第十二章真核基因表达与调控

第十二章第十二章 真核基因表达与调控真核基因表达与调控 第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控 背景情况（背景情况（ overview） ： 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？ 基因组的全能性基因组的全能性 细胞的多潜能性细胞的多潜能性(totipotency) (pluripotency)真核细胞基因组全真核细胞基因组全能性的实验证据能性的实验证据 真核细胞基因组的复杂性：真核细胞基因组的复杂性：e.g., human genome: 约约 30亿亿 bp DNA；包含约；包含约 3万个基因；万个基因；95的非编码的非编码 DNA序列（功能？）；序列（功能？）；一生合成总蛋白质的种类约一生合成总蛋白质的种类约 10万种，但在一个典型的分化万种，但在一个典型的分化细胞中合成约细胞中合成约 5000种蛋白质；如何调控？种蛋白质；如何调控？人类基因组计划（人类基因组计划（ HGP） 功能基因组学：基因及其产物功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能。（蛋白质）的功能。不同组织器官中表不同组织器官中表达不同的蛋白质组达不同的蛋白质组 （ 2D-gel）从从 DNA到蛋白质的可能的调控步骤到蛋白质的可能的调控步骤 真核基因表达的多级控制真核基因表达的多级控制 主要调控水平：主要调控水平：*转录水平调控（转录水平调控（ transcriptional control）*转录后水平调控（转录后水平调控（ post-transcriptional control）RNA加工水平调控（加工水平调控（ RNA processing control）翻译水平调控（翻译水平调控（ translational control）蛋白质的翻译后修饰（蛋白质的翻译后修饰（ post-translational modification）一、一、 转录水平的调控转录水平的调控基本概念基本概念 ： 事件：事件： DNA/protein, protein/protein 相互作用；相互作用； 顺式作用元件（顺式作用元件（ cis-acting element）：与转录调控蛋白特异）：与转录调控蛋白特异结合的结合的 DNA序列；序列； 反式作用因子（反式作用因子（ trans-acting factor）：与特定）：与特定 DNA序列结序列结合的调控蛋白因子；合的调控蛋白因子； “模体模体 ”结构（结构（ motif）：蛋白质中的小结构域，用以识别特）：蛋白质中的小结构域，用以识别特定的定的 DNA序列或其他蛋白质；序列或其他蛋白质； e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, -sheet, leucin-zip, etc. 共有序列（共有序列（ consensus sequence）：）： DNA中一小段保守序列中一小段保守序列（有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构（有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构域所识别，在转录起始调控中起重要作用；域所识别，在转录起始调控中起重要作用； e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc. 通用转录因子（通用转录因子（ general transcription factor）：与核心启动）：与核心启动子元件相结合（如子元件相结合（如 TATA-box），启动转录；），启动转录； 特异转录因子（特异转录因子（ specific transcription factor ）：与基因的特）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；（一）、转录的激活（一）、转录的激活（ transcriptional activation）1，转录的起始，转录的起始涉及一系列的涉及一系列的 DNA/protein, protein/protein 相互作用；转录相互作用；转录起始复合体（起始复合体（ pre-initiation complex）的形成，）的形成， etc.RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:1844-46 真核基因的结构真核基因的结构转录的起始转录的起始2，激活因子（，激活因子（ activator）和辅激活因子（）和辅激活因子（ co-activator）特异性的转录因子，能在特异性的转录因子，能在 DNA序列上形成复合体，激活转序列上形成复合体，激活转录；录； e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用：肾上腺（糖）皮质激素的作用： glucocorticoid/GRE辅激活因子在特定的辅激活因子在特定的 DNA元件上形成复合体，激活转录元件上形成复合体，激活转录转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域：转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域：- DNA结合结构域（结合结构域（ DNA-binding domain）：与基因的）：与基因的调控区域的特定调控区域的特定 DNA序列识别并结合序列识别并结合- 激活结构域（激活结构域（ activation domain）：招募其他激活因子）：招募其他激活因子和蛋白质，共同启动或激活转录和蛋白质，共同启动或激活转录真核基因转录的调控（真核基因转录的调控（ gene control regions）3，基因远端的调控元件，基因远端的调控元件 增强子（增强子（ enhancer）特点：特点： 距离基因的起始点较远距离基因的起始点较远 位置不定：上游、下游、内含子内部位置不定：上游、下游、内含子内部 方向性：正反方向均有作用方向性：正反方向均有作用作用机制：作用机制： 间隔间隔 DNA可以形成环状可以形成环状 通过与通过与 enhancer结合的特异因子起作用结合的特异因子起作用 染色质构型的改变（重塑）染色质构型的改变（重塑）基因远端的增强子促进转录复合体的装配基因远端的增强子促进转录复合体的装配（二）、转录的阻抑（二）、转录的阻抑（ transcriptional repression）1，顺式作用元件反式作用因子，顺式作用元件反式作用因子阻抑物（阻抑物（ repressor）：负调控的特异性转录因子）：负调控的特异性转录因子沉默子（沉默子（ silencer）：负调控的）：负调控的 DNA元件元件作用机制：作用机制： 阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用）阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用） 与转录激活因子竞争结合与转录激活因子竞争结合 DNA 与转录激活因子相互作用，影响其活性与转录激活因子相互作用，影响其活性 改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）阻抑因子（阻抑因子（ repressor）抑制）抑制基因转录的可能机制基因转录的可能机制2， DNA甲基化（甲基化（ DNA methylation） CG岛（岛（ CG island）：基因组）：基因组 DNA中富含中富含 CG碱基的区域，碱基的区域，其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（ C）常被甲基化修饰；常被甲基化修饰； 与基因的失活有关与基因的失活有关 。 DNA甲基转移酶（甲基转移酶（ DNA methyltransferase, DNMT） 维持性维持性 DNMT（ maintenance DNMT）：使）：使 DNA甲基化甲基化的模式（的模式（ pattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）在细胞分裂中得以保持（可遗传性） 构建性构建性 DNMT（ establishment DNMT; de novo DNMT）：）：使非甲基化的使非甲基化的 DNA模板甲基化模板甲基化 DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。胞嘧啶胞嘧啶 C的甲基化修饰的甲基化修饰DNA甲基化甲基化 pattern 维持的方式维持的方式（维持性（维持性 DNMT的作用）的作用） DNA甲基化抑制基因转录的机制：甲基化抑制基因转录的机制： 干扰转录因子对干扰转录因子对 DNA元件的识别和结合元件的识别和结合 将转录因子的将转录因子的 DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列识别序列转变为阻抑物的识别序列 DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 DNA甲基化的普遍性：甲基化的普遍性：脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等生物（果蝇、酵母等）中未发现。生物（果蝇、酵母等）中未发现。DNA甲基化抑制基因甲基化抑制基因转录的机制转录的机制 基因组印记（基因组印记（ genomic imprinting）和甲基化）和甲基化现象：现象：在二倍体动物中，有些基因（在二倍体动物中，有些基因（ 100个）的表达，依赖于其个）的表达，依赖于其是来自于父本还是母本染色体，如同印上了是来自于父本还是母本染色体，如同印上了 “印记印记 ”；印记是由印记是由 DNA甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受精后不受精后不受 “去甲基化波去甲基化波 ”的影响，从而的影响，从而 “记忆记忆 ”住了亲本所标记住了亲本所标记的表达方式（阻抑或促进）。的表达方式（阻抑或促进）。 e.g., 鼠的鼠的 Igf2 基因。基因。这是这是 DNA的的 “状态状态 ”，而不是其序列决定可遗传性状的证据，而不是其序列决定可遗传性状的证据（表观遗传）。（表观遗传）。鼠中基因鼠中基因 “印记印记 ”的传递方式的传递方式转录后调控的步骤和方式转录后调控的步骤和方式 基因的转录后调控基因的转录后调控 （ post-transcriptional control ）二、二、 RNA加工水平的调控加工水平的调控 (RNA processing)1, 选择性剪接（选择性剪接（ alternative splicing）以区别以区别 组成型剪接（组成型剪接（ constitutive splicing）选择性剪接：一个选择性剪接：一个 hnRNA（ pre-mRNA）转录本，通过外显）转录本，通过外显子的剪、接、重组，产生多个成熟的子的剪、接、重组，