真核生物的基因表达调控.ppt

真核生物的基因表达调控 真核生物与原核生物在调控机制上的主要差异 调控的原因 原核生物基因表达调节的目的是为了更有效和更经济地对环境的变化做出反应 而多细胞真核生物基因表达调节的主要目的是细胞分化 它需要在不同的生长时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式 调控的层次 原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平上的调节各占 半壁江山 而某些调控层次是真核生物特有的 比如染色质水平 RNA后加工水平和mRNA运输等 调控的手段 原核生物绝大多数的基因组织成操纵子 但真核生物一般无操纵子结构 在染色质水平上的基因调控 原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态 而真核生物DNA大部分被遮挡并组织成染色质 因此 原核生物DNA转录的 默认状态 是开放 其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控 而真核生物DNA转录的 默认状态 是关闭 其调控机制主要是通过激活蛋白进行的正调控 染色质的结构是一种动态可变的结构 其结构的变化能直接影响到基因的表达 已有众多证据表明 一个基因在表达前后 其所在位置的染色质结构会发生重塑或重建 由于染色质的组成单位是核小体 因此 染色质结构的改变是从核小体的变化开始的 而核小体的变化是从组蛋白的共价修饰和去修饰开始的 组蛋白能够经历的共价修饰包括乙酰化 甲基化 磷酸化 泛酰化和ADP 核糖基化等 其中乙酰化对染色质结构的影响最大 组蛋白的乙酰化修饰至少具有三个功能 1 中和Lys残基上的正电荷而减弱组蛋白与DNA的亲和力 2 招募其它刺激转录的激活蛋白和辅激活蛋白 3 启动染色质重塑 以上三个方面均有利于基因转录的发生 组蛋白乙酰化或去乙酰化与染色质转录活性的关系 组蛋白乙酰化与染色质重塑的关系 组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系 在DNA水平上的基因表达调控 DNA扩增DNA重排DNA甲基化基因丢失DNA印记启动子的选择使用 DNA扩增 是通过增加基因的拷贝数来提高基因表达效率的一种手段 使用这种手段来进行调控的基因通常是细胞在较短的时间内或在特定的发育阶段大量需要的基因 当其它调控手段已到达极限的时候 DNA扩增就显得尤为重要 实例 果蝇的绒毛膜基因 两栖动物的成熟卵细胞的rRNA基因 哺乳动物细胞的DHFR基因 DNA重排 B淋巴细胞在成熟过程Ig基因经历的重排锥体虫主要的表面抗原基因发生的重排酿酒酵母在交配类型转换过程中发生的基因重排 抗体基因多样性产生的分子机制 VJ和VDJ的重组连接连接的多样性 重排过程中的连接是不精确的 这种 故意 的不精确连接可导致氨基酸的变化或缺失 从而影响到抗原结合位点的结构 实际上它是抗体上出现高变区的原因插入的多样性 TdT作用导致DJ连接或V DJ连接中随机插入若干个核苷酸到V基因 D基因或J基因的末端体细胞超突变 主要发生在V基因选择性剪接和选择性加尾 抗体轻链基因的重排机制 胚性细胞内轻链基因的结构 抗体重链基因重排 转录 后加工和翻译 D基因和J基因连接的多样性 锥体虫主要表面抗原基因的重排 锥体虫是由一种叫采采蝇的吸血蝇传播的血液寄生性原生动物 它是非洲昏睡病的病原体 在应付宿主细胞的免疫系统方面 锥体虫可谓是魔高一丈 它会不断而有序地改变其表面抗原 以逃避免疫系统对它的攻击 因此 一旦人被感染锥体虫 患者极容易进入慢性感染状态 最后可能发展到严重的神经损伤 昏迷或死亡 锥体虫的表面抗原性质与其可变的表面糖蛋白 VSG 由它形成一种保护性的外被 锥体虫基因组约有1000拷贝的VSG基因 但并不是所有的VSG基因都能表达 只有处于表达偶联位点的拷贝 ELC 才有可能被转录 其它位点上的VSG被称为基本拷贝 BC 无转录活性 锥体虫主要表面抗原基因的重排 酿酒酵母在交配类型转换过程中发生的基因重排 DNA甲基化与基因表达 DNA甲基化是一种复制后加工反应 真核生物和原核生物的甲基化位点和甲基化的功能完全不同 真核生物DNA的甲基化位点主要是CpG二核苷酸 少数是CpNpG三核苷酸序列 之中的C 甲基供体为SAM 由DNA甲基化酶催化 C甲基化后成为5 甲基胞嘧啶 CpG序列在基因组中的分布并不均一 它们通常成簇存在 形成所谓的CpG岛 每一个CpG岛长度在1kb 2kb左右 通常位于基因的启动子附近或内部 并有可能延伸到基因的第一个外显子 甲基化样式与基因表达有关 活性基因的CpG岛处于去甲基化状态 非活性基因的CpG岛处于甲基化状态 管家基因的CpG岛在所有的细胞都呈去甲基化状态 而组织特异性基因的CpG岛只是在表达它的细胞才处于去甲基化状态 DNA甲基化导致基因转录活性丧失的三种可能机制 DNA印记 就许多真核生物的某些基因而言 在一个发育的个体之中 两个等位基因中只有一个才表达 而哪一个被表达是由亲代决定的 有的是来自父本的基因才能表达 如IGF 2基因 有的是来自母本的基因才表达 这种由亲代决定的等位基因的选择性表达的机制被称为印记 印记的手段是甲基化 不表达的等位基因的CpG岛上的C被甲基化 表达的等位基因的CpG岛上的C没有被甲基化 在配子形成时期 许多基因就开始以性别特异性的方式进行甲基化反应 性别特异性的甲基化导致胚胎内来自不同亲本的等位基因的区别表达 尽管在胚胎发育的早期 其胚性细胞内的甲基化样式重新设定 需要经历一波又一波的去甲基化和新甲基化反应 但这并不影响到印记基因的甲基化 在个体发育的整个阶段 由于组织特异性甲基化酶的作用 不同类型的细胞其甲基化样式会发生改变 但被印记的基因始终得到维持 这要归功于细胞内一种维持甲基化酶的作用 DNA甲基化与印记 多个启动子的选择性使用 某些真核生物的基因不止一个启动子 例如 抗肌营养不良蛋白有8个启动子 通过使用不同的启动子可转录出不同长度的mRNA 它们经过翻译可产生不同性质或功能的蛋白质产物 人谷胱甘肽还原酶的基因具有两个启动子 这两个启动子分别指导定位于细胞质和线粒体的谷胱甘肽还原酶的合成 指导线粒体谷胱甘肽还原酶的启动子在指导细胞质谷胱甘肽还原酶启动子的上游 显然 上游启动子转录出来的mRNA要比下游启动子转录出来的mRNA要长 分析它们的核苷酸序列以后发现 长mRNA的起始密码子位置前移 因而会多翻译一段指导进入线粒体的信号肽序列 在转录水平上的基因表达调控 真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子 RNA聚合酶II和基础转录因子以外 还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有 增强子 沉默子 绝缘子和各种反应元件 参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录因子 它们包括激活蛋白 辅激活蛋白 阻遏蛋白和辅阻遏蛋白 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达 而阻遏蛋白与沉默子结合 抑制基因的表达 某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为阻遏蛋白其作用 究竟是起何种作用取决于被调节的基因 辅激活蛋白缺乏DNA结合位点 但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作用而行使功能 作用方式包括 招募其它转录因子和携带修饰酶 如激酶或乙酰基转移酶 到转录复合物而刺激激活蛋白的活性 辅阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点 但同样通过蛋白质与蛋白质的相互作用而起作用 作用机理包括 掩盖激活蛋白的激活位点 作为负别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶 如磷酸酶或组蛋白去乙酰基酶 的活性 真核生物在转录水平进行基因表达调控的主要方式 激活蛋白激活基因表达的可能机制 绝缘子作用的分子模型 ICR绝缘子对小鼠Igf2和H19基因表达的控制 转录因子 转录因子是泛指除RNA聚合酶以外的一系列参与DNA转录和转录调节的蛋白质因子 分为基础转录因子和调节转录因子 其中前者又称为一般转录因子或普遍转录因子 专指从核心启动子开始进行精确转录所必需的一组最低数量的蛋白质的总称 其它转录因子参与转录的调节 激活或阻遏基因的转录 因此属于调控转录因子 并不是所有的转录因子都能够与DNA结合 也不是所有的转录因子都是激活基因的转录 转录因子的结构 绝大多数转录因子至少具有以下三种不同的结构域的一种 1 DNA结合结构域 直接与顺式作用元件结合的转录因子都具有此结构域 转录因子通常使用此结构域之中的特殊 螺旋与顺式作用元件内的大沟接触 通过螺旋上的特殊氨基酸残基的侧链基团与大沟中的特殊碱基对之间的次级健 主要是氢键 相互识别而产生特异性 许多转录因子在此结构域上富含碱性氨基酸 这可能有利于它和DNA骨架上带负电荷的磷酸根发生作用 2 效应器结构域 这是转录因子调节转录效率 激活或阻遏 产生效应的结构域 3 多聚化结构域 此结构域的存在使得转录因子之间能够组装成二聚体或多聚体 同源或异源 下面将集中介绍前两种结构域 特别是DNA结合结构域 DNA结合结构域 DNA结合结构域一般会含有以下几种结构基序中的一种 1 螺旋 转角 螺旋 2 锌指结构 3 碱性拉链 4 螺旋 环 螺旋 5 与小沟接触的 支架因子 转录因子四种DNA结合结构域 碱性拉链结构域与DNA的结合 含有 螺旋 突环 螺旋结构域的MyoD与DNA的结合 激活蛋白的效应器结构域 激活蛋白的效应器结构域即是激活基因转录的激活结构域 转录因子上的DNA结合结构域只能让转录因子与特定的顺式作用元件结合 以 锁定 被调节的目标基因 激活基因表达的功能由转录因子上专门的激活结构域承担 已发现三种常见的激活结构域 1 酸性结构域 富含酸性氨基酸残基 但常有1个疏水的氨基酸残基镶嵌在其中 2 富含Gln结构域 3 富含Pro结构域 阻遏蛋白与沉默子结合以后抑制基因表达的三种可能方式 转录水平调控的实例 酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控热休克蛋白的基因表达调控激素诱导的基因表达调控金属硫蛋白的基因表达调控生物发育过程中的组织特异性基因表达 酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控 酵母细胞内参与利用半乳糖代谢的3个基因GAL1 半乳糖激酶基因 GAL7 半乳糖转移酶基因 和GAL10 半乳糖差向异构酶基因 受到半乳糖可得性的协同调节 这3个基因尽管相互靠得很近 但并不象原核生物那样组成操纵子 在GAL1和GAL10之间有一段上游激活子序列 UAS 它为转录因子GAL4蛋白的结合位点 在没有半乳糖时 GAL4蛋白二聚体与GAL80蛋白组成的复合物与UAS结合 这时GAL80作为阻遏蛋白阻止GAL4激活GAL基因的转录 在有半乳糖 同时无葡萄糖 时 半乳糖的代谢物与GAL80上的结合位点结合 改变了GAL80的构象 并导致GAL4的磷酸化从而激活GAL4 GAL基因因此被诱导表达 酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控 热休克蛋白的基因表达调控 与原核生物一样 真核生物在温度骤然升高或其它不良因素的刺激下 体内热激蛋白基因被诱导表达以帮助细胞度过难关 热激蛋白的基因表达除了启动子以外还受到HSE和热激因子 HSF 的控制 其中HSE位于热休克基因的上游 其一致序列是GAANNTTCNNGAA HSF是与HSE结合的转录因子 就哺乳动物而言 在正常的条件下 其细胞内的HSF以单体的形式存在 缺乏结合DNA的活性 在细胞受热或受其它不良因素的刺激下 HSF从单体变成三聚体后进入细胞核 并与HSE结合 上调热休克基因的表达 然而 HSF的三聚体化和与DNA结合还不足以诱导转录 因为在酵母细胞内 HSF一直以三聚体的形式存在并始终与DNA结合 因此 HSF在与DNA结合以后还应该有第二步激活步骤 已有实验证明 酵母和果蝇HSF的第二步激活由超氧阴离子负责 金属硫蛋白的基因表达调控 金属硫蛋白 MT 是一种富含Cys残基的小分子蛋白 在细胞内能够与重金属离子结合 以清除细胞内过量的重金属 从而保护细胞免受重金属毒害 此外 还发现它参与细胞防护活性氧以及调节体内锌离子的稳定 MT基因平常以较低的水平表达 但遇到过量的重金属离子或在糖皮质激素的作用下 可大量表达 重金属离子可诱导MT的表达是因为MT的上游存在MRE 但MRE需要金属反应性转录因子 1 MTF 1 的结合 酵母细胞与MTF 1相当的是ACE 1 该转录因子调节依赖于铜的MT基因的表达 ACE 1在N 端一半含有与MT相似的成簇的Cys残基 铜与成簇的Cys残基结合改变了ACE 1的构象 ACE 1因此被激活而与MRE结合 从而上调MT基因的表达 至于其它生物内的MTF 1如何被重金属离子激活的机制尚不十分清楚 生物发育过程中的组织特异性基因表达 组织特异性基因表达与组织特异性转录因子和组织特异性顺式作用元件 如组织特异性增强子 有关 其主要特征反映在以下几个方面 1 组织特异性转录因子只在特定类型的细胞内表达 通常呈时空特异性的表达 2 组织特异性的转录因子与组织特异性的顺式作用元件 主要是组织特异性的增强子 结合 与普遍表达的基础转录因子一起调节基因的表达 3 某些转录因子专门在细胞分化的早期阶段表达 作用于受阻遏的染色质上的启动子 并招募其它蛋白质 促进染色质的重塑 以形成具有转录活性的染色质结构 4 转录激活通常还受到其它信号的调节 5 在整个个体发育阶段 一种转录因子的表达往往受到另一种转录因子的调节 不同的转录因子会构成一种复杂的级联网络 肌肉形成的三个阶段 转录因子MyoD Myf5 MRF4和肌肉生成素对肌肉细胞形成的影响 果蝇的发育 在受精卵形成以后 任何一种真核生物随后的生长和发育都将涉及到复杂而又精妙的基因表达调控 在发育的每一个阶段 受控的基因表达程序是必要的 这种程序是高度可重复的 对每一个胚胎都是相同的所有的发育都开始于一个单一的受精卵 但必须意识到合子和卵细胞的细胞质并不是均一的 一个卵细胞的内部具有非常确定的mRNA和蛋白质的分布 这种分布是在一个正在发育的卵母细胞受到它周围的滋养细胞和卵泡细胞的作用下形成的 于是母系基因通过这些mRNA和蛋白质对后面的发育进程产生极为重要的影响 在果蝇的发育过程中 有三类基因控制或调节整个发育进程 1 母系基因 这些基因编码的是贮存在卵细胞内的mRNA和蛋白质 由它们决定正在发育的胚胎的前后轴和背腹轴的形成 2 分节基因 这些基因为合子活性基因 在受精后被激活 它们决定体节的数目以及每个体节具有正确的极性 3 同源异形基因 这一类基因通过控制在体节内发育的器官的性质来决定每一体节的性质 一个同源异形基因的突变通常表现在一个身体的器官出现在错误的地方 果蝇不同发育阶段的基因表达 果蝇的前后轴和背腹轴 分节基因对体节形成的影响 果蝇的同源异形基因的对器官形成的影响以及小鼠同源异形基因的排列 果蝇的同源异形基因的排列 选择性剪接 选择性剪接也称为可变剪接 它是指一种mRNA前体在剪接反应中某些区段的序列可能被保留 也可能被排除 从而得到几种不同成熟mRNA产物的过程 它是高等真核生物蛋白质多样性产生的重要来源 据估计 人类基因组中的基因至少有一半经历选择性剪接 平均每个基因有3个 4个剪接变体 选择性剪接可能是组成型的 也可能是受到调控的 前者是指一种mRNA的不同剪接方式发生在所有的组织细胞内 而后者是指某种剪接方式的发生是有条件的 即具有组织特异性 发育阶段的特异性或生理状态的特异性 受到调控的选择性剪接可产生组织特异性或发育阶段特异性的不同蛋白质的同工异体 选择性剪接主要有四种方式 1 外显子跳过 剪接反应中跳过一个或几个外显子 从而导致成熟的mRNA上缺失相应的外显子 2 内含子保留 一个或几个内含子被保留下来而出现在成熟的mRNA之中 3 可变的3 剪接位点的使用 3 剪接位点不止一个 使用不同的剪接位点产生不同的剪接产物 4 可变的5 剪接位点的使用 5 剪接位点不止一个 使用不同的剪接位点产生不同的剪接产物 选择性剪接的四种方式 SV40病毒大T抗原和小t抗原的产生 原肌球蛋白mRNA前体的组织特异性选择性剪接 降钙素mRNA前体的组织特异性选择性剪接 内耳内毛细胞内钾离子通道蛋白mRNA前体的选择性剪接 果蝇性别决定过程中的选择性剪接 选择性加尾 很多真核生物基因的3 端含有2个或2个以上的加尾信号 使用不同的加尾信号将导致产生不同长度或不同性质的mRNA 同一种mRNA前体在加尾反应中 对不同加尾信号的选择而导致产生不一样的成熟mRNA的现象被称为选择性加尾或选择性多聚腺苷酸化 选择性加尾可能会改变编码区的长度 也可能会保留或去除位于3 UTR内影响mRNA稳定性的特定信号 前一种情形是导致一个基因编码不同的多肽产物的另外一种途径 有时它与选择性剪接组合使用