1、本章內(nèi)容簡介,真核基因表達調(diào)控的特點 真核基因表達調(diào)控的層次,I. 真核生物基因表達的調(diào)節(jié)特點,真核基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)更多 真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān) 真核基因表達以正性調(diào)控為主 其它調(diào)控特點：如個體發(fā)育復(fù)雜；受環(huán)境影響較小,2.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄,結(jié)論：緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達,常染色質(zhì) （euchromatin）,基因可以轉(zhuǎn)錄,異染色質(zhì) （hetrochromatin）,基因不轉(zhuǎn)錄,3.真核基因表達以正性調(diào)控為主,多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質(zhì)來促進轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達以正性調(diào)控為主導(dǎo)。,真核RNA聚合酶,啟動子,親和力低,

2、激活蛋白,協(xié)同作用,轉(zhuǎn)錄起始,真核RNA聚合酶,啟動子,II. 真核基因表達調(diào)控的層次,DNA和染色體水平上的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄起始水平上 轉(zhuǎn)錄后RNA加工過程和運送中的調(diào)控 翻譯水平 翻譯后的控制,1. DNA和染色體水平上的調(diào)控,1.1 基因拷貝數(shù)的擴增或丟失和基因重排 1.2染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化（活化） 1.3 DNA在染色體的位置（常染色質(zhì)、異染色質(zhì)） 1.4 CpG的甲基化修飾,這些變化通常是永久性的，可隨細胞分裂傳遞給子代，使這類細胞表達特定的基因譜，具有特定的表型，成為某種特化細胞，這就是細胞的決定于分化,基因擴增,基因擴增（gene amplification） ：即基因組中的特定段落在某

3、些情況下會復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。 例如：蛙成熟卵細胞在受精后的發(fā)育過程中其rRNA基因（可稱為rDNA）的擴增 基因擴增的調(diào)控機理至今還不清楚,基因擴增的意義,基因的擴增能夠大幅度提高基因表達產(chǎn)物的量，適合了受精卵其后迅速發(fā)育分裂要合成大量蛋白質(zhì)要求有大量核糖體的需要。,基因丟失,有的生物在個體發(fā)育的早期在體細胞中要丟失部分染色體，而在生殖細胞中保持全部的基因組，被丟失的染色體其上的遺傳信息可能對體細胞來說沒有什么意義，而對生殖細胞的發(fā)育也許是不可缺少的。 例如：馬蛔蟲（Parascaris equoorum）和小表癭蚊（Mayetiole destructor）的生殖細胞的形成。,基因重排,基因

4、重排（gene rearrangement）：即胚原性基因組中某些基因會再組合變化形成第二級基因。 例如：免疫球蛋白的基因,基因重排的生物學意義,這種基因重排使細胞可能利用幾百個抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達108種不同抗體的基因，提高對外界環(huán)境的適應(yīng)性。,1.2 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化（染色質(zhì)的活化 ）,組蛋白的作用 轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦该舾卸仍黾?DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化 DNA堿基修飾變化,染色質(zhì)重塑 (chromatin remodeling) 染色質(zhì)中與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化稱為染色質(zhì)重塑,組蛋白的作用,組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負電荷的磷酸基相結(jié)合。 組蛋白與DNA結(jié)合

5、阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋白基因又能夠轉(zhuǎn)錄。,1.2染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化（活化）,組蛋白對基因轉(zhuǎn)錄活性的影響 組蛋白H1作為核小體交聯(lián)劑，可以增強由核心組蛋白引起的轉(zhuǎn)錄抑制 組蛋白的乙?；腿ヒ阴；瘜D(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié) 未乙?；慕M蛋白可以抑制轉(zhuǎn)錄，而乙酰化的組蛋白抑制轉(zhuǎn)錄能力減弱,1.3 DNA在染色體的位置（常染色質(zhì)、異染色質(zhì)）,Euchromatin （常染色質(zhì)）：染色質(zhì)較伸展，處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài) Heterrochromatin （異染色質(zhì)）:染色質(zhì)高度壓縮，處于轉(zhuǎn)錄被抑制狀態(tài) （10%）,轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦该舾卸仍黾?活躍進行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNase消化常出現(xiàn)100-200bp的D

6、NA片段，且長短不均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對DNase高敏感點（hypersensitive site）。 高敏感點常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5側(cè)區(qū)、3末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有利于調(diào)控蛋白的結(jié)合而促進轉(zhuǎn)錄。,DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化,天然雙鏈DNA的構(gòu)象大多是負性超螺旋。當基因活躍轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方DNA的構(gòu)象是正性超螺旋，其后面的DNA為負性超螺旋。正性超螺旋會拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動轉(zhuǎn)錄；而負性超螺旋則有利于核小體的再形成。,DNA甲基化與基因表達,DNA甲基化的主要形式 5-甲基胞嘧啶 N6-甲

7、基腺嘌呤 7-甲基鳥嘌呤 在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG和CpXpG中，原核生物中CCA/TGG和GATC也常被甲基化。,DNA甲基化與基因表達,真核生物基因組DNA的甲基化(Methylation) 哺乳動物基因組中5%的C為甲基化(m C)，mC主要存在于CpG二核苷酸中 CG島(CG islands): CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因組中，形成CpG島。CpG島常與基因相連(可作為尋找基因的標記)。,DNA甲基化和CG島,由于甲基化胞嘧啶極易在進化中丟失，所以，高等真核生物中CG序列遠遠低于其理論值。 哺乳類基因組中約存在4萬個CG islands，大多位

8、于轉(zhuǎn)錄單元的5區(qū)。,基因甲基化狀態(tài)： 1、高度甲基化： 基因為持續(xù)失活(如女性的一條X染色體； 2、誘導(dǎo)去甲基化：如組織或發(fā)育階段特異性表達基因； 3、持續(xù)低水平甲基化：具有轉(zhuǎn)錄活性(如持家基因)。,DNA甲基化與基因表達,總結(jié)：基因表達與甲基化呈負相關(guān),簡答題,簡述真核細胞基因組結(jié)構(gòu)特點及基因表達調(diào)控方式。（10分）（第四軍醫(yī)大分子生物學） 真核生物的基因表達調(diào)控可以在哪些水平上發(fā)生？何謂轉(zhuǎn)錄前調(diào)控，它有哪幾種主要方式，各發(fā)生在什么發(fā)育時期？試舉例說明之。（10分） （中科院2001細胞學）,選擇題,真核生物DNA中大約有百分之2-7的胞嘧啶存在甲基化修飾，絕大多數(shù)甲基化發(fā)生二核苷酸對上 A

9、. CC B. CT C. CG D. CA （中科院上海生化所 98）,選擇題,非洲爪蟾體細胞中rDNA拷貝數(shù)約有500個，而在卵母細胞中的拷貝數(shù)約增加了倍，可以用來轉(zhuǎn)錄合成卵裂所需要的ribosome。 a.1000 b.2000 c.4000 d.400 （中科院上海生化所 2001）,判斷題,活躍轉(zhuǎn)錄的基因均位于常染色質(zhì)中，處于異染色質(zhì)中的基因通常不表達。 ( ),2. 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,2.1 基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件 2.2 基因轉(zhuǎn)錄的反式作用因子 2.3 轉(zhuǎn)錄激活因子的作用機制,2.1基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件,順式調(diào)控元件(cis-regulating element)是指對基因表達有

10、調(diào)控活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處于一個DNA分子上的基因,2.1基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件,a. 正調(diào)控元件： 啟動子(promoter) 增強子(enhancer) b. 負調(diào)控元件沉寂子(silencer) 負調(diào)控元件是能抑制基因表達的序列 c. 其它順式調(diào)控元件 ：應(yīng)答元件 轉(zhuǎn)座元件,最常見的應(yīng)答元件： 熱激應(yīng)答元件（heatshock response element,HSE） 糖皮質(zhì)應(yīng)答元件（glucocorticoid response element，GRE） 金屬應(yīng)答元件（metal response element,MRE）,應(yīng)答元件（response elemen

11、t）,GRE is the recognition site of glucocorticoid receptor.,Heat shock response element (HSE) is present in heat shock protein genes.,2.2 基因轉(zhuǎn)錄的反式作用因子,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要是通過與多種DNA元件結(jié)合的蛋白因子來實現(xiàn) 反式作用因子(trans-acting factor)是通過識別和結(jié)合順式調(diào)控元件的核心序列而調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì) 反式作用因子對基因表達的調(diào)控可正(激活)可負(阻遏),補充：反式作用及反式作用元件,調(diào)控基因不僅能對同一條DNA鏈

12、上的結(jié)構(gòu)基因起表達調(diào)控作用，而且能對不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，在遺傳學實驗上稱為反式作用（trans-action），調(diào)控基因就屬于反式作用元件（trans-acting element），其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白稱為反式調(diào)控因子（trans-acting factor）。,2.2.1 反式作用因子的結(jié)構(gòu)區(qū)域,DNA結(jié)合域（DNA binding domain），多由60-100個氨基酸殘基組成的幾個亞區(qū)組成。 轉(zhuǎn)錄激活域（activating domain），常由30-100氨基酸殘基組成，這結(jié)構(gòu)域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，一酸性結(jié)構(gòu)域最多見； 連接區(qū)，即連

13、接上兩個結(jié)構(gòu)域的部分。,a.反式作用因子的DNA結(jié)構(gòu)域,結(jié)構(gòu)域(domain):是指蛋白質(zhì)中可以具有獨立的超二級結(jié)構(gòu)的部分。通常由一個基因外顯子編碼，并可具有特定的功能。在較大的蛋白質(zhì)中，多個結(jié)構(gòu)域間可通過較短的多肽柔性區(qū)互相聯(lián)接 基序(motif)：一般指構(gòu)成任何一種特征序列的基本結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)域中的亞單元，其功能是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)域的多種生物學作用,1 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域基序 a. Helix-turn-helix（螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋）。是最早發(fā)現(xiàn)于原核生物中的一個關(guān)鍵因子，該結(jié)構(gòu)域長約20個aa，主要是兩個-螺旋區(qū)和將其隔開的轉(zhuǎn)角。其中的一個被稱為識別螺旋區(qū)，因為它常常帶有數(shù)個直接與DNA序列相識別的

14、氨基酸。,b. Zinc finger（鋅指）。長約30個aa，其中4個氨基酸（Cys或2個Cys，兩個His）與一個Zinc原子相結(jié)合。與Zinc結(jié)合后鋅指結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。,含鋅指基序的轉(zhuǎn)錄因子：與GC盒結(jié)合的SPl、類固醇激素受體家族，抑癌蛋白WT1等。,c. Homeodomain（同源域），最早來自控制軀體發(fā)育的基因，長約60個氨基酸，其中的DNA結(jié)合區(qū)與 helix-turn-helix motif相似，人們把該DNA序列稱為homeobox。主要與DNA大溝相結(jié)合。,d. Basic Leucine Zippers（堿性亮氨酸拉鏈）是親脂性（amphipathic）的螺旋，包含有許多集

15、中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體。每隔6個殘基出現(xiàn)一個亮氨酸。由賴氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）組成DNA結(jié)合區(qū)。,具有亮氨酸拉鏈基序的轉(zhuǎn)錄因子：原癌基因C-Jun/C-fos(APl家族),E 堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic-Helix-loop-Helix，bHLH)基序 由2個螺旋間隔一個非螺旋的環(huán)(loop)組成 如原癌基因產(chǎn)物C-myc及其結(jié)合蛋白Max,幾種常見基序,轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合域,Zinc finger domain（鋅指結(jié)構(gòu)域） Homologous domain （同源域） HTH domain（螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域） bZip（堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)

16、域） bHLH （堿性 螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域）,Transcription activation domains (激活域),Acidic activation domains （酸性激活域） Glutamine-rich domains(富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域) Proline-rich domains（富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域）,轉(zhuǎn)錄激活因子的作用機制,特異性基因轉(zhuǎn)錄的基本條件 （1）啟動子(特別是核心啟動子) （2）RNA Pol （3）普通轉(zhuǎn)錄因子(GTFs) （4）與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄激活因子 （5）輔激活因子,真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)序列：增強子-高等真核生物 上游激活序列UAS-酵母,轉(zhuǎn)錄因子的類型

17、普通轉(zhuǎn)錄因子(GTFs) 與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄激活因子 輔激活因子或介導(dǎo)因子（coactivator）,高級生物，至少包括果蠅和哺乳動物，利用絕緣子來阻斷鄰近的增強子對非相關(guān)基因的激活。絕緣子可以保護基因，免受鄰近的增強子和沉默子的激活作用或抑制作用,轉(zhuǎn)錄激活的一般過程,在典型的RNA polII啟動子處進行的轉(zhuǎn)錄激活過程一般包括： 染色質(zhì)重塑使染色體結(jié)構(gòu)松弛 轉(zhuǎn)錄激活因子與DNA結(jié)合 激活因子與組蛋白乙?；负?或其它蛋白質(zhì)相互作用，促進周圍染色質(zhì)的進一步重塑 激活因子通過輔激活因子介導(dǎo)因子，與RNA polII相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子相互作用，促進轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物前體的形成,外界刺激通過一系列的蛋白質(zhì)將

18、信號從一個蛋白質(zhì)傳遞給另一個蛋白質(zhì)，構(gòu)成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，最終常常是活化了某種轉(zhuǎn)錄因子，影響到一系列相關(guān)基因的表達，改變了細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)表達譜，使細胞產(chǎn)生特定的表型,圖12-17 介導(dǎo)因子CBP作用機理,CRE：cAMP響應(yīng)元件 CREB：與CRE結(jié)合的蛋白 CBP：CREB結(jié)合蛋白,圖12-18 CBP介導(dǎo)核受體的轉(zhuǎn)錄激活作用,SRC：類固醇受體輔激活因子,轉(zhuǎn)錄激活因子活性調(diào)節(jié)與信號傳導(dǎo)途徑,轉(zhuǎn)錄激活因子通過幾種不同方式調(diào)節(jié)活性 1. 與配體結(jié)合 2. 細胞內(nèi)定位 3. 磷酸化修飾 4. 去除抑制蛋白 5. 更換結(jié)合蛋白,蛋白質(zhì)的磷酸化反應(yīng),指通過酶促反應(yīng)把磷酸基團從一個化合物轉(zhuǎn)移到另一個化合物

19、上的過程,是生物體內(nèi)存在的一種普遍的調(diào)節(jié)方式，在細胞信號的傳遞過程中占有極其重要的地位。,許多信號途徑依賴于蛋白質(zhì)的磷酸化將信號從一個蛋白傳遞給另一個蛋白，每一步酶促反應(yīng)都可以使信號放大，因此轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑存在放大效應(yīng),蛋白質(zhì)磷酸化在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用,在胞內(nèi)介導(dǎo)胞外信號時具有專一應(yīng)答特點。 蛋白質(zhì)的磷酸化與脫磷酸化控制了細胞內(nèi)已有的酶活性。 對外界信號具有級聯(lián)放大作用. 蛋白質(zhì)的磷酸化與脫磷酸化保證了細胞對外界信號的持續(xù)反應(yīng)。,3.轉(zhuǎn)錄后加工,在細胞核內(nèi)對基因產(chǎn)物(mRNA前體)進行各種加工、成熟、轉(zhuǎn)運過程中對基因表達的調(diào)控屬轉(zhuǎn)錄后加工 有些基因還可進行組織特異性的選擇性拼接，產(chǎn)生不同的mRNA

20、模板，表達具有不同生物活性的蛋白質(zhì)。特殊情況下mRNA還可進行編輯，改變編輯序列,簡單轉(zhuǎn)錄單位,復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位,圖12-21 大鼠的免疫球蛋白重鏈基因mRNA的可變拼接,可變拼接,圖12-22 果蠅性別決定過程中的可變拼接,RNA編輯,RNA編輯現(xiàn)象最早在錐形蟲中發(fā)現(xiàn)，其細胞色素氧化酶（COII）mRNA的序列與COII基因序列不吻合，含有4個在基因中缺失的核苷酸，mRNA通過RNA編輯補上了這4個核苷酸，糾正了移碼突變。,轉(zhuǎn)錄后RNA加工過程和運送中的調(diào)控,mRNA的轉(zhuǎn)運,真核生物mRNA在細胞核內(nèi)合成后必須轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中進行翻譯。完成轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工過程的mRNA以核蛋白復(fù)合物的形式轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)

21、運過程依賴于外顯子連接復(fù)合物，內(nèi)含子的存在可以阻止mRNA的轉(zhuǎn)運,4.翻譯水平調(diào)控,mRNA穩(wěn)定性對基因表達的影響 在翻譯起始階段對基因表達的影響 mRNA的選擇性翻譯 RNA干擾導(dǎo)致的基因沉默,mRNA結(jié)構(gòu)與翻譯控制,(一) 5-UTR結(jié)構(gòu) 1、mRNA5端m7G帽有增強翻譯水平的作用 2、“上游AUG密碼子”(位于起始AUG上游的其他AUG密碼子)的存在往往抑制下游開放讀框的翻譯效率 3、起始AUG旁側(cè)序列對翻譯效率的影響Kozak序列：GCCAUGG (二) 3-UTR結(jié)構(gòu) 1poly(A)尾增加翻譯效率 2富含UA序列抑制翻譯。,mRNA穩(wěn)定性與翻譯控制,mRNA穩(wěn)定性主要取決于3UTR結(jié)構(gòu) 1poly(A)尾增加mRNA穩(wěn)定性， 23-UTR中UA序列導(dǎo)致mRNA不穩(wěn)定,1）mRNA穩(wěn)定性對基因表達的影響,真核生物在翻譯水平上對基因表達的調(diào)控主要是控制mRNA的穩(wěn)定性和選擇性翻譯。真核生物mRNA在成熟過程中形成的5-帽子和3-polyA尾巴對mRNA的穩(wěn)定性和可