第七 章 基因的表達(dá)與調(diào)控(下)

基因的表達(dá)與調(diào)控(下)—真核基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律真核基因

表達(dá)調(diào)控

主要步驟①什么是誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號(hào)?②基因調(diào)控主要是在哪一步(模板DNA的轉(zhuǎn)錄、mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成)實(shí)現(xiàn)的?③不同水平基因調(diào)控的分子機(jī)制是什么?真核細(xì)胞與原核細(xì)胞差異一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條//多條多肽鏈DNA是裸露？組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合不轉(zhuǎn)錄的DNA序列，重復(fù)幾百次甚至上百萬(wàn)次；內(nèi)含子。DNA片段重排，增加基因的拷貝數(shù)，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小//多，上游不遠(yuǎn)處//遠(yuǎn)離核心啟動(dòng)子達(dá)幾百個(gè)甚至上千個(gè)堿基對(duì)。直接影響啟動(dòng)子區(qū)對(duì)于RNA聚合酶的接受程度，而是通過(guò)改變整個(gè)所控制基因5'上游區(qū)DNA構(gòu)型來(lái)影響它與RNA聚合酶的結(jié)合能力。穿過(guò)核膜?成熟和剪接過(guò)程基因轉(zhuǎn)錄翻譯DNA的空間結(jié)構(gòu)rRNA成熟過(guò)程分析45S30S復(fù)雜的多基因家族發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族真核基因的斷裂結(jié)構(gòu)外顯子(exon)：編碼序列內(nèi)含子(intron)：非編碼序列斷裂基因(interruptedgene)在一個(gè)結(jié)構(gòu)基因中，編碼某一蛋白質(zhì)不同區(qū)域的各個(gè)外顯子并不連續(xù)排列在一起，而常常被長(zhǎng)度不等的內(nèi)含子所隔離，形成鑲嵌排列的斷裂方式。高等真核基因核DNA序列中對(duì)應(yīng)于外顯子的部分可能還不到10％哺乳動(dòng)物二氧葉酸還原酶的基因結(jié)構(gòu)示意圖一些基因，如SV40T抗原基因，一旦除去內(nèi)含子，成熟mRNA運(yùn)入細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程就完全被阻斷幾乎每個(gè)內(nèi)含子5‘端起始的兩個(gè)堿基都是GT，而3’端最后兩個(gè)堿基總是AG，由于這兩個(gè)堿基的高度保守性和廣泛性，有人把它稱為GT—AG法則，即：5‘CT……AG3’。由于內(nèi)含于兩末端的序列不同，可定向標(biāo)明內(nèi)含子的兩個(gè)末端，根據(jù)剪接加工過(guò)程沿內(nèi)含子自左向右進(jìn)行的原則，一般將內(nèi)含子5'端接頭序列稱為左剪接位點(diǎn)(供體位點(diǎn)donorsite)，3'端接頭序列稱為右剪接位點(diǎn)(受體位點(diǎn)aceeptorsite)外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控

一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過(guò)組成型剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA，編碼一個(gè)多肽

L

L

S

真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控用來(lái)合成RNA的DNA模板也會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，從而控制基因表達(dá)和生物的發(fā)育。基因丟失基因擴(kuò)增基因重排基因移位消除或變換某些基因并改變它們的活性。與轉(zhuǎn)錄及翻譯水平的調(diào)控是不同的，它使基因組發(fā)生了改變?！伴_放”型活性染色質(zhì)真核基因的活躍轉(zhuǎn)錄是在常染色質(zhì)上進(jìn)行的。轉(zhuǎn)錄發(fā)生之前，染色質(zhì)常常會(huì)在特定的區(qū)域被解旋松弛，形成自由DNA。這種變化可能包括核小體結(jié)構(gòu)的消除或改變，DNA本身局部結(jié)構(gòu)的變化，從右旋型變?yōu)樽笮?Z—DNA)等，這些變化可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄?；驍U(kuò)增基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象，它使細(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?；蛑嘏排c變換將一個(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，這種方式被稱為基因重排。免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因—由B淋巴細(xì)胞合成的T—細(xì)胞受體基因的表達(dá)—由T淋巴細(xì)胞合成“交配型轉(zhuǎn)換”酵母細(xì)胞能通過(guò)“交配型轉(zhuǎn)換”(matingtypeswitching)的過(guò)程改變自己的性別。也稱為基因轉(zhuǎn)換(geneconversion)。以降低在遺傳學(xué)上的風(fēng)險(xiǎn)。DNA甲基化與基因活性的調(diào)控DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一，這一修飾途徑可能存在于所有高等生物中并與基因表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)研究證實(shí)，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導(dǎo)致了人體1／3以上由于堿基轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病。DNA甲基化與基因活性的調(diào)控在真核生物中，5—甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXgG、CCA／TGG和GATC中因?yàn)楦叩壬顲pG二核苷酸序列中的C通常是甲基化的，極易自發(fā)脫氨，生成胸腺嘧啶，所以CpG二核苷酸序列出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于按核苷酸組成計(jì)算出的頻率。由于這些CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，這段序列往往被稱為CpG島真核生物甲基化日常型甲基轉(zhuǎn)移酶，主要在甲基化母鏈(模板鏈)指導(dǎo)下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對(duì)應(yīng)的胞嘧啶甲基化。該酶催化特異性極強(qiáng)，對(duì)半甲基化的DNA有較高的親和力，使新生的半甲基化DNA迅速甲基化，從而保證DNA復(fù)制及細(xì)胞分裂后甲基化模式不變。從頭合成型甲基轉(zhuǎn)移酶催未甲基化的CpG成為mCpG，它不需要母鏈指導(dǎo)，但速度很慢。DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。研究表明，當(dāng)組蛋白H1與含CCGG序列的甲基化或非甲基化DNA分別形成復(fù)合體時(shí)，DNA的構(gòu)型存在著很大的差別，甲基化達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生從常規(guī)的B—DNA向Z—DNA的過(guò)渡。由于Z—DNA結(jié)構(gòu)收縮，螺旋加深，使許多蛋白質(zhì)因子賴以結(jié)合的元件縮入大溝而不利于基因轉(zhuǎn)錄的起始。有實(shí)驗(yàn)用序列相同但甲基化水平不同的DNA為材料，比較其作為RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄模板的活性，發(fā)現(xiàn)甲基的引入不利于模板與RNA聚合酶的結(jié)合，降低了其體外轉(zhuǎn)錄活性。啟動(dòng)區(qū)DNA分子上的甲基化密度與基因轉(zhuǎn)錄受抑制的程度密切相關(guān)

DNA甲基化與X染色體失活X染色體失活是發(fā)育過(guò)程中獨(dú)特的調(diào)節(jié)機(jī)制。雌性胎生哺乳類動(dòng)物細(xì)胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機(jī)失活，以確保與只有一條X染色體的雄性個(gè)體內(nèi)X染色體基因的劑量相同一旦發(fā)生X染色體失活，這個(gè)信息便能夠穩(wěn)定地傳遞給子代細(xì)胞，使該細(xì)胞有絲分裂所產(chǎn)生的后代都保持同一條X染色體失活。真核基因的轉(zhuǎn)錄順式作用元件(cis—actingelement)同一DNA分子中具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能的特異DNA序列反式作用因子(trans-actingfactor，又稱跨域作用因子)真核基因順式作用元件啟動(dòng)子──真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，每一組件含7~20bp的DNA序列。增強(qiáng)子──遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1~30kb）、決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無(wú)關(guān)。沉默子──某些基因含有的一種負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。真核基因

一般構(gòu)造示意圖核心啟動(dòng)子上游啟動(dòng)子元件-25~-30-70增強(qiáng)子特性：增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10~200倍，有的可以增加上千倍，如經(jīng)人巨大細(xì)胞病毒增強(qiáng)子增強(qiáng)后的珠蛋白基因表達(dá)頻率比該基因正常轉(zhuǎn)錄高600~1000倍；增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無(wú)關(guān)不論增強(qiáng)子以什么方向排列(5'→3'或3'→5')，甚至與靶基因相距3kbp或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)；大多為重復(fù)序列一般長(zhǎng)約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個(gè)核心序列：(G)TGGA／TA／TA／T(G)，該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需的；其增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性說(shuō)明增強(qiáng)子只有與特定蛋白質(zhì)(轉(zhuǎn)錄因子)相互作用才能發(fā)揮功能；沒(méi)有基因?qū)Ｒ恍栽S多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控如金屬硫蛋白基因啟動(dòng)區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子，就可以對(duì)環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。反式作用因子參與所有或某些轉(zhuǎn)錄階段的RNA聚合酶亞基，不具有基因特異性；與轉(zhuǎn)錄的起始或終止有關(guān)的輔助因子，不具有基因特異性；與特異調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。它們中有些被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的一部分，因?yàn)樗谢虼蟛糠只虻膯?dòng)區(qū)都含有這一特異序列。更多的則是基因或啟動(dòng)子特異性結(jié)合調(diào)控蛋白，它們是起始某個(gè)(類)基因轉(zhuǎn)錄所必需的。螺旋—轉(zhuǎn)折—螺旋(helix—turn—helix，H—T—H)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中有至少兩個(gè)α螺旋，中間由短側(cè)鏈氨基酸殘基形成“轉(zhuǎn)折”近羧基端的α螺旋中氨基酸殘基的替換會(huì)影響該蛋白質(zhì)在DNA雙螺旋大溝中的結(jié)合控制酵母交配型MAT基因座以及果蠅體節(jié)發(fā)育的調(diào)節(jié)基因(antp、ftz、ubx)等同源盒(homeobox)基因所編碼的蛋白都有H—T—H結(jié)構(gòu)。與DNA相互作用時(shí)，同源域蛋白的第一、二兩個(gè)螺旋往往靠在外側(cè)，其第三個(gè)螺旋則與DNA大溝相結(jié)合，并通過(guò)其N—端的多余臂與DNA的小溝相結(jié)合鋅指(zincfinger)結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)：鋅指、鋅鈕(twist)和鋅簇(cluster)其特有的半胱氨酸和組氨酸殘基之間氨基酸殘基數(shù)基本恒定，有鋅參與時(shí)才具備轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性。由于結(jié)合在大溝中重復(fù)出現(xiàn)的α螺旋幾乎聯(lián)成一線，這類蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合很牢固，特異性也很高。重復(fù)的鋅指樣結(jié)構(gòu)都是以鋅將一個(gè)α螺旋與一個(gè)反向平行β片層的基部以鋅原子為中心，通過(guò)與一對(duì)半胱氨酸和一對(duì)組氨酸之間形成配位鍵相連接，鋅指環(huán)上突出的賴氨酸、精氨酸參與DNA的結(jié)合。鋅指(zincfinger)結(jié)構(gòu)類固醇激素受體家族含有連續(xù)的兩個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)鋅原子將兩個(gè)α螺旋裝配成類似H—T—H的結(jié)構(gòu)，再以同源或異源性二聚體的方式將兩個(gè)d螺旋結(jié)合在相鄰的兩個(gè)大溝中堿性—亮氨酸拉鏈(basic-leucinezipper)肝臟、小腸上皮、脂肪細(xì)胞以及某些腦細(xì)胞中存在的一大類C／EBP家族蛋白質(zhì)，它們的特征是能夠與CCAAT盒和病毒的增強(qiáng)子結(jié)合。C／EBP家族蛋白的羧基端35個(gè)氨基酸殘基具有能形成α螺旋的特點(diǎn)，其中每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，這就導(dǎo)致第7個(gè)亮氨酸殘基都在螺旋的同一方向出現(xiàn)。由于這類蛋白質(zhì)都以二聚體形式與DNA結(jié)合，兩個(gè)蛋白質(zhì)α螺旋上的亮氨酸一側(cè)是形成拉鏈型二聚體的基礎(chǔ)。然而，亮氨酸拉鏈區(qū)并不能直接結(jié)合DNA，只有肽鏈氨基端20-30個(gè)富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。若不形成二聚體，該堿性區(qū)對(duì)DNA的親和力明顯降低。所以，這類蛋白質(zhì)的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)嶋H是以堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域整體作為基礎(chǔ)的其它反式作用因子堿性—螺旋—環(huán)—螺旋(basic—helix／loop／helix)即bHLH結(jié)構(gòu)。bHLH類蛋白