第八章真生物基因表达调控Kppt-分子生物学课程网站.ppt

第八章真核生物基因表达调控 教学目的 了解真核基因表达调控的特点了解转录前的调控 掌握增强子的作用特点掌握反式作用因子的DNA结合域的结构花式 了解转录后加工水平的调控方式 掌握可变剪接 反式剪接 RNA编辑的概念 了解翻译水平的调控方式及特点 第一节概述第二节转录水平的调控第三节转录后加工水平的调控第四节翻译的调控 第一节概述 原核与真核生物基因表达的差异 重复序列重叠基因 割裂基因无内含子 RNA转录后加工转录和翻译同步进行 DNA 组蛋白 核小体裸露的DNA 回顾 单顺反子多顺反子 操纵子 染色质结构DNA的甲基化 第一节概述第二节转录水平的调控第三节转录后加工水平的调控第四节翻译的调控 1顺式作用元件2反式作用因子 第二节真核基因转录水平的调控 1基因转录的顺式作用元件 cis actingelements 顺式作用元件 对基因表达有调节活性的DNA序列 其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因 通常不编码蛋白质 多位于基因旁侧或内含子中 包括 启动子 终止子 增强子 沉默子 静息子 转座子 效应元件等 1 1启动子 启动子 promoter 是一段提供RNA聚合酶识别和结合的DNA序列 它位于基因的上游 RNA聚合酶正是通过与它的结合而启动基因的转录 启动子的特征 序列特异性方向性位置特性种属特异性 原核生物的Promoter II型启动子组成 1 核心启动子成分 如TATA框 2 上游启动子成分 UPE 如CAAT框 GC框 八聚体 octamer 等 3 转录起始子 Inr 真核启动子含有不同的序列 不同序列的位置 种类 距离和方向都不完全相同 SV40早期启动子胸苷激酶组蛋白H2B 140 120 100 80 60 40 20 1OctCAATGCTATA 型启动子 型启动子 1 2增强子Enhancer又称远端上游序列 farupstreamsequence 最早SV40病毒中发现 可使旁侧基因转录提高100倍 组成 100 200bp 单拷贝或多拷贝串连形式存在 正性调控元件 转录因子结合 促进转录 增强子的作用特点 促进基因的转录效率远距离发挥作用 100 500bp 10Kb 促进转录 不具有启动子专一性功能与方向 位置无关具有组织或细胞特异性对同源或异源基因均有功能 1 3沉默子silencer负性调控元件 转录因子结合抑制转录 作用特点 不受序列方向的影响 能远距离发挥作用 并可对异源基因的表达起作用 1 4转座子 转座子 跳跃基因的移动 有时候能够激活或抑制某些结构基因的表达 一组受到共同调控的基因 都有一个相同的元件 序列 此元件能与某一个 类 专一蛋白因子结合 使基因对其作出反应 1 5效应元件 Responseelement 效应元件的特点 有短的保守顺序 是启动子或增强子的上游元件 在不同基因中 拷贝相似 有时有多个拷贝 与转录起点距离不固定 类固醇激素信号 接受金属刺激 增强子 应答佛波酯 应答元件 肿瘤诱导剂 1顺式作用元件2反式作用因子 第二节真核基因转录水平的调控 2反式作用因子 trans actingfactors 反式作用因子 通过扩散自身表达产物 酶 调节蛋白 控制其他基因的表达 其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上 包括 转录因子 RNA聚合酶 调控蛋白等 2 1反式作用因子的分类2 2反式作用因子的调控作用 2 1反式作用因子的分类 1 通用因子 在一般细胞中普遍存在 2 特异作用因子 特殊组织与细胞中的 如淋巴细胞中的Oct 2 还包括 转录激活因子 结合增强子 和转录抑制因子 结合沉默子 3 诱导型因子 和效应元件 特异调控序列 结合的蛋白因子 蛋白质和DNA相互作用 蛋白质和配基结合 蛋白质之间的相互作用 蛋白质的修饰 2 2反式作用因子的调控作用 DNA结合域 bindingdomain BD 100aa 大沟转录激活域 activedomain AD 30 100aa 2 2 1蛋白质和DNA相互作用 1 转录激活域 带负电荷的螺旋结构如GCN4 GAL4rich Gln如SP1 AP2 oct1 oct2rich pro如CTF NF1 2 DNA结合域的结构花式 基元 motif 锌指结构 Zincfinger 螺旋 转角 螺旋结构 helix turn helix HTH 同源异形结构域 Homeodomains HD 螺旋 环 螺旋结构 helix loop helix HLH 亮氨酸 拉链 leucinezipper 锌指 zincfinger 由一小组保守的氨基酸和锌离子结合 形成了相对独立的功能域 像一根根手指伸向DNA的大沟 有两种基本构型 23aa 两指间7 8aa共有序列 Cys X2 4 Cys X3 Phe X5 Leu X2 His X3 His串联重复排列 锌指数目多少不等 A Cys2 His2 SP1 与GC盒结合的转录因子SP1中有连续的3个锌指重复结构 B Cys2 Cys2 Zn2 与4个Cys结合共有序列 Cys X2 Cys X13 Cys X2 Cys无大量重复性锌指 例如 甾类激素受体家族 糖皮质激素特异性 雌激素特异性 甾类激素受体以二聚体形式发挥其促进转录的作用 两个锌指的功能不同 与DNA结合 形成二聚体 2 DNA结合域的结构花式 基元 motif 锌指结构 Zincfinger 螺旋 转角 螺旋结构 helix turn helix HTH 同源异形结构域 Homeodomains HD 螺旋 环 螺旋结构 helix loop helix HLH 亮氨酸 拉链 leucinezipper 螺旋 转角 螺旋 helix turn helix HTH 至少有两个 螺旋 其间由短肽段形成的 转角连接 二聚体形式存在 距离正好相当于DNA一个螺距 3 4nm 两个 螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟 许多调控蛋白都有HTH LacO的阻抑蛋白 阻遏蛋白与cro蛋白 CAP酵母接合型调控蛋白 1 2玉米的Kn1水稻的OSH1 2 DNA结合域的结构花式 基元 motif 锌指结构 Zincfinger 螺旋 转角 螺旋结构 helix turn helix HTH 同源异形结构域 Homeodomains HD 螺旋 环 螺旋结构 helix loop helix HLH 亮氨酸 拉链 leucinezipper 编码60aa的序列 几乎存在于所有真核生物中 有3个 helix H1与H2平行H3位于大沟中 与DNA特异结合N端多余臂部分与小沟结合 稳定性高 同源异形结构域 Homeodomains HD HD与HTH的不同 1 HD的C端由3个 螺旋构成 螺旋3结合于大沟 而HTH至少2个 螺旋构成 2 HD以单体形式与DNA结合 靶序列不是回文结构 而HTH以二聚体形式与DNA结合 靶序列是回文结构 2 DNA结合域的结构花式 基元 motif 锌指结构 Zincfinger 螺旋 转角 螺旋结构 helix turn helix HTH 同源异形结构域 Homeodomains HD 螺旋 环 螺旋结构 helix loop helix HLH 亮氨酸 拉链 leucinezipper 螺旋 环 螺旋结构 helix loop helix HLH 40 50aa含2个 helix 15 16aa 由连接区 12 28aa 连接 两亲性 通过疏水面作用形成二聚体 NH2端为DNA结合区 16aa 其中6aa为保守序列 COOH 每隔7个氨基酸出现一个Leu 所有Leu出现在同一侧面 成直线排列 形成疏水面 依靠Leu的疏水作用 2个helix相互缠绕 形成拉链结构 NH2 富含碱性氨基酸 螺旋状 DNA结合域 与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合 碱性 亮氨酸拉链 leucinezipper ZIP ZIPmotifY形结构 在真核生物中广泛存在 C EBP家族 与增强子 CAAT盒结合GCN4酵母激活因子CREB cAMP应答元件结合蛋白 2 2反式作用因子的调控方式 1 蛋白质和DNA相互作用 各种转录因子和顺式作用元件的相互识别 相互作用 通常转录因子与DNA的大沟内的碱基或磷酸接触 通过a 螺旋的一个区域与DNA结合 锌指结构螺旋 转角 螺旋结构同源异形结构域螺旋 环 螺旋结构亮氨酸 拉链 2 2反式作用因子的调控方式 蛋白质和DNA相互作用 蛋白质和配基结合 蛋白质之间的相互作用 蛋白质的修饰 2 蛋白质和配基的结合有的调节蛋白并不直接与DNA接触 而先和配基结合被活化 如甾类受体蛋白等 激素 受体复合物进入细胞核 与增强子结合从而激活启动子 开始转录 甾类激素作为配基进入细胞 与相应受体蛋白结合 甾类激素对转录的调控 甾类受体蛋白通常有三个功能区 2 2反式作用因子的调控方式 蛋白质和DNA相互作用 蛋白质和配基结合 蛋白质之间的相互作用 蛋白质的修饰 3 蛋白质之间的相互作用 酵母半乳糖代谢中GAL80和GAL4的相互作用 4 蛋白质的修饰蛋白质的磷酸化和去磷酸化是其转录活性调节的一种普遍形式 第一节概述第二节转录水平的调控第三节转录后加工水平的调控第四节翻译的调控 1rRNA和tRNA的加工 剪切和修饰2mRNA加工成熟 第三节转录后加工水平的调控 真核tRNA的加工 剪切 修剪和剪接 甲基修饰 3 OH连接 CCA结构 剪接内含子 1rRNA和tRNA的加工 剪切和修饰2mRNA加工成熟 1 mRNA前体的可变剪接2 mRNA前体的反式剪接3 RNA编辑 第三节转录后加工水平的调控 2 1mRNA前体的可变剪接 1 mRNA剪接的种类 组成型拼接 一个基因的mRNA前体按一种方式剪切 产生一种mRNA 一种蛋白质 可变剪接 选择性拼接 alternativesplicing 有些基因的mRNA前体 按不同方式剪切 产生两种以上mRNA 翻译产生多种蛋白质 可变剪接选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质 组成型剪接 2 可变剪接的方式 1 选用不同的起始位点 得到不同的蛋白质 酵母蔗糖酶Suc基因 小鼠 淀粉酶基因 2 选用不同的加尾位点产生不同的蛋白质 如免疫球蛋白 3 选用不同的剪接位点 4 同时采用以上两种方式 酵母蔗糖酶基因 有两种不同形式 胞内酶的合成不受葡萄糖存在的影响 但含量低 胞外酶的合成受到葡萄糖的抑制 胞外酶仅多了信号序列 经切除后胞外酶比胞内酶在N 端仅多了一个Ser 不同的起始位点 大鼠肌钙蛋白基因在不同的发育阶段以及不同横纹肌种类中由于不同的选择性剪接内含子 结果产生了不同的肌钙蛋白 不同的剪接位点 选择不同外显子 剪接选择不同的5 端和外显子 剪接选择不同的3 端和外显子 3 可变剪接的调控机制 实质是5 供体与3 受体剪接点的选择搭配如何选择不同的位点 SR蛋白家族 SF2剪接因子 与mRNA结合 决定5 剪接位点RNP的调节 hnRNP A1 U5 snRNP 人类编码蛋白的基因约27000个 蛋白种类约90000 40 60 人类编码蛋白的基因发生可变剪接 高等真核生物基因组很大 完全能容纳更多的基因 为什么一方面它的许多基因非常分散 而另一方面它又使一个基因产生出多种产物 4 可变剪接的意义 令人不解 1rRNA和tRNA的加工 剪切和修饰2mRNA加工成熟 1 mRNA前体的可变剪接2 mRNA前体的反式剪接3 RNA编辑 2 2mRNA前体的反式剪接 顺式剪接 cis splicing 内含子的剪接一般都是发生在同一个基因内 切除内含子 相邻的外显子彼此连接 反式剪接 trans splicing 不同基因的外显子剪接后相互连接 反式剪接的典型例子是锥虫表面糖蛋白基因VSG 线虫肌动蛋白基因和衣藻叶绿体DNA中的psa基因 锥虫表面糖蛋白基因VSG中许多mRNA的5 端都有共同的35b前导序列 但在每个转录单位上游并未编码这个前导序列 来源于基因组中位于别处序列转录的小片段RNA 通过反式剪接 将35nt的前导序列加到mRNA的5 端 反式剪接产生的5 端外显子称为剪接前导RNA splicedleaderRNA SLRNA SLRNAs存在于几种锥虫和线虫中 具有共同的特点 其结构类似于U1 即SLRNA和U1snRNA一样具有可以和内含子5 端剪接位点识别和结合的功能 转酯反应 1rRNA和tRNA的加工 剪切和修饰2mRNA加工成熟 1 mRNA前体的可变剪接2 mRNA前体的反式剪接3 RNA编辑 2 3RNA编辑 1 定义RNA编辑 editing 指遗传信息在mRNA水平上发生改变的过程 RNA的编码序列与转录产生它的DNA序列不同 转录后的RNA在编码区发生碱基的加入 丢失或转换等现象 1986年R Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸 1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象 锥虫细胞色素氧化酶亚基 coxII 基因的编辑 2 编辑的生物学意义 1 校正作用 2 调控翻译 3 扩充遗传信息 扩充遗传信息 锥虫coxII的mRNA上158个位点插放了394核苷酸 在9个位点删去了18个尿苷酸 实际增加了376个核苷酸 使coxII的长度增加了55 因此coxII的基因比成熟的mRNA小了很多 故称其隐匿基因 编辑的调控作用 编辑的校正作用 3 编辑的机制 1990年L Simpsom等指导RNA guidegRNA 一类小分子RNA 对mRNA前体分子的编辑起了指导作用 特点 55 70nt3 端有5 25个U5 端与mRNA转录产物互补 非常规的互补 G U配对 插入U的两步转酯反应 gRNA的3 OH攻击mRNA产生5 端与gRNA3 相连5 端的3 OH攻击gRNA的U U生成RNA编辑产物 插入一个U gRNA 少一个U RNA编辑相继在真核生物和病毒中发现 如小鼠脑中的谷氨酸受体 哺乳动物载脂蛋白B 植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基 生物学意义生物适应中的保护措施之一中心法则的发展 第一节概述第二节转录水平的调控第三节转录后加工水平的调控第四节翻译的调控 第四节翻译水平的调控 1mRNA运输控制2mRNA稳定性的调控3mRNA结构4翻译的起始调节5选择性翻译6反义RNA调控7翻译的自我调节 1mRNA运输控制 运输控制 transportcontrol 是对初始转录产物从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节 合成的RNA大约有1 12能被运出核进入细胞质 50 左右的在核内降解 还有一些留在核 2mRNA稳定性的调控 mRNA的寿命 原核生物mRNA的半衰期很短 平均大约3min 高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h 在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定 有的寿命长达数天 3mRNA的结构 3 1mRNA5 前导序列对翻译水平的影响5 m7G帽结构是否存在起始密码子的位置和其侧翼的序列的影响 5 端UTR的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性 当此区长度在17 80Nt之间时 体外翻译效率与其长度变成正比 5 UTR中存在碱基配对区形成二级结构时 会阻止核糖体40S亚基的迁移 对翻译起始有抑制作用 3 2mRNA3 端的结构对翻译速率和mRNA寿命的影响 mRNA3 端的poly A 不仅和mRNA穿越核膜的能力有关 而且影响到mRNA的稳定性和翻译效率 poly A 越长 mRNA作为模板的使用的半衰期越长 4