AdvancedMGlecture第六章真核基因表達調(diào)控

高級分子遺傳學(xué)AdvancedMolecularGenetics目前一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點EukaryoticGeneExpression

andRegulation第六章真核基因表達調(diào)控目前二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點TheNobelPrizeinphysiologyormedicine1983巴巴拉·麥克林托克目前三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點TheNobelPrizeinphysiologyormedicine1993

發(fā)現(xiàn)斷裂基因(splitgenes)目前四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點TheNobelPrizeinChemistry2004

forthediscoveryofubiquitin(泛素)-mediatedproteolysis

蛋白質(zhì)降解是一個有序的過程目前五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點羅杰?科恩伯格(Roger

Kornberg),斯坦福大學(xué)教授，因?qū)Α罢婧宿D(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)所作的研究”而榮獲2006年諾貝爾化學(xué)獎。科恩伯格發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成染色體的基本單位——核小體TheNobelPrizeinChemistry2006目前六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點AndrewZ.FireCraigC.Mello目前七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點AlbertLaskerBasicMedicalResearchAwardVictorAmbros,UniversityofMassachusettsMedicalSchool2008年艾伯特·拉斯克醫(yī)學(xué)研究獎

discoveriesthatrevealedanunanticipatedworldoftinyRNAsthatregulategenefunctioninplantsandanimals

目前八頁\總數(shù)六十五頁\編于九點表觀遺傳學(xué)(epigenetics)熱點諾貝爾獎？？請大家查閱表觀遺傳學(xué)相關(guān)的文獻，并作總結(jié)。目前九頁\總數(shù)六十五頁\編于九點本章主要內(nèi)容基因表達與調(diào)控的基本概念與原理轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptionalregulation):GeneticlevelEpigeneticlevel轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控(post-transcriptionalregulation)：RNAinterference（RNAi）Proteindegradation（Ubiquitin/proteasome）目前十頁\總數(shù)六十五頁\編于九點第一部分

基本概念與原理BasicConceptsandPrinciples目前十一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點Genome(cell’srepertoireofDNA)Transcriptome(cell’srepertoireofRNAtranscripts)Proteome(cell’srepertoireofproteins)單個基因單個細胞中心法則目前十二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點一、基因表達的概念基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。基因表達(geneexpression)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子或RNA分子的過程?；虮磉_調(diào)控(generegulation,orregulationofgeneexpression)

基因表達是受嚴(yán)格調(diào)控的。目前十三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點RegulationofGeneExpressionChromatinepigeneticcontrolRNAsilencingProteindegradation一般而言的基因表達調(diào)控范疇目前十四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。目前十五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點人體發(fā)育過程中不同類型β-珠蛋白的含量變化目前十六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。目前十七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點ExpressionpatternofBARD1InSituhybridization目前十八頁\總數(shù)六十五頁\編于九點四種母源影響基因的mRNA和蛋白沿果蠅胚胎前-后軸分布的濃度變化圖APBICOIDCAUDALHUNCHBACKNANOS目前十九頁\總數(shù)六十五頁\編于九點FactsIdenticalgenome:VirtuallyeverycellinanorganismcontainsacompletesetofgenesSpatialspecificity:ButtheyarenotallturnedonineverycellortissueTemporalspecificity:EachcellofanorganismexpressesadistinctivesubsetofgenesatdifferenttimeordevelopmentalstageTightregulation:Duringdevelopmentdifferentcellsexpressdifferentsetsofgenesinapreciselyregulatedfashion目前二十頁\總數(shù)六十五頁\編于九點三、基因表達的方式按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：1.組成性表達(constitutiveexpression)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。----指那些在細胞結(jié)構(gòu)和代謝途徑中必不可少的基因(如rRNA,actin,tubulin)----通常高水平表達。目前二十一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點2.誘導(dǎo)和阻遏表達在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(inducible

genes)。如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegenes)。基因表達調(diào)控大多數(shù)是對這些基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯速率的調(diào)節(jié),從而導(dǎo)致其編碼產(chǎn)物的水平發(fā)生改變，影響其功能。目前二十二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點四、基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義（一）維持細胞增殖、分化（二）維持個體生長、發(fā)育（三）適應(yīng)環(huán)境變化目前二十三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點1.Transcripts（轉(zhuǎn)錄本）beginandendbeyondthecodingregion(5’UTRand3’UTR)2.Theprimarytranscriptisprocessedby: 5’capping 3’formation/polyA

splicing3.Maturetranscriptsaretransportedtothecytoplasmfortranslation一般而言，基因表達調(diào)控主要發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)，既mRNA合成的多少transcription目前二十四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點五、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基本要素（一）RNA聚合酶(RNAPolymerase)（二）特異DNA序列(cis-actingelements)（三）調(diào)節(jié)蛋白(trans-actingfactors)GeneexpressionregulationatthelevelofDNA

(transcriptionalregulation) --highlysequence-dependent --variedregulationfordifferentgenes目前二十五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點cis-actingelements:promoters/regulatorysequencesofgenestrans-actingfactors:proteinsandRNAsthatbindcis-elementsandpromoteorrepressgeneexpression目前二十六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點

(一)RNA聚合酶啟動子、調(diào)節(jié)序列和調(diào)節(jié)蛋白通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。RNAPolI:rRNA,相對活性50-70%RNAPolII:mRNA,相對活性20-40%RNAPolIII:tRNA,相對活性10%RNAPolIV:smallncRNA,相對活性??目前二十七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點

原核生物的特異DNA序列

原核生物的基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)的。

操縱子（operon）是由功能上相關(guān)聯(lián)的多個編碼序列（2個以上)及其上游的調(diào)控序列（包括操縱序列、啟動序列和調(diào)節(jié)序列）等成簇串聯(lián)在一起，構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。

（二）特異DNA序列AB編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)目前二十八頁\總數(shù)六十五頁\編于九點操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白目前二十九頁\總數(shù)六十五頁\編于九點真核生物的特異DNA序列真核生物基因組中含有可以調(diào)控自身基因表達活性的特異DNA序列，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。

順式作用元件能夠被轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識別和結(jié)合，從而影響基因表達活性。啟動子(promoter)

順式作用元件又分增強子(enhancer)沉默子(silencer)En/SiProDNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點目前三十頁\總數(shù)六十五頁\編于九點目前三十一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點（三）調(diào)節(jié)蛋白原核生物的調(diào)節(jié)蛋白（3類）特異因子---DNA上的結(jié)合部位promoter

決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結(jié)合能力；

(RNA聚合酶的－因子)阻遏蛋白---DNA上的結(jié)合部位operator

通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄；（由調(diào)節(jié)基因表達的阻遏蛋白）激活蛋白---DNA上的結(jié)合部位regulatoryelement與啟動子上游DNA序列結(jié)合，促進RNA聚合酶與啟動序列結(jié)合，促進基因轉(zhuǎn)錄。（CAP:分解代謝物基因活化蛋白）目前三十二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點

2.真核基因的調(diào)節(jié)蛋白

反式作用因子

(trans-actingfactor)

能直接或間接與順式作用元件相互作用，進而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式作用因子。

按其功能不同，常有以下三類：

基本轉(zhuǎn)錄因子:識別promoter元件轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子:識別enhancer或silencer共調(diào)節(jié)因子：不能進行DNA-蛋白質(zhì)相互作用目前三十三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物polⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPTATADNATAF:TBP

associatedfactorsholoenzyme（1）基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactor)

是指能夠直接或間接與啟動子核心序列TATA盒特異結(jié)合、并啟動轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白。TBP:TATA-boxbindingproteinTFII:polIIassociatedTF目前三十四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點(2)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(transcriptionfactor,TF)

這類調(diào)節(jié)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點的上游序列和遠端的增強子元件，通過DNA－蛋白質(zhì)相互作用而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。決定不同基因的時間、空間特異性表達.

轉(zhuǎn)錄激活因子(transcriptionalactivator)

轉(zhuǎn)錄阻遏因子(transcriptionalrepressor)（3）共調(diào)節(jié)因子(transcriptionalregulator/co-factor)首先與轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生蛋白－蛋白相互作用，進而影響它們的分子構(gòu)象，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性,本身無DNA結(jié)合活性。如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用——共激活因子；與轉(zhuǎn)錄阻遏因子有協(xié)同作用——共阻遏因子。目前三十五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點（一）真核生物基因的特點（1）基因組結(jié)構(gòu)龐大。人類的單倍體基因組由3X109的核苷酸組成，含有大約3萬個基因。（2）形成染色體結(jié)構(gòu)。真核生物的基因組是以DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體結(jié)構(gòu)形式而存在于細胞核。（3）單順反子。真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子，即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個RNA轉(zhuǎn)錄本。（4）重復(fù)序列。真核生物基因普遍存在重復(fù)序列和異染色質(zhì)。（5）斷裂基因。有外顯子和內(nèi)含子。（6）大多數(shù)為非編碼區(qū)。六、真核基因表達調(diào)控的基本原理目前三十六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點Typicalstructureofaneukaryoticgeneenhancerorsilencer5’

UTR3’

UTRUTR：untranslatedregion目前三十七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點（二）真核基因表達的多級調(diào)控組蛋白修飾DNA甲基化轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后修飾蛋白質(zhì)降解目前三十八頁\總數(shù)六十五頁\編于九點真核基因表達調(diào)控的主要步驟染色質(zhì)去組裝蛋白質(zhì)修飾生化功能目前三十九頁\總數(shù)六十五頁\編于九點1.染色質(zhì)水平的調(diào)節(jié)（三）真核基因表達調(diào)控的機理

基因表達時（常常在調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近）對核酸酶極度敏感TF目前四十頁\總數(shù)六十五頁\編于九點染色質(zhì)水平調(diào)節(jié)主要依賴于輔助調(diào)節(jié)因子對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進行修飾。輔助調(diào)節(jié)子通過三種方式對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)起調(diào)節(jié)作用：1）依賴于ATP的核小體重建復(fù)合體（ADRC）：它們依靠水解ATP所產(chǎn)生的能量來改變核小體的相對位置，將DNA序列暴露出來，使轉(zhuǎn)錄因子能夠與之結(jié)合。這是一個物理過程，染色質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化，只改變核小體的相對位置。2）組蛋白修飾：主要通過共價修飾組蛋白的末端來改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)構(gòu)成染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生修飾時，就會影響染色質(zhì)的構(gòu)型，而結(jié)構(gòu)的變化引起基因轉(zhuǎn)錄活性的變化。3）DNA甲基化：真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化。一般而言，DNA甲基化抑制基因表達。

目前四十一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點組蛋白發(fā)生修飾，堿基暴露等原因而引起核小體結(jié)構(gòu)改變，使核小體不穩(wěn)定性增加。Sequence-independentlinkerhistones:controlDNAcompactionandaccessibilitytotrans-actingfactorspost-translationalmodificationsof

histonetails:controlcompactionofDNAandserveasdockingsitesfortrans-actingfactorsacK:acetyl-Lys;meR:methyl-Arg.meK:methyl-Lys;PS:phospho-Ser.uK:ubiquitinatedLys目前四十二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點DNA甲基化對基因轉(zhuǎn)錄的抑制作用目前四十三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點2.DNA水平的調(diào)節(jié)真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。目前四十四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是復(fù)雜的、多樣的*不同的DNA元件組合可產(chǎn)生多種類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)方式。*多種轉(zhuǎn)錄因子又可結(jié)合相同或不同的DNA元件。*轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件結(jié)合后，對轉(zhuǎn)錄激活過程所產(chǎn)生的效果各異，有正性調(diào)節(jié)或負性調(diào)節(jié)之分。目前四十五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點HypotheticalmodelforthecontrolofAmy32ba-amylasegeneexpressioninbarleyaleuronecells.A,Negativeregulators(HvWRKY38,BPBF,HRT,andHvMCB1)bindtotheircorrespondingcis-actingelementsintheabsenceofGA.B,Positiveregulators(RAMY,SAD,HvGAMYB,andHvMYBS3)bindtocorrespondingcis-actingelementsinthepresenceofGA.Doublelinesbetweenproteinsindicatethattheirphysicalinteractionshavebeendetected.Thearrowdenotesthetranscriptionstartsite.目前四十六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點目前四十七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點3.RNA水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工：真核基因大多為斷裂基因，內(nèi)含子和外顯子一起被轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)物經(jīng)剪接（包括可變剪切,alternative

splicing）、加帽、加尾等加工修飾，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA。RNA降解：包括非特異性降解（RNase,

exosome)和特異性降解(NMD，RNAi)。目前四十八頁\總數(shù)六十五頁\編于九點可變剪接導(dǎo)致α-淀粉酶基因在不同組織中的表達差異目前四十九頁\總數(shù)六十五頁\編于九點siRNAmiRNARNAactsasaregulatorofgeneexpression----genesilencing目前五十頁\總數(shù)六十五頁\編于九點4.蛋白水平的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成:ribosome蛋白翻譯，構(gòu)像折疊，細胞內(nèi)定位蛋白質(zhì)修飾:包括磷酸化(phosphorylation),乙?；?acetylation)，甲基化(methylation),糖基化(glycosylation),etc。蛋白降解：包括非特異性降解（protease,

peroxisome，vacuole)和特異性降解(Ubiquitin/proteasomesystem。目前五十一頁\總數(shù)六十五頁\編于九點第一部分小結(jié)及進展目前五十二頁\總數(shù)六十五頁\編于九點真核生物與原核生物具有相似的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制1.調(diào)控的原理是相同的:signals(信號)activatorsandrepressors(激活蛋白和阻遏蛋白)recruitmentandallostery,cooperativebinding(招募，異構(gòu)和協(xié)同結(jié)合)2.基因表達調(diào)控的步驟是相似的，轉(zhuǎn)錄起始是最普遍的調(diào)控步驟。

目前五十三頁\總數(shù)六十五頁\編于九點真核生物與原核生物表達調(diào)控的差異真核mRNA前體的要進行剪接；真核轉(zhuǎn)錄機器更復(fù)雜；核小體及其修飾體影響轉(zhuǎn)錄機器與基因的接觸；真核基因有更多調(diào)節(jié)序列，具有更多的調(diào)節(jié)蛋白來控制轉(zhuǎn)錄。目前五十四頁\總數(shù)六十五頁\編于九點多細胞生物中含有更多的調(diào)節(jié)結(jié)合位點（順勢作用元件）對應(yīng)著更多的信號整合目前五十五頁\總數(shù)六十五頁\編于九點增強子(Enhancer):一個假定的結(jié)合位點，可以與一些負責(zé)激活基因轉(zhuǎn)錄的蛋白(調(diào)節(jié)蛋白)相結(jié)合.選擇性的增強子(Alternativeenhancer)可以與不同的調(diào)節(jié)蛋白，并在不同信號下，調(diào)節(jié)同一個基因在不同時間和部位表達.遠端的轉(zhuǎn)錄激活在真核生物中是一種更為普遍的調(diào)控模式.絕緣子(Insulators)or臨界元件

(boundaryelements)：也是位于增強子和啟動子之間的調(diào)節(jié)序列.它們可以阻斷啟動子與增強子結(jié)合激活因子間的聯(lián)系，導(dǎo)致激活因子工作紊亂.目前五十六頁\總數(shù)六十五頁\編于九點關(guān)于基因表達調(diào)控歷史上曾經(jīng)的概念?經(jīng)典遺傳學(xué):→gene=aunitofinheritancethattransmittedasinglecharacteristicfromparenttooffspring?DNA編碼的基因可以看做一個被串在一條長線生的不連續(xù)的珠子,其上的一個基因編碼一個蛋白....but,isthisconceptofone-gene-one-proteinoutdated?目前五十七頁\總數(shù)六十五頁\編于九點目前關(guān)于基因表達調(diào)控相關(guān)的概念DNA上的編碼的信息比原先認(rèn)識的更為復(fù)雜：?選擇性的啟動子(Alternativepromoters)?RNAsplicing?Non-codingrepetitiveDNA?個別基因的產(chǎn)物具有分享相同的DNA序列(SeparategeneproductswithoverlappingDNAsequences)?Antisensegenetranscripts?多個基因產(chǎn)物結(jié)合形成一個蛋白(Multiplegeneproductscombinetoformasingleprotein)?Genes