生物化學(xué)課件基因表達(dá)調(diào)控2

第十八章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression于敏minyu@DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology,ShanghaiMedicalCollege,FudanUniversitySummaryofProkaryoticGeneExpressionRegulationGeneexpressioninprokayotesiscontrolledbytheoperonmodelTheoperoncanbeswitchedoffbyaproteinrepressorbybingtotheoperatorTherepressoristheproductofaseparateregulatorygeneSomeoperonsareinduced

whenthemetabolicpathwayisneeded--InducibleOperonsSomeoperonsarerepressedwhenthemetabolicpathwayisnolongerneeded--RepressibleOperonsAninducibleoperonisonethatisusuallyoff;amoleculecalledaninducerinactivatestherepressorandturnsontranscriptionThelacoperonisaninducibleoperonAmoleculecalledaninducerinactivatestherepressortoturnthelacoperononThelacoperonsarealsosubjecttopositivecontrolthroughastimulatoryprotein,suchascataboliteactivatorprotein(CAP),anactivatoroftranscriptionArepressibleoperonisonethatisusuallyon;bindingofarepressortotheoperatorshutsofftranscriptionThetrpoperonisarepressibleoperonThetrpoperonisregulatedusingattenuationmechanismatthetranslationlevel.

第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn)①真核基因組比原核基因組大得多②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復(fù)序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制；而真核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協(xié)調(diào)表達(dá)⑤真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達(dá)；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。

圖18-5真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)活性染色質(zhì)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點(diǎn)（hypersensitivesite)當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點(diǎn)（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對核酸酶極為敏感(二)轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體Organization/packagingofDNANucleus=5-10m(0.01mm)Diploidgenome=6.4x109bp0.34nm/bpDNA=2meters(2000mm)ChromatinRemodeling

Ineukaryotes,bindingofhistonestoformchromatingenerallyrepressesgeneexpression,makingspecificrepressorproteinsunnecessary.DNAnucleosomesmustbe“unwound”orremodeledtoallowtranscription.ChromatinremodelingcomplexesAcetylationorMethylation組蛋白修飾對于基因表達(dá)影響的機(jī)制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修飾征集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。組蛋白氨基酸殘基位點(diǎn)修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙?；b配H4Lys-16乙?；诵◇w裝配H4Lys-16乙酰化FlyX激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響ChromatinremodelingFigure18-4CondensedchromatinDecondensedchromatinAcetylgrouponhistone（三）

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)

：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個基因組中，人們將這些GC含量可達(dá)60%，長度為300-3000bp的區(qū)段成為CpG島。表觀遺傳（epigeneticinheritance)

：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機(jī)制是細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化DNAMethylationDNAmethylation,theadditionofmethylgroupstocertainbasesinDNA,isassociatedwithreducedtranscriptioninsomespeciesDNAmethylationcancauselong-terminactivationofgenesincellulardifferentiationEpigeneticInheritanceAlthoughthechromatinmodificationsjustdiscusseddonotalterDNAsequence,theymaybepassedtofuturegenerationsofcellsTheinheritanceoftraitstransmittedbymechanismsnotdirectlyinvolvingthenucleotidesequenceiscalledepigeneticinheritance三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位順式作用元件

指可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列

Sequence:TATAAAALocation:-25~-30bpFunction:ItisthebindingsiteforTFIID,whichisrequiredforRNApolymerasebinding.Itcontrolstheveracityandfrequencyoftranscriptionalinitiation.TATAboxSequence:GCCAATLocation:~-70bpFunction:ItisthebindingsiteforCTF1(CAAT-bindingtranscriptionfactor1)andC/EBP(enhancerbindingprotein).CAATbox

Sequence:

GGGCGGLocation:-30~-110bpFunction:ItisthebindingsiteforaproteincalledSp1.

GCbox圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機(jī)制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。A、B序列就是調(diào)節(jié)這個基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件（一）真核生物啟動子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核生物復(fù)雜真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)酵母真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)（二）增強(qiáng)子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強(qiáng)子的功能及其作用特征如下：與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠(yuǎn)距離實(shí)施調(diào)節(jié)作用作用與序列的方向性無關(guān)需要有啟動子才能發(fā)揮作用ItisaDNAsequencethatcandeterminethetemporalandspatialspecificitiesofexpressionandincreasethepromoteractivity.

Enhancer（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是一類基因表達(dá)的負(fù)性調(diào)控元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用

Itisanegativeregulationelement.Itwillrepressthetranscriptiononceinteractedwithspecificproteins.

Silencer四、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor,TF）。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由其編碼基因表達(dá)后，進(jìn)入細(xì)胞核，通過識別、結(jié)合特異的順式作用元件而增強(qiáng)或降低相應(yīng)基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱順式作用。由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。

反式作用因子(trans-actingfactor)

圖18-8反式與順式作用蛋白通用轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子TranscriptionfactorsControllingtheexpressionofeukaryoticgenesrequirestranscriptionfactors.generaltranscriptionfactorsarerequiredfortranscriptioninitiationrequiredforproperbindingofRNApolymerasetotheDNAspecifictranscriptionfactorsincreasetranscriptionincertaincellsorinresponsetosignals轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨(dú)立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,Bzip)

（a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團(tuán)結(jié)合

五、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動態(tài)構(gòu)成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式（一）啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性（二）調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性啟動序列或啟動子的核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率真核RNA聚合酶II不能單獨(dú)識別、結(jié)合啟動子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II形成一個功能性的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。圖18-12轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBPBasalTranscriptionCombinatorialGeneRegulationCoactivatorsandMediatorsarealsorequiredforthefunctionoftranscriptionfactors.CoactivatorsandmediatorsbindtotranscriptionactivatorsandbindtootherpartsofthetranscriptionapparatusAnexampleofacoactivatoristhemediatorcomplex,consistingof20ormoreproteinsthatbindtoactivatorsandtothecarboxy-terminaldomainofRNApolymeraseII.CombinatorialModelofGeneExpressionLiverRegulatoryTFsincreasetranscriptionactivityBrainNoreg.TFsinthiscellforalbuminenhancer六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mRNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）mRNA穩(wěn)定性的影響真核生物基因表達(dá)5-端的帽子結(jié)構(gòu)可以增加mRNA的穩(wěn)定性3-端的poly(A)尾結(jié)構(gòu)防止mRNA降解RNA無論是在核內(nèi)進(jìn)行加工、由胞核運(yùn)至胞漿，還是在胞漿內(nèi)停留（至降解），都是通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白顆粒(ribonucleoprotein,RNP)進(jìn)行的。與原核基因表達(dá)調(diào)節(jié)一樣，某些小分子RNA也可調(diào)節(jié)真核基因表達(dá)。這些RNA都是非編碼RNA（noncodingRNA,ncRNA）。如：具有催化活性的RNA（核酶）、細(xì)胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人們廣泛關(guān)注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜，（二）一些非編碼小分子RNA可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默（三）mRNA前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因表達(dá)真核生物基因所轉(zhuǎn)錄出的mRNA前體含有交替連接的內(nèi)含子和外顯子。通常狀態(tài)下，mRNA前體經(jīng)過剔除內(nèi)含子序列后成為一個成熟的mRNA，并被翻譯成為一條相應(yīng)的多肽鏈。但是，參與拼接的外顯子可以不按照其在基因組內(nèi)的線性分布次序拼接，內(nèi)含子也可以不完全被切除，由此產(chǎn)生了選擇性剪接七、真核基因表達(dá)在翻譯以及翻譯后仍可受到調(diào)控（一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進(jìn)行蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。1．翻譯起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻譯起始2．eIF-4E及eIF-4E結(jié)合蛋白的磷酸化激活翻譯起始帽結(jié)合蛋白eIF-4E與mRNA帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合是翻譯起始的限速步驟，磷酸化修飾及與抑制物蛋白的結(jié)合均可調(diào)節(jié)eIF-4E的活性。磷酸化的eIF-4E與帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合力是非磷酸化的eIF-4E的4倍，因而可提高翻譯的效率。（二）RNA結(jié)合蛋白參與了對翻譯起始的調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結(jié)合的蛋白質(zhì)。基因表達(dá)的許多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都有RBP的參與，如前述轉(zhuǎn)錄終止、RNA剪接、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA胞漿內(nèi)穩(wěn)定性控制以及翻譯起始等。（三）對翻譯產(chǎn)物水平及活性的調(diào)節(jié)可以快速調(diào)控基因表達(dá)新合成蛋白質(zhì)的半衰期長短是決定蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的重要影響因素。因此，通過對新生肽鏈的水解和運(yùn)輸，可以控制蛋白質(zhì)的濃度在特定的部位或亞細(xì)胞器保持在合適的水平。許多蛋白質(zhì)需要在合成后經(jīng)過特定的修飾才具有功能活性。通過對蛋白質(zhì)的可逆的磷酸化、甲基化、?；揎棧梢赃_(dá)到調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能的作用，是基因表達(dá)的快速調(diào)節(jié)方式。RNAInterferenceRNAinterferenceinvolvestheuseofsmallRNAmoleculesTheenzymeDicerchopsdoublestrandedRNAintosmallpiecesofRNAmicro-RNAsbindtocomplementaryRNAtopreventtranslationsmallinterferingRNAsdegradeparticularmRNAsbeforetranslationThephenomenonofinhibitionofgeneexpressionbyRNAmoleculesiscalledRNAinterference(RNAi)siRNAsandmiRNAsaresimilarbutformfromdifferentRNAprecursorsRNA沉默(RNAsilencing)是普遍存在于植物、動物(RNAi)和真菌(quelling)等真核生物細(xì)胞中的一種抵抗外源遺傳因子(病毒、轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)基因)及調(diào)控基因表達(dá)的防御機(jī)制，可特異而高效的降解靶mRNA，以保持生物體自身基因組的完整和穩(wěn)定。Theleftpetunia(牽?；ǎ﹊swild-type;therightpetuniascontaintransgenesthatinducesuppressionofbothtransgeneandendogenousgeneexpression,giving