真核生物的基因表达调控

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1、1第第13章章 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控 Section 13 Regulation of Gene Expression in Eukaryotes2u真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点真核生物表达调控与原核生物的不同：真核生物表达调控与原核生物的不同：（1）染色体结构不同；）染色体结构不同；（2）原核生物具有正调控和负调控并重的特点，真核）原核生物具有正调控和负调控并重的特点，真核生物目前已知的主要是正调控；生物目前已知的主要是正调控；（3）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核生物的）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核生物的转录和翻译在时空上是分开的

2、；转录和翻译在时空上是分开的；（4）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。或组织特异性表达。3真核基因组结构特点真核基因组结构特点真核基因组结构庞大：真核基因组结构庞大：3109bp、染色质、染色体、核膜、染色质、染色体、核膜单顺反子单顺反子(monocistron)含有大量重复序列含有大量重复序列 基因不连续性：断裂基因（基因不连续性：断裂基因（interrupted gene）、内含）、内含子子(intron)、外显子外显子(ex

3、on)非编码区多于编码序列非编码区多于编码序列(9:1)4多多层层次次调调控控5u染色体水平的调控染色体水平的调控染色质的结构：基本结构是核小体。在细胞中的状态：（1）紧密压缩（2）被阻遏状态（3）有活性状态（4）被激活状态异染色质化67组蛋白对基因活性的影响组蛋白对基因活性的影响(1)占先模型（pre-emptive model）:认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。转录因子先结合在DNA的特定位点上，基因正常转录；反之，组蛋白先与DNA的特定位点结合，则形成核小体，转录停止。(2)动态模型（dynamic model）：认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之

4、中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即染色质重塑。在染色质重塑过程中，某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小体解体。8组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化去乙酰化 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色质结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的活性。组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某些基因，增强或抑制某些基因的表达。组蛋白的8个亚基上有32个潜在的乙酰化位点。组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶催化完成。9组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化的生物功能：去乙酰化的生物功能：（1）组蛋白乙酰化导致组蛋白表面正电荷减少，组蛋白与DN

5、A结合能力下降，引起核小体解聚并阻止核小体装配，使得染色体处于松弛状态，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在基因的DNA上，促进基因转录；（2）组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信号”，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应的启动子上，促进转录前起始复合物的装配；（3）在细胞分裂期，组蛋白的乙酰化参与细胞周期和细胞分裂的调控；（4）组蛋白去乙酰化引起或维持基因沉默。10非组蛋白（非组蛋白（NHP)非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径

6、。11核基质核基质(nuclea matrix)定义：核基质是由3-30nm的微纤丝构成的网络状骨架蛋白，主要成分包括DNA拓扑异构酶、核基质蛋白以及多种DNA结合蛋白，并含有少量RNA。特点：（1）限定DNA环状结构域的大小；（2）各种核基质蛋白之间相互作用，控制染色体组装的密度程度，调节DNA的复制与转录；（3）可能存在着基因的某种增强元件；（4）可能有DNA复制的起始位点12核基质为核基质为DNA复制提供结构支架复制提供结构支架参与参与RNA的转录和加工的转录和加工13基因的丢失：不可逆基因的丢失：不可逆某些真核生物随细胞的分化丢失了染色体上的某些DNA片段的现象称为基因丢失，如原核生物

7、的大核体和小核体。基因扩增：增加基因的拷贝数基因扩增：增加基因的拷贝数 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体。药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加。基因重排基因重排(gene rearrangement)：如免疫球蛋白基因重排，多样性。14uDNA水平上的调控水平上的调控DNA甲基化（甲基化（DNA Methylation)哺乳动物基因中的5-CG-3序列中C5的甲基化称之CpG 甲基化。5-CG-3序列是在表达基因位点处的染色体保持适当包装水平的重要化学修饰序列。当基因序列中的CpG 密度达到10/100bp时称为CpG 岛。图：持家

8、基因的CpG岛及其启动子15甲基化酶甲基化酶构建性甲基化酶：对CpG进行甲基化修饰；维持性甲基化酶：把甲基化的特性遗传给子代。16DNA甲基化与转录抑制甲基化与转录抑制p甲基化甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的程度高，对基因转录抑制的调控能力越强。调控能力越强。p去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因转录激活：基因转录激活p基因组印记：基因组印记：哺乳动物的某些等位基因性状的表达由于基因的来源不同而呈现出差异，甚至只表达单一亲系来源（父源或母源）的基因版本。如人类的亨延顿氏舞蹈病，其基因突变是来自父源或母源基因的甲基化。17n雌性胎生哺乳动物细胞中两条雌性

9、胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早染色体之一在发育早期随机失活（异染色质化）；期随机失活（异染色质化）；n异染色质中的异染色质中的CpG被高度甲基化，基因不转禄被高度甲基化，基因不转禄pDNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活18甲基化影响甲基化影响DNADNA与蛋白质的与蛋白质的相互作用相互作用DNaseIDNaseI的超敏感区域的超敏感区域(1)组蛋白被一种序列特异性蛋白结合而被破坏，DNA裸露出来；（2）转录区域，DNA链打开而暴露；（3）活跃转录区（1）（2）（3）19甲基化以两种方式调控基因的表达甲基化以两种方式调控基因的表达（1）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白质之间的

10、 相互作用；（2）甲基化改变DNA的正常构型。20u真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element）反式作用因子反式作用因子(trans-acting Factor)21顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)顺式作用元件顺式作用元件是指具有调节功能的特定DNA序列或影响自身基因表达活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分子上；顺式作用元件类型：顺式作用元件类型：（1）启动子）启动子(promoter):3种类型；种类型；（2）增强子）增强子(enhancer)：（3）沉默子）沉默子(silencer)：负性

11、调节元件，起阻遏作用。：负性调节元件，起阻遏作用。（4）绝缘子）绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因在真核基因及其调控区的一段及其调控区的一段DNA序列序列。222324增强子增强子Enhancer 在远离转录起始点（上游或下游）的一段可增强启动子活性的调控元件，大小为100-200bp。最初在DNA病毒SV40的基因组中发现。特性：（1）加强相连基因从正确起始位点的转录活性（2）增强子无论是在下游或在上游均可激活转录（3）无论是在下游或在上游，可在远离起始位点1Kb以上发挥作用（4）两个启动子串联在一起时，增强子优先激活距离最近的那一个25增强子核心序列

12、增强子核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)2627增强子的作用机理：增强子的作用机理：（1）为转录因子提供进入启动子区的位点（2）改变染色体的构像沉默子沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用。：负性调节元件，起阻遏作用。绝缘子绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因及其调控区的一段DNA序列。功能是阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性限定于结构域之内。28反式作用因子的结构与功能反式作用因子的结构与功能（1）概念：为）概念：为DNA结合蛋白，结合蛋白，核内蛋白核内蛋白，可使邻近基因开，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调

13、控）。放（正调控）或关闭（负调控）。（2）通用或基本转录因子）通用或基本转录因子RNA聚合酶结合启动子所必需聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。如：的一组蛋白因子。如：TFA、TFB、TFD、TFE等。等。（3）特异转录因子）特异转录因子(special transcription factors)个别个别基因转录所必需的转录因子基因转录所必需的转录因子.如：如：OCT-2：在淋巴细胞中特：在淋巴细胞中特异性表达，识别异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。基因的启动子和增强子。2930反式作用因子的结构特点反式作用因子的结构特点（1）三个功能结构域：DNA结合结构域(DNA-binding

14、 domain)；转录激活结构域(transcriptional activation domain)；二聚化结构域。（2）能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)（3）正调控与负调控3132反式作用因子结构域的模式反式作用因子结构域的模式（一）（一）DNA结合结构域结合结构域(DNA-banding domain)锌指结构锌指结构(zinc finger motif)同源结构域同源结构域(homodomain,HD)：螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(helix-turn-helix domain)亮氨酸拉链亮氨酸拉链结构结构(leucine zipper)螺旋螺旋-环环

15、-螺旋螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性碱性螺旋螺旋(alkaline-helix)33 锌指结构域锌指结构域The zinc finger domain锌指结构有锌指结构有2种形式：种形式：C2H2 zinc finger和和C4 zinc fingerC2H2 zinc finger：由：由12个氨基酸组成的环，通过个氨基酸组成的环，通过2个半胱氨个半胱氨酸（酸（C，Cys）和）和2个组氨酸（个组氨酸（H，His）残基固定，这）残基固定，这4个残基个残基与与Zn2+在空间上形成一个四面体结构。在空间上形成一个四面体结构。一般情况下需要一般情况下需要3个个或更多的或更多的C

16、2H2型锌指才能与型锌指才能与DNA结合，如在结合，如在TFIIA有有9个重复，个重复，转录因子转录因子SP1有有3个重复。个重复。C4 zinc finger：Zn2+与与4个半胱氨酸（个半胱氨酸（C，Cys）结合，存）结合，存在于类固醇激素受体转录因子中在于类固醇激素受体转录因子中。34-折叠-螺旋半胱氨酸Cys半胱氨酸Cys碱性保守氨基酸组氨酸His35 The zinc finger domain 锌指结构域锌指结构域半胱氨酸组氨酸-折叠-螺旋36The helix-turn-helix domain 螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构域螺旋结构域特点：特点：DNA结合蛋白包含有结合蛋白包含

17、有60个氨基酸的同源域个氨基酸的同源域（Homeodomain），由同源框序列编码），由同源框序列编码（homeobox）。）。果蝇的果蝇的DNA结合结构域由结合结构域由4个个-helices（螺旋）（螺旋）组成，螺旋组成，螺旋和和 保持了适当的角度，并被一个保持了适当的角度，并被一个特异的特异的-turn（转角）所分隔。（转角）所分隔。这些结构域在这些结构域在噬菌体的噬菌体的Cro阻抑物、乳糖、和色阻抑物、乳糖、和色氨酸阻抑物中存在。也存在与真核生物中，包括人氨酸阻抑物中存在。也存在与真核生物中，包括人类。类。识别螺旋处于识别螺旋处于DNA的大沟中，并与的大沟中，并与DNA发生作发生作用用两

18、个同源域因子两个同源域因子Bicoid and Antennapedia 的的识别螺旋可以互换，也就交换了他们的识别螺旋可以互换，也就交换了他们的DNA结合结合特性。特性。37 亮氨酸拉链亮氨酸拉链(leucine zipper)结构域结构域（1）富含碱性的氨基酸残）富含碱性的氨基酸残基基（2）通常与亮氨酸拉链或）通常与亮氨酸拉链或H LH（helix-loop-helix)基序中的一个联合在一起，基序中的一个联合在一起，称为碱性亮氨酸拉链称为碱性亮氨酸拉链（bZIP）或碱性）或碱性H LH 蛋蛋白白（3）蛋白的二聚作用使）蛋白的二聚作用使2个碱性结构域相邻，进而个碱性结构域相邻，进而可与可与

19、DNA发生作用。发生作用。38亮氨酸拉链亮氨酸拉链(leucine zipper)3940 螺旋螺旋-环环-螺旋结构域螺旋结构域 The helix-loop-helix domain，HLH结构域。如：结构域。如：Myo D 蛋白。蛋白。可变连接区可变连接区DNA特异位点特异位点DNA特异位点特异位点41螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋DNA特异位点特异位点42(1)酸性激活结构域酸性激活结构域 Acidic activation domains 酵母酵母Gcn4 和和Gal4、哺乳动物糖皮质激素受体、疱疹病毒激、哺乳动物糖皮质激素受体、疱疹病毒激活子的转录激活结构域均含有高比例的酸性氨基酸，称为活

20、子的转录激活结构域均含有高比例的酸性氨基酸，称为酸性酸性激活结构域激活结构域 (2)富含脯氨酸结构域富含脯氨酸结构域 Prolin-rich domain 在在c-Jun、AP2和和OCT-2等转录因子中发现等转录因子中发现富含脯氨酸结构富含脯氨酸结构域域，这个结构域可以激活转录。这个结构域可以激活转录。(3)富含谷氨酰胺结构域富含谷氨酰胺结构域 Glutamine-rich domains 在在SP1转录因子的转录因子的2个激活区域上发现个激活区域上发现富含谷氨酰胺结构域，富含谷氨酰胺结构域，这些结构域与果蝇触角蛋白质的结构域可以互换。这些结构域与果蝇触角蛋白质的结构域可以互换。反式作用因子

21、结构域的模式（续）反式作用因子结构域的模式（续）（二）转录激活结构域（二）转录激活结构域(transcriptional activation domain)43（三）二聚体结构域（三）二聚体结构域 Dimerization domains亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（Leucine zipper）的肽链上每隔）的肽链上每隔7个残基就有一个残基就有一个疏水的亮氨酸残基，这些残基位于个疏水的亮氨酸残基，这些残基位于DNA结合域的结合域的C端端-螺旋上，螺旋上，形成一个疏水表面，疏水表面的相互作用，形成了二聚体形成一个疏水表面，疏水表面的相互作用，形成了二聚体卷卷曲的卷曲结构（曲的卷曲结构（coiled

22、-coil structure）如）如bZIP转录因子。转录因子。445端加帽端加帽(cap)和和3端多聚腺苷酸化端多聚腺苷酸化(polyA)的调控意的调控意义义l使使mRNA稳定，在转录过程中不被降解稳定，在转录过程中不被降解mRNA的选择剪接的选择剪接(alternative splicing)对基因表达对基因表达的调控的调控l外显子选择外显子选择(optional exon)、内含子选择、内含子选择(optional intron)、互斥外显子、内部剪接位点、互斥外显子、内部剪接位点mRNA 运输的控制运输的控制u真核基因转录后水平的调控真核基因转录后水平的调控 45464748u翻译水

23、平的调控翻译水平的调控55端端UTR(UTR(非翻译区）结构与翻译起始的调节非翻译区）结构与翻译起始的调节 5帽子结构的甲基化：1）保护mRNA免遭5外切酶的降解。2）为mRNA的从核中输出提供转运信号。3）提高翻译模板的稳定性和翻译效率。翻译起始因子的调控：翻译起始因子的调控：eIF-2-4F的磷酸化能提高翻译速度eIF-2的磷酸化能抑制翻译起始49翻译起始因子翻译起始因子(eIF2)的调控的调控503UTR（非翻译区）结构与（非翻译区）结构与mRNA稳定性稳定性多聚腺苷酸尾的调节作用poly A尾巴的功能：1）稳定mRNA分子，抵抗3-端外切酶攻击的作用。2）有助于细胞质中成熟mRNA的翻

24、译。3）3 UTR区域具有保护5端帽子结构的作用。513UTR序列及结构对序列及结构对mRNA稳定性的调节稳定性的调节球蛋白mRNA的3URT序列含有许多CCUCC重复蛋白序列，这些序列发生突变将降低mRNA的稳定性。某些不稳定的mRNA起3UTR含有50nt的共有序列AUUUA，称为ARE。ARE结合蛋白可以聚集外切多聚腺苷酸酶和内切酶，加速mRNA的降解。52新生肽链的水解：酶解l肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）与去稳定氨基酸肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化通过信号肽(signal peptide)分拣、运

25、输、定位u翻译后水平的调控翻译后水平的调控531.翻译调控翻译调控 Translational control在原核生物中,不同基因的翻译水平受下列因素的调控:(1)原核生物自身产生的较短反义RNA与mRNA结合,抑制了翻译;(2)多顺反子mRNA对核酸酶的相对稳定性,调节翻译的进程;(3)mRNA的自身结合,阻止了其与核糖体附着的蛋白质结合.54在真核生物中在真核生物中，真核生物通常用改变基因的转录水平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量，但也有一些调控发生在细胞质中，如：（1）蛋白质结合掩盖了mRNA，阻碍了翻译（2）mRNA的3非编码区存在5 AUUUA3的重复序 列，使得mRNA不

26、稳定，降低翻译效率。2.多蛋白多蛋白 Polyproteins 单一翻译产物被切割形成两个或多个独立蛋白，称为多蛋白553.蛋白质定位蛋白质定位 Protein targeting蛋白质在细胞内的定位是取决于生物自身蛋白质的特性、相对长短以及其氨基酸的序列。这些序列可以决定蛋白质是否是被分泌、转运至核内还是转运至其他细胞器内。原核生物的蛋白定位：分泌（右图）56真核生物的蛋白质定位：有两条途径真核生物的蛋白质定位：有两条途径（1）（2）57第第1条途径条途径Post-translational targeting pathways58第第2条途径条途径CO-translational targ

27、eting pathways共翻译途径也叫分泌途径594.蛋白质修饰蛋白质修饰 Protein modification新生多肽没有功能，除了要有正确的折叠及形成二硫键外，还必须经过修饰，包括切割和各种共价修饰。切割 Cleavage（1）去掉信号肽（2）多蛋白的切割（3）肽链内部的切割，如右图前胰岛素原胰岛素原，无活性60共价修饰共价修饰 Covalent modification蛋白质的化学修饰发生在N端、C端以及大部分氨基酸的侧链上，主要的类型有(1)乙酰化 Acetylation(2)羟基化 Hydroxylation(3)磷酸化 Phosphorylation(4)甲基化 Methy

28、lation(5)糖基化 Glycosylation(6)核苷的添加 Addition of nucleotides615.蛋白质降解蛋白质降解 Protein degradation不同的蛋白质有不同的半衰期，调节蛋白需要迅速更新，而且细胞要能够除去有缺陷的和受损的蛋白。真核生物中N端残基在蛋白质稳定性上起关键的作用。在20个氨基酸中：8个N端高度稳定（Ala,Cys,Gly,Met,Pro,Ser,Thr,Val)8个N端半衰期短(Arg,His,Ile,Leu,Lys,Phe,Trp,Tyr)4个N端经化学修饰后稳定性降低(Asn,Asp,Gln,Glu)62思考题：第433页2-7；12；14；16；17。Good luck for everyone!