真核生物基因表达调控.ppt

第八章 真核生物基因 表达调控 THE CONTROL OF EUKARYOTIC GENE EXPRESSION 一、真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、 内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列 第一节 概述 二、真核生物基因表达调控的特点 1、多层次 2、个体发育复杂 3、正性调节占主导 4、转录与翻译间隔进行 根据其性质可分为两大类： 一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞 对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底 物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性 和浓度的调节。 二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精 髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部 进程。 根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为： DNA水平调控转录水平调控转录后水平调 控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控 真核生物基因表达调控的种类： 核小体(nucleosome) 1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA 链缠绕一个组蛋白核构成的。 * 组蛋白八聚体（Histone octamer ） H2A与H2B、H3与H4的亲和力强， 通过C端的疏水氨基酸结合 两个H3、H4先形成四聚体 结合两个H2A和H2B的异二聚体 组蛋白八聚体 2、核小体的结构 核心颗粒、连接区DNA 核小体（Nuclearsome） * 染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位 * 146bpDNA 组蛋白 八聚体核小体的核 心颗粒 直径约10nm 组蛋白八聚体 146bp的核心DNA 146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈 Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp. 微球菌酶处理 所得核小体DNA长 度的变化 连接 DNA 100 bp 平均 55 bp Nucleosome Histone H1 Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp 染色体结构的形成 （1） 首先若干个核小体形成念珠状结构 The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosome s. 高度有序 左手螺旋 每圈包括六个核小体 30 nm fiber (直径30nm) Solenoid (螺线管） （2） 30nm纤丝的构成 染色质结构的第二层次 a、组成 Nuclear matrix (核基质), protein complex 30 nm fiber 300 nm b、体内存在状态 6.8:1 40:1 1000: 1 8000:1 DNA double helix Nucleosome (10 nm fiber) 30 nm Fiber Loops I Loops II chromosome 第二节 DNA水平的调控 基因丢失： 在细胞分化过程中，某些原生动物、线 虫、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而 除去这些基因的活性。 马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有 许多着丝点。 发育早期：只有一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂 的进行； 一定阶段：将来分化产生体细胞的细胞中染色体断裂，形成 许多小染色体。 w 含着丝点的小染色体：以后的细胞分裂中都保持下去； w 不含着丝点的小染色体：因不能在细胞中正常分配而丢失。 w 将来行成生殖细胞的细胞中，不存在染色体断裂现象。 四膜虫： 大核：营养核可转录 小核：生殖核无转录活性 大核由小核发育而来，发育过程中有多处染色质 断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存 在可能抑制了基因的正常表达。 高等生物中，基本上没有类似的基因丢失现象-全能 性 特例：红细胞 2基因扩增 通过改变基因数量来调节基因表达产物的水平 非洲爪蟾卵母细胞: 为储备大量核糖体以供卵细胞受精后发育的需要，通常都要专一性地 增加编码核糖体rRNA的基因（rDNA） rDNA的滚环复制： 拷贝数由15002106，总量可达细胞DNA的75%，当胚胎期开始后， 所合成的rDNA失去需要而逐渐降解消失。 3活泼转录区染色质的结构变化： 染色质的两种状态： 非活性状态【inactive (silent) state 】:如异染色质 活化状态【active state 】： 活泼转录区对核酸酶的敏感性提高 正在转录的DNA甲基化程度降低； 活泼转录的染色质常常缺乏组蛋白H1，其他核心组蛋白则 被乙酰化或与泛素相结合而修饰 非常活泼的转录区，如许多真核生物的rRNA基因处，没 有核小体结构 2.两种状态的相对稳定性： 如果在启动子处形成核小体， 转录因子和RNA聚合酶就不能 结合 如果转录因子结合和RNA聚合 酶结合于启动子区域，形成稳 定的起始复合物，组蛋白就被 排斥在外 基因表达与否，是转录因子还 是组蛋白首先与控制位点相结 合，是一个很重要的因素 一旦形成相对稳定的结构，不 会再由于转录因子和组蛋白游 离成分浓度平衡的变化而改变 3.染色质重建（Chromatin remodeling ） 指在基因转录活化时，核 小体组蛋白置换和重排过 程。包括： w 组蛋白八聚体在DNA上滑动， 改变特定序列在核小体表面的 位置 w 组蛋白八聚体之间的间距发生 改变 w 组蛋白八聚体和DNA分离，产 生无核小体的游离DNA间隙 3.染色质重建（Chromatin remodeling ） 染色质重建需要重 建复合体的参与 Remodeling complex 重建复合体的中心是它的 ATP酶亚基 4.组蛋白的修饰： 组蛋白N端尾部，尤其是H3和H4的修饰，起始了染色质结构的变化 甲基化、乙酰化和磷酸化 通常认为乙酰化和活性染色质，甲基化 和非活性染色质相关，但这并非是一个 统一的规律 乙酰化： 乙酰化是可逆的，分别由相应的酶来催化 s 乙酰化：组蛋白乙酰转移酶（HAT） s 去乙酰化：组蛋白去乙酰化酶（HDAC） 甲基化： 大多数DNA甲基化的位点是CpG岛 ，在异染色质中CpG序列通常是甲基化的，而启 动子区域CpG岛的非甲基化是基因表达所必需的 第三节 转录水平的调控 一、 gene调控的顺式作用成分： 1、 启动子：位于转录起始位点附近，具有相对固定位置，且为转 录起始所必需的序列元件 启动子一般模式： w 核心启动子，TATA框 w 上游启动子成分（UPE），除了CCAAT框外，其 他成分因各gene而异 TATA框控制转录的精确性，而UPE则控制转 录的起始频率，启动子的强度决定于UPE的 数目和种类。 顺式作用元件 定义：影响自身基因表达活性的非编码 DNA序列。 2、增强子 定义：位于转录起始位点较远位置上， 具有参与、激活和增强转录起始功能的 序列元件。增强子特点： w 与启动子的相对位置和取向无关，只要存在于 同一DNA分子上都能起作用 w 没有基因专一性，可以在不同的基因组合中表现增强效 应 w 严格的组织特异性和细胞特异性 感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可 被寄主细胞蛋白质激活的增强子。 w 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有 糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇 激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中， MMTV病毒能旺盛生长。 w 病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种 特异的增强子。 启动子和增强子的典型模式： 启动子含能结合转录因子的分散分布的短序列元件（10bp）， 分布在转录起始位点上游约200bp的范围内 增强子可与启动子之间相距几个kb，含几个紧密排列的能结合 转录因子的序列元件 DNA可能通过卷曲或重排，使结合到启动子和增强子的转录因 子之间相互作用，形成一个大的蛋白质复合体 增强子 增强子的主要作用机 制：增加启动子附近 转录激活因子的浓度 如左图： w 增强子和启动子位于线 性DNA两端时，增强子 不对启动子起作用；但 当DNA被蛋白质连接成 环形时起作用 w 增强子和启动子位于两 个分开的环形DNA分子 上时，不存在相互作用 ；但当两个DNA环成连 环时，能相互作用 绝缘子（insulator）:能阻 断激活或失活效应通过 的元件。它们有一种或同时有 两种主要特征： w 当绝缘子位于增强子和启动子 之间的时候，它能阻断增强子 对启动子的激活作用 w 当绝缘子位于活性基因和异染 色质之间时，能保护活性基因 免受异染色质延伸所带来的失 活效应 绝缘子的作用是增强基因调控的准 确性 沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻 遏作用 3、应答元件(response element )： 一组受共同调控的基因，各基因都有一 个相同的序列元件，该元件是诱导型转 录因子识别靶基因的位点。 如：热休克应答元件（HSE）、血清应 答元件（SRE）、糖皮质激素应答元件 （GRE） cAMP - 蛋白激酶途径 组成 胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环 化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白 激酶 A(protein kinase A，PKA) cAMP的作用机理 PKA的激活 R 调节亚基 C 催化亚基 目 录 R R （cAMP-dependent protein kinase，PKA） R： 调节亚基 C： 催化亚基 cAMP 蛋白激酶A PKA的作用 1） 对物质代谢的调节作用 通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调 节功能。 磷酸化酶激酶 磷酸化酶激酶b ATP 磷酸化酶磷酸化酶 ATP PPi 磷蛋白磷酸酶 磷蛋白磷酸酶 H2O PPi PKA 抑制物a 抑制物b ATP 磷蛋白磷酸酶 PPi 肾上腺素对糖 原代谢的影响 肾上腺素 受体 肾上腺素 受体复合物 激活蛋白 激活AC ATPcAMP PKA 目 录 受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一 共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元 件(cAMP response element , CRE)。 可与cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基 因的转录。 (2) 对基因表达的调节作用 GsAC ATPcAMP C C R R C C 蛋 白 磷 酸 化 R R 2cAMP 2cAMP CREBN Pi Pi Pi 转录活化域DNA结合域 细胞膜 核 膜 热休克基因：当温度升高时，某些基因被关闭，而热休克基因 则被表达。该基因在原核与真核生物中各不相同。 细菌中，是合成一个新的因子，它指导RNA聚合酶核心酶识别 热休克基因所共有的一个与普通启动子不同的-10序列； 真核生物中: w 热休克基因有一个共同的共有序列（HSE） w 由一个独立的转录因子HSTF所识别 w 此因子的活化使特异的一组（约20个）含HSE的基因启动转 录。 金属硫蛋白基因（MT）-单一基因受多个应答元件调控： w MT蛋白能与重金属结合，将其排出胞外，使细胞免受重金 属的损伤 w TRE：增强子元件，能和转录因子AP1相互作用，介导对 TPA（一种致癌物）的应答 w MRE：启动子元件，金属诱导应答 w GRE：增强子元件，能和类固醇受体结合，介导类固醇激素 的反应 二 、转录因子： （一）、转录因子的类型： 转录基础因子：basal factor 和RNA聚合酶一起结合于转录起始位点和TATA框，组成转录基本复合 物 转录激活因子：activator 特异性地识别短共有序列元件的转录因子，结合于启动子或增强子位 点上。通过增加转录基本复合物结合于启动子的效率而起作用，因而 增加了转录频率 组成型：使基因持续表达 诱导型：在特定的组织和特定时间被激活或合 成，结合于应答元件 辅助转录激活因子：Coactivators 自身不和DNA结合，连接转录激活因子和转录基本 复合物 反式作用因子 1、定义：能直接或间接地识别或结合在 各类顺式作用元件核心序列上，参与调 控靶基因转录效率的蛋白质。 TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1 （GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区 ） 2、三个部分：DNA识别结合域(DNA- binding domain)；转录活化结构域 (transcriptional activation domain)；连 接区 RNA聚合酶和基本转录因子 结合于启动子 转录激活因子结合于启动子 转录激活因子结合于启动子 远侧或增强子 辅助转录激活因子连接激活 因子和基本转录因子 某些辅助转录因子可改变染 色质结构，如p300/CBP （二）、转录因子的DNA结合域 w 螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helixHelix-turn-helix，H-T-HH-T-H ） w 锌指结构（zinc fingerzinc finger） w 碱性-亮氨酸拉链（basic - leucine zipper） w 碱性-螺旋-环-螺旋（basic helix /loop /helix，bHLH） 锌指 Zinc finger: 4个cys,或两个cys 、两个his与一个 Zn2+配位，分别称 为 cys-cys锌指和 cys-his锌指 锌指本身包含23个 氨基酸，锌指间有 78个氨基酸残基 相连 三个锌指的蛋白和 DNA结合的晶体 结构示意图： w 每个锌指的N端形 成折叠，C端形 成螺旋 w 三个螺旋恰好等 于DNA大沟的一 圈 螺旋-转角-螺旋：helix- turn-helix (HTH) 由两个短的螺旋片构成 ，各约79个氨基酸长， 中间由一条-转角（约 20aa长)分开 其中一个螺旋为识别 螺旋，定位于DNA大沟 ，另一个螺旋与DNA骨 架接触 亮氨酸拉链：leucine zipper w 螺旋的特点是Leu频繁 出现，每7个aa残基中 出现一个，沿螺旋的 疏水侧排列成直线 w 与Leu重复区相邻的是 碱性氨基酸含量较高的 DNA结合区。形成二 聚体时该碱性区对 DNA的亲和力较高 螺旋-环-螺旋：helix- loop-helix (HLH) 含两个两性螺旋，由 1516个氨基酸组成， 两个螺旋被1024个 残基的环隔开 螺旋负责二聚体的形成 HLH基序附近含碱性的 DNA结合序列 （三）、诱导型转录因子的调控： 1、调控转录因子的合成： 突出地表现在个体发育的调控中。基因级联-一个基因的表达产物是下 一个基因的转录因子 2、通过化学修饰改变转录因子的活性： 最常见的化学修饰是磷酸化和脱磷酸化。 3.由配体的结合活化或灭活转录因 子： w 糖皮质激素进入细胞 w 细胞质中糖皮质激素结合在其受体 上 w 受体转变为一个有活性的转录因子 w 活化的受体识别GRE序列 w 启动一套基因的表达，表现出糖皮 质激素的生理效应 上述作用机制代表一大类化合物作 用的共同模式：盐皮质激素、类固 醇激素、甲状腺激素等。 糖皮质激素受体 4.抑制因子的移除： NFB是B淋巴细胞中活化免疫球蛋白基因的转录因子。 在其他细胞中，抑制因子I-B蛋白与NFB相结合，使NFB停留在胞浆 中，不能发挥作用； 在B淋巴细胞中，NFB由I-B的结合中释放出来，并移动至核中活化 转录。 5、二聚体伙伴的改变： 螺旋-环-螺旋（HLH）：碱性 蛋白 非碱性蛋白 在一个二聚体中，如果二聚 体都是碱性蛋白，则能够与 DNA结合； 如果其中有一个是非碱性蛋 白，则二聚体不能与DNA结 合。 基因调控的反式转录因子 三、mRNA的可变剪接： 1概念： mRNA前体按不同方式剪接，可产生两种或 多种mRNA，称可变剪接（alternative spling） 2 可变剪接方式： w 多个 启动子 w 多个加尾位点 w 选用不同的剪接方式 例子 ： w 前B淋巴细胞，RNA终止于外显子M2，外显子