真核生物基因表达的调控.doc

课次：19教学目的：使学生了解真核基因表达调控的特点、转录前的调控，掌握增强子的作用特点和反式作用因子的DNA结合域的结构花式。重点：增强子和反式作用因子的DNA结合域的结构花式。难点：反式作用因子的DNA结合域的结构花式。复习旧课：提问2人，了解教学效果。导入新课：第八章 真核生物基因表达的调控第一节 概述真核生物细胞中由核膜将核和细胞质分隔开，转录和翻译并不偶联；基困组是由多条染色体组成。真核基因的调节分为：真核基因表达调控的特点：第二节 转录前的调控一. DNA的甲基化与去甲基化真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytidine,m5C)，而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。甲基化可使基因失活，去甲基化又可使基因恢复活性。二 染色质结构对真核基因转录的调控1.染色质结构影响基因转录常染色质中的基因可以转录，异染色质(heterochromatin)，无基因转录表达。2. 组蛋白的作用 组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用， 非组蛋白成分起到特异性的去阻遏促转录作用。 核小体结构影响基因转录。三 基因重排和基因扩增对基因表达的影响基因重排(gene rearrangement)，即原胚性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。基因扩增(gene amplification)，即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。基因丢失：在细胞分化过程中，丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。第三节 真核基因转录水平的调控1 顺式作用元件 (cis-acting elements)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。 1.1 启动子(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；表 哺乳动物RNA Pol启动子上游转录因子结合的序列元件组件保守顺序DNA长度结合因子大小（Da）丰度（/细胞）分布TATA boxTATAAAA10bpTBP27,000?普遍CAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF160,000300,000普遍GC boxGGGCGG20bpSP1165,00060,000普遍OctamerATTTGCAT20bpOct-176,000?普遍OctamerATTTGCAT 23bpOct-252,000?淋巴细胞KBGGGACTTTCC10bpNFKB44,000?淋巴细胞KBGGGACTTTCC10bpH2TH1?普遍ATFGTGACGT20bpATF?普遍1.2 增强子 Enhancer又称远端上游序列（far upstream sequence）。最早SV40病毒中发现，可使旁侧的基因转录提高100倍。组成：100-200bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。 正性调控元件增强子的作用特点： 促进基因的转录效率远距离发挥作用 (100500bp，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 1.3 沉默子 silencer负性调控元件，与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。2 反式作用因子（trans-acting factors）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。转录因子(transcription factor)：起正调控作用的反式作用因子。2.1 TF的分类：(1)通用转录因子，在一般细胞中普遍存在，主要识别一些启动子的核心启动成分TATA框，如TBP；上游启动子成分CAAT框，如CTF/NF-1；GC框如SP1；识别八聚体核苷酸的Oct-1等；(2) 特异转录因子：特殊组织与细胞中的，如淋巴细胞中的Oct-2 ；(3) 诱导型因子：和特异调控序列结合。 2.2 TF结构特征DNA结合域，binding domain，BD：100aa， 大沟转录激活域，active domain，AD：30-100aa调节域：与其它因子或调控蛋白结合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/NF12） DNA结合域的结构花式/基元（ motif ） 锌指（zinc finger）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 。A. Cys2/His2：23aa，两指间7-8aa，Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His，串联重复排列，锌指数目多少不等表 带有Cis/His锌指结构的转录因子和DNA结合蛋白蛋白来源大小指结合的DNA靶启动子功能TFA哺乳动物37,000950bp5S基因pol 5S基因转录因子SP1哺乳动物105,000310bpGC boxpol II一般的转录因子ADR1果蝇150,000222bpADH2基因pol 激活ADH基因Kruppel果蝇60,0005?？胚的分节驼背基因产物果蝇80,0004+2?？胚的分节B. Cys2/Cys2：Zn2+与4个Cys结合，Cys- X2- Cys-X13-Cys- X2- Cys，无大量重复性锌指 表 Cys2/Cys2型的调节蛋白蛋白大小指靶糖皮质激素受体94,0002GRE中20bp雌激素受体66,0002ERE中20bpGAL4(酵母)99,0001UAS中17bp腺病毒E1A30,0001?类固醇激素受体家族：以二聚体形式发挥其促进转录作用的。其中：两个锌指的功能不同：第1个锌指右侧控制与DNA结合第2个锌指左侧控制形成二聚体。 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或环连接，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， 同源异形结构域（Homeodomains，HD）：编码60aa的序列，几乎存在于所有真核生物中；有3个a-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。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。 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）：4050aa，含2个a-helix（1516aa）, 由连接区（1228aa）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。碱性-亮氨酸拉链（leucine zipper，ZIP）：依靠Leu的疏水作用, 2个helix 相互缠绕，形成拉链结构；-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-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）3 真核基因转录调控方式-非常复杂归纳小结：真核基因转录前的调控，增强子、沉默子、反式作用因子的DNA结合域的结构花式。布置作业：问答题：1. 增强子的作用特点是什么？2. 转录因子的DAN结合域的特征有哪些？并各举一例说明。教学后记：课次：20教学目的：使学生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。重点：掌握可变剪接、反式剪接、RNA编辑难点： 复习旧课：提问1人，了解教学效果。导入新课：第四节 转录后加工水平的调控1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰2 mRNA加工成熟：2.1 mRNA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，alternative splicing） ：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。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；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，可与RNA结合，决定5剪接位点 RNP的调节：hnRNP-A1, U5-snRNP4) 可变剪接的意义 人类编码蛋白的基因27000个，蛋白种类90000。4060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？2.2 mRNA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。 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。 v 反式剪接产生的5端外显子称为剪接前导RNA（spliced leader RNA，SL RNA）。v SL RNAs存在于几种锥虫和线虫中，它们具有共同的特点； 其结构类似于U1，即SL RNA和U1 snRNA一样具有可以和内含子5端剪接位点识别和结合的功能。2.3 RNA 编辑1) RNA编辑（editing） 指遗传信息在mRNA水平上发生改变的过程。 即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m RNA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。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。3) 编辑的机制：1990年L.Simpsom等 指导RNA（guide gRNA）：一类小分子RNA，对mRNA前体分子的编辑起了指导作用。 特点： 55-70nt， 3端有5-25个U， 5端与mRNA转录产物互补：非常规的互补，G-U配对。机制：插入U 的两步转酯反应，gRNA的3OH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：归纳小结：可变剪接、反式剪接、RNA编辑，转录后加工水平的调控。布置作业：问答题：1. 可变剪接的概念,意义,产生原因是什么。2. RNA的编辑,产生过程,意义。教学后记：课次：21教学目的：使学生了解翻译水平的调控方式及特点。重点：难点： 复习旧课：提问3人，了解教学效果。导入新课：第五节 翻译水平的调控1 mRNA运输控制 运输控制（transport control）是对转录本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。 2 mRNA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。3 mRNA结构3.1 mRNA5前导序列对翻译水平的影响 5m7G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1780Nt之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。 5UTR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。3.2 mRNA3端的结构对翻译速率和mRNA寿命的影响 mRNA 3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 翻译的起始调节-翻译起始因子的磷酸化 翻译起始因子eFI-2磷酸化，磷酸化后不能重复利用，从而选择性的降低或加强一些