1、第十六章 基因表達(dá)調(diào)控 Regulation of Gene ExpressionInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)Regulation of Eukaryotic Gene Expression第 四 節(jié)基 本 內(nèi) 容真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因表達(dá)調(diào)控基本特點RNA pol和pol 的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RNA pol轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)RNA pol轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)翻譯水平的調(diào)節(jié)Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic E

2、ngineering一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大（二）真核基因為單順反子 （monocistron)“即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子、經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。”Institute of Genetic Engineering（三）重復(fù)序列眾多單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106 次）中度重復(fù)序列（多為103 104次）多拷貝序列反向重復(fù)序列一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（四）真核基因編碼序列的不連續(xù)性Institute of Genetic Engineering 真核基因組 原核基因組1、基因組龐大，與組蛋白結(jié)合形成染色質(zhì)2、許多DNA不轉(zhuǎn)錄3、單順反子4、大量重復(fù)序

3、列5、斷裂基因（有內(nèi)含子） 只有一個DNA分子或RNA分子 絕大部分參與基因的表達(dá)或調(diào)控 多順反子 重復(fù)序列少 操縱子結(jié)構(gòu)（無內(nèi)含子）真核與原核基因組區(qū)別Institute of Genetic Engineering二、真核基因表達(dá)調(diào)控更復(fù)雜（一）三種RNA聚合酶（RNA pol 、） TATA盒結(jié)合蛋白（TBP）為共有亞基（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化1. 對核酸酶敏感活化基因常有核酸酶超敏位點（hypersensitive site)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。Institute of Genetic Engineering2. DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化RNA-pol正超螺旋負(fù)

4、超螺旋轉(zhuǎn)錄方向二、真核基因表達(dá)調(diào)控更復(fù)雜（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化Institute of Genetic Engineering3. 甲基修飾變化 真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，通常在啟動子區(qū)的CpG序列（CpG島）上 甲基化程度與基因表達(dá)程度呈反比，處于轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)的基因CpG序列一般低甲基化。二、真核基因表達(dá)調(diào)控更復(fù)雜（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化基因組印跡基因組印跡（genomic imprinting): 源于父母雙方的同一對等位基因的選擇性差異表達(dá)的現(xiàn)象。指在配子或合子發(fā)生期間，來自親本的等位基因或染色體在發(fā)育過程中產(chǎn)生專一性的加工修飾，導(dǎo)

5、致后代體細(xì)胞中兩個親本來源的等位基因有不同的表達(dá)活性，又稱遺傳印跡或親代印跡或配子印跡。具有這種差異的基因被稱為印跡基因（imprinted genes)Institute of Genetic Engineering基因組印跡的分子機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)印跡基因與DNA中胞嘧啶甲基化尤其是CpG島的甲基化密切相關(guān)。基因印跡中，幾乎所有的印跡基因都有一些序列成份在兩個不同親本來源的等位基因中僅有一方是甲基化，這些序列被稱為“差異甲基化區(qū)域”Institute of Genetic Engineering2022/7/9Institute of Genetic Engineering4. 組蛋白修飾活化局

6、部染色質(zhì)二、真核基因表達(dá)調(diào)控更復(fù)雜 組蛋白修飾包括：乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及ADP核糖基化等組蛋白N端賴氨酸殘基的乙酰化修飾能夠中和正電荷，降低整個核小體對帶負(fù)電荷DNA的親和力，有助于轉(zhuǎn)錄激活。（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化Institute of Genetic EngineeringAcetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin, whereas methylation is associated with inactive chromatin. Institute of Genetic E

7、ngineeringInstitute of Genetic Engineering采用正性調(diào)節(jié)機(jī)制更精準(zhǔn)采用負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工二、真核基因表達(dá)調(diào)控更復(fù)雜Institute of Genetic Engineering（一）RNA pol轉(zhuǎn)錄體系的控制三、RNA pol和pol 的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)人rRNA基因上游調(diào)控元件和核心元件 上游結(jié)合因子UBF1和選擇因子SL1+1-100rRNA前體基因上游調(diào)控元件核心元件轉(zhuǎn)錄區(qū)Upstream control element, UCECore elementtRNA和5S rRNA基因的轉(zhuǎn)錄啟動

8、子位于轉(zhuǎn)錄起始點下游即轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)，稱內(nèi)部控制區(qū)（internal control regions, ICR)TFIIIB是必需的轉(zhuǎn)錄因子，而TFIIIA, TFIIIC是幫助結(jié)合的輔助因子。（二）RNA pol 轉(zhuǎn)錄體系的控制Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering四、RNA pol轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)（一）順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性1. 啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。

9、典型的啟動子由TATA盒及上游的CAAT盒等組成。 典型的真核啟動子通常含有TATA盒、CAAT盒、GC盒等多種順式反應(yīng)原件的不同組合。Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering2. 增強(qiáng)子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性表達(dá)、增強(qiáng)啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，其作用方式通常與方向、距離無關(guān)。酵母中存在上游激活序列 UASs，作用類似。四、RNA pol轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)（一）順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性Institute of Genetic Engineering3. 沉默子(s

10、ilencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)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。四、RNA pol轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)（一）順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性Institute of Genetic Engineering（二）反式作用因子 1. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性） 基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)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。TFD是三種聚合酶的基本轉(zhuǎn)錄因子。參與RNA-pol轉(zhuǎn)錄的TF Institute of Genetic EngineeringInstitute o

11、f Genetic Engineering特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)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：增強(qiáng)子結(jié)合蛋白 轉(zhuǎn)錄抑制因子：沉默子結(jié)合蛋白 (transcription activators) (transcription inhibitors)（二）反式作用因子 Institute of Genetic Engineering2. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）轉(zhuǎn)錄激活域 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA結(jié)合域鋅指結(jié)構(gòu)堿性螺旋Institute of Geneti

12、c Engineering常見DNA結(jié)合域 鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 (helix-turn-helix, HTH)螺旋-環(huán)-螺旋 (helix-loop-helix,HLH)堿性亮氨酸拉鏈 (basic leucine zipper, bZIP)Institute of Genetic Engineering鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger)最早發(fā)現(xiàn)于結(jié)合GC盒的SP1因子,由30個氨基酸組成, 其中有2個Cys 和2個His, 四個氨基酸殘基分別位于正四面體的頂角,與四面體中心的的Zn+結(jié)合,穩(wěn)定鋅指的結(jié)構(gòu)。在Cys和His之間，有12個氨基酸殘基，其中數(shù)個為保守

13、的堿性殘基。常結(jié)合GC boxInstitute of Genetic Engineering鋅指結(jié)構(gòu)與DNA的結(jié)合Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋及螺旋-環(huán)-螺旋這類結(jié)構(gòu)至少有兩個螺旋，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角或環(huán)連接，兩個這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個螺距(3.4nm)，兩個螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝。 阻遏蛋白二聚體與 DNA的相互作用Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Eng

14、ineering堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)肽鏈上每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，這些亮氨酸殘基都在螺旋的同一個方向出現(xiàn)。兩個相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基能以疏水鍵結(jié)合成二聚體該二聚體的另一端肽段富含堿性氨基酸殘基，借其正電荷與DNA雙螺旋鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)結(jié)合。若不形成二聚體則對DNA的親和結(jié)合力明顯降低。Institute of Genetic Engineering（三）mRNA 轉(zhuǎn)錄激活需形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物.TATA DNATBP相關(guān)因子EBPInstitute of Genet

15、ic Engineering機(jī)制復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究熱休克蛋白基因的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)熱休克時停止大多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，啟動熱休克蛋白的表達(dá)五、RNA pol轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)（一）hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié) 1. 加帽 2. 加尾 3. 剪接 4. 編輯Institute of Genetic Engineering六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)（二）mRNA運(yùn)輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性降解途徑保證mRNA不在細(xì)胞中累積并避免合成過多的蛋白質(zhì)。合成速率 降解速率Institute of Genetic Engineering某

16、些mRNA分子的3-UTR含有能影響mRNA穩(wěn)定性的特殊序列，例： 鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體（TfR）mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)決定于mRNA分子中3UTR特定的重復(fù)序列， 稱為鐵反應(yīng)元件（iron-response element, IRE)。高鐵濃度時，IRE可促進(jìn)TfR mRNA的降解。六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié) IRE-BP對轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)低鐵狀態(tài)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA5編碼區(qū)活化的IRE-BP3poly(A)n翻譯TfR蛋白IRE高鐵狀態(tài)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA5編碼區(qū)鐵失活的IRE-BP3poly(A)nmRNA降解IREInstitute of Genetic EngineeringIns

17、titute of Genetic Engineering在過去十多年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些從不會成為蛋白質(zhì)的新型RNA分子，將之稱為非編碼RNA （small nonconding RNA，ncRNA) 。越來越多的證據(jù)顯示，非編碼RNA 在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)中扮演關(guān)鍵角色，例如microRNA和siRNAncRNA的主要功能有：參與mRNA的穩(wěn)定及翻譯的調(diào)節(jié)、參與蛋白質(zhì)的運(yùn)輸、參與RNA的加工和修飾、影響染色體的結(jié)構(gòu)等。（三） 小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)Institute of Genetic Engineering（三） 小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)短鏈非編碼RNA的序列都比較短，不超過4

18、0 nt。這些短鏈非編碼RNA的發(fā)生機(jī)制、生理功能，及其調(diào)控作用各不相同：microRNAs( miRNAs，約22 nt) 、內(nèi)源性的小干擾RNAs ( endo-siRNA，約21 nt ) Institute of Genetic Engineering非編碼單鏈RNA，長度約2025nt。由一段具有發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，長度為7090個堿基的發(fā)夾狀單鏈RNA 前體(pre-miRNA)在胞漿經(jīng)Dicer酶剪切后形成。1微小RNA (microRNA, miRNA)（三） 小分子RNA對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)Institute of Genetic EngineeringmiRNA的特點一般為2025nt

19、；不同生物普遍存在；序列有一定的保守性；表達(dá)有時間特異性、空間特異性；與靶mRNA的3端非編碼區(qū)互補(bǔ)，切割或抑制該mRNA分子（依據(jù)配對高低），從而抑制該mRNA的翻譯一個miRNA可調(diào)節(jié)數(shù)百個靶基因包括轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞因子等，幾種miRNAs也可以聯(lián)合調(diào)控單一基因的表達(dá)，miRNAs和靶基因組成了復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)30%的mRNA受到調(diào)節(jié)miRNA 的生成及作用機(jī)制Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringNezha has three heads and six arms equipped with a swo

20、rd for mRNA cleavage, a cosmic ring for translational repression, and a flag for DNA methylation. Institute of Genetic Engineering當(dāng)病毒基因、人工轉(zhuǎn)入基因、轉(zhuǎn)座子等外源性基因隨機(jī)整合到宿主細(xì)胞基因組內(nèi)，并利用宿主細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時，常產(chǎn)生一些dsRNA。宿主細(xì)胞對這些dsRNA迅即產(chǎn)生反應(yīng)，胞質(zhì)中的核酸內(nèi)切酶Dicer將dsRNA切割成多個具有特定長度和結(jié)構(gòu)的小片段RNA（大約2123 bp），即siRNA。構(gòu)成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RISC），與特異的靶mRNA完全

21、互補(bǔ)結(jié)合，導(dǎo)致靶mRNA降解，阻斷翻譯過程。2小干擾RNA (siRNA)Institute of Genetic EngineeringRNA 干擾概念：由siRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)抑制作用被稱為RNA干擾(RNA interference，RNAi)。 RNAi是真核生物中普遍存在的抵抗病毒入侵、抑制轉(zhuǎn)座子活動、調(diào)控基因表達(dá)的監(jiān)控機(jī)制. 目前，利用siRNA 來沉默目標(biāo)基因的表達(dá)，已經(jīng)成為基因操作中非常有用的方法之一?；蛑委熕幬锇悬c篩選細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路分析 RNA 干擾技術(shù)(RNAi)的應(yīng)用Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringsiRNAmiRNA前體內(nèi)源或外源長雙鏈RNA內(nèi)源發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)構(gòu)雙鏈分子單鏈分子功能降解mRNA阻遏mRNA翻譯靶mRNA 結(jié)合需完全互補(bǔ)不需完全互補(bǔ)生物學(xué)效應(yīng)抑制轉(zhuǎn)座子活性和病毒感染發(fā)育過程的調(diào)節(jié)siRNA 和miRNA的差異比較Institute of Genetic Engineering（一）翻譯起始因子（eIF）活性的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成速率的快速變化很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)起始因子活性對起始階段有重要的控制作用。 eIF-2亞單位