由一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物產(chǎn)生出不同的成熟mRNA，從而翻譯出不同的蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為可變剪接（alternativesplicing）或選擇性剪接。來(lái)自一個(gè)基因的mRNA前體因可變剪接產(chǎn)生多種成熟mRNA，翻譯出不同的蛋白質(zhì)，或形成一組相似的蛋白質(zhì)家族，都可稱(chēng)為同工型蛋白質(zhì)（isoform）。5051順式剪接剪接過(guò)程一般發(fā)生同一個(gè)RNA分子的內(nèi)部，即通過(guò)剪接將一個(gè)RNA分子內(nèi)的內(nèi)含子剪掉，使外顯子連接在一起，這種剪接方式稱(chēng)為順式剪接（cis-splicing）。52兩種不同來(lái)源的RNA前體分子的內(nèi)含子之間具有互補(bǔ)序列時(shí)，發(fā)生反式剪接（trans-splicing）。反式剪接53翻譯水平調(diào)控翻譯水平的調(diào)控是真核生物基因表達(dá)多級(jí)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)之一。真核生物翻譯水平調(diào)控最普遍的機(jī)制是起始因子的磷酸化。mRNA結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性與翻譯控制掩蔽mRNA（maskmRNA）：蛋白質(zhì)結(jié)合到mRNA上并阻止翻譯。54uORF調(diào)控翻譯過(guò)程uORF：上游開(kāi)放讀碼框。酵母GCN4基因的mRNA的翻譯收到四個(gè)uORF的調(diào)控。55基因沉默基因沉默（genesilencing）：指生物體中特定基因由于種種原因不能表達(dá)或表達(dá)量很低的遺傳現(xiàn)象。轉(zhuǎn)錄水平的基因沉默(TGS)轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默(PTGS)DNAmRNAProteinDNAmRNAProtein56是由dsRNA介導(dǎo)的，通過(guò)目標(biāo)mRNA的降解而使特定基因沉默的現(xiàn)象。

RNA沉默DNAmRNAProteinRNA