真核生物基因表达调控佘

9 真核生物基因表达的调控 9 1DNA水平的调控9 2染色质水平上的基因活化调节9 3转录水平的调控9 4转录后水平的调控9 5翻译水平调控9 6翻译后水平调控9 7原核与真核基因表达调控差异 内容介绍 9 1 1基因丢失在细胞分化过程中 通过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27 DNA丢失 在高等动植物中 尚未发现类似现象 许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性totipotency 9 1DNA水平的调控 9 1 2基因扩增 在没有发生细胞分裂 整条染色体几乎没有复制的情况下 细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象9 1 2 1为满足正常的生长发育需要如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增 卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍 用于转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体 在果蝇滤泡细胞中 编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增9 1 2 2外界环境因素引起基因扩增基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关 在原发性的视网膜细胞瘤中 含myc原癌基因的DNA区段扩增10 200倍 许多致癌剂可诱导DNA扩增 9 1 3基因重排 特异性调节 发生在特殊的细胞类型中例如 酿酒酵母接合型哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接无序的 发生在肿瘤细胞基因组中 9 2染色质水平上的基因活化调节 9 2 1真核染色体的结构9 2 2染色体对基因的表达有调控作用9 2 3组蛋白和有关蛋白质的改变9 2 4转录活跃区对核酸酶的敏感性提高9 2 5甲基化程度降低 9 3转录水平的调控 真核生物细胞中有成千上万个基因表达 不同类型细胞由不同组合的基因表达 那么 每种细胞如何保证正确的基因组合表达 一种途径是基因重复 基因有多个拷贝 不同类型细胞表达不同的拷贝 不同拷贝的表达处于不同调控系统 另一种途径是复合控制系统 真核生物单拷贝基因转录调控系统 网络 9 3 2 1启动子 UPE upstreampromotorelementUAS upstreamactivatingsequence 9 3 2 2 Enhancersv40 促进转录 不具有启动子专一性功能与方向 位置无关远距离发挥作用 100 500bp 10Kb 组织或细胞特异性必须有两个 以上 增强子成份紧密相连 enhanson 增强子的特点 SV40至少有3个不连续的21bp的增强子成分A B C 6个增强子元 9 3 2 3Responseelement 应答元件 效应元件 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 专一蛋白结合 使基因对其作出反应含有短的共有序列 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 一般位于上游元件或增强子内 常是启动子的上游元件或增强子 Eukaryoticresponseelements A T 6meanssixAorT N any 9 3 2 4silencer 负调控元件 不受距离和方向限制 可对异源基因的表达起作用对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用例如酵母 matingtype 珠蛋白 基因簇T淋巴细胞激活所需要的CD4 CD8基因SawadaS 1994 Alineage specifictranscriptionalsilencerregulatesCD4geneexpressionduringTlymphocytedevelopment Cell77 917 929对细胞亚型成熟过程中特异性的选择表达 9 3 3基因转录的反式作用因子 调控蛋白质包括负调控因子 阻遏蛋白 正调控因子 转录因子 原核生物调控蛋白种类较少 由于启动子或操作子结构简单 真核生物调控蛋白种类较多 主要是转录因子 DNAbindingdomain 100aa 氢键 大沟transcriptionactivedomain 30 100aaregulardomain 与其它因子或调控蛋白结合 9 3 3 1TF结构特征 1 结构特点 构成任何一种特征序列或结构的基本单位 是超二级结构已发现4种结构基元在DNA结合中起主要作用DNA结合结构域数据库TRANSFACDNA结合结构域即家族成员TRRD转录调控区数据库COMPEL混合DNA元件的特性 补充内容多肽链的构象 C N C C 螺旋 折叠 turn 转角 R1的C O与R4的NH形成氢键 1 HTH Helix turn helix 2个 螺旋被一个 转角隔开识别螺旋 与DNA在大沟中特异结合穿过大沟 与DNA非特异结合 S386 许多调控蛋白都有HTH 阻遏蛋白与cro蛋白CAP酵母接合型调控蛋白 1 2果蝇的触角足基因Antp玉米的Kn1水稻的OSH1 果蝇的engrailed果蝇的触角足蛋白哺乳动物转录因子 Homeodomain 最早在果蝇的homeoticloci 决定身体结构 中发现 同形异位现象 homeosis 果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因 homeobox 高度保守的一段核苷酸序列 180bp 控制胚胎发育的基因从酵母到人类都存在homeobox DNA序列高度保守 Homeodomain 有3个 helix H1与H2平行H2与H3形成HTHmotifH3位于大沟中 与DNA特异结合N末端位于小沟中 与DNA接触 2 Zincfinger A Cys2 His2 经典 23aaCys X2 4 Cys X3 Phe X5 Leu X2 His X3 HisCys His与Zn 结合形成4面体结构 使中部的氨基酸回折成环 凸出如手指中部芳香族氨基酸保守 疏水串联重复排列 两指间7 8aa锌指数目多少不等 S395 SP1 zyj271 TFIIIA 344aa N端与DNA结合9个锌指 每个 30aa与5srRNA基因内启动子 50bp 结合 B Cys2 Cys2zincfinger Cys X2 Cys X13 Cys X2 CysZn 与4个Cys结合DNA结合序列较短 对称无大量重复性锌指Cys2 Cys2与Cys2 His2不同例如GAL4 酵母的转录因子哺乳类的固醇类激素受体 糖皮质激素受体 ZYJ272 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 碱性DNA结合域 3 Leuzipper 依靠Leu的疏水作用 2个helix相互缠绕 形成拉链结构 baseZIPmotifY形结构 GCN4 在真核生物中广泛存在 C EBP增强子结合蛋白GCN4酵母激活因子CREB cAMP应答元件结合蛋白 原癌基因jun fos编码产物 Leu拉链可以homodimer heterodimer起作用 说明用各种不同组合 可产生不同的调控蛋白 能阅读多种序列 功能的灵活性 4 bHLH Helix loop helix 40 50aa含2个 helix 15 16aa 由连接区 12 28aa 连接 两亲性 amphipathic 通过疏水面作用形成二聚体 NH2端为碱性结合区 16aa MyoD DNA 缺乏碱性区的蛋白质 即使形成 同 异 二聚体 也无法同DNA结合 zyj278 2 转录激活域 A酸性激活域如GCN4 GAL4Prich Gln如SP1 AP2 oct1 oct2Qrich pro如CTF NF1不规则的 含双性 helix 实验 使用不同的激活域 A P Q 与GAL4的结合域构成融合蛋白 检测其激活转录的能力 DNA结合域只是为激活域在DNA分子上寻找一个立足之地 酵母双杂交的技术基础 9 3 3 2反式作用因子的种类 TF I II III 通用转录因子 基础因子 结合在TATA盒上的蛋白质因子 转录必须 TF A TF B TF D TF E等转录调控因子 上游因子 识别并结合在上游元件UPE上 诱导型因子 结合在应答元件上 活性受调控constitutiveexpressioninducibleexpression RNApolII的上游元件及其转录因子 s356 S356 C末端DNA结合域 3个Zn指2个活化结构域 rich Gln在大沟中结合GCbox 一个SP1结合 20bp 无组织特异性 作用无方向性 可提高转录10 25倍最初在SV40中发现 普遍存在于脊椎动物中 每个细胞中有6万个 1 SP1 ThespecifictranscriptionfactorSP1bindstoGCrichsequenceinTATAlesspromoter 2 CTF结合CCAATbox 作用于大沟 无组织专一性每个细胞中有30万个有许多蛋白质可与CAAT结合NF1 腺病毒复制原点的核因子1C EBP 大鼠肝中CCAAT结合蛋白CTF家族CP家族 一种元件可被一种以上的TF识别 一个特定蛋白质能识别不止一种序列 真核生物的转录因子 虽然具有较高程度的独立性 仍然可能与原核生物的 因子起着相同作用 即赋予核心酶识别特异序列 并与之结合的本领 所以没有大量转录因子 RNA聚合酶II本身不可能识别真核中数量巨大的启动子 9 3 4真核基因转录调控机制 基因转录的调控需要顺 反因子 蛋白质之间的相互作用9 3 4 1顺式元件与反式作用因子的相互作用1调控模型调控蛋白以多聚体 2 4 结合识别序列为palindromicseq Y277 S380 节省编码DNA 减少装配的随机错误迅速开关基因 提高调控特异性 平移对称 螺丝对称 两倍轴对称 二倍旋转对称 2蛋白质如何识别DNA特定序列 蛋白质的识别螺旋嵌入DNA大沟中非特异性结合 结合部位附近的正电区域 由带正电的氨基酸侧链组成 与DNA主链的PO4离子产生静电作用 二者距离远 作用弱特异性结合 当到达靶位点时 蛋白质分子上特定位点上的H供体和受体的空间取向正好于DNA靶位点互补 结果形成氢键 使二者距离缩短 1 0 1 5nm 作用力增强106倍这种寻找方式比在DNA上跳动能更迅速地找到靶位点 Cro S389 3 例 cI和cro组成的转录开关系统 S387 cI S388 螺旋3嵌入大沟中 特异结合 氨基端手臂伸到DNA背后 在大沟中与DNA接触 调控蛋白识别DNA采用的HTH模式具有普遍意义 S390 9 3 4 2cis factor互作的模式 Loopinghypothesis 位于2个不同的DNA结合位点上的2个蛋白质 可以通过2个结合位点之间的DNA形成loop得以相互作用 影响基因转录实验证据 cI在OR1上的结合使OR2的结合能力提高GaloperonAraoperonSV40早期启动子Enhancer 热休克蛋白HeatShockProteins HSPs 是在从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白质 当有机体暴露于高温的时候 就会由热激发合成此种蛋白 来保护有机体自身 许多热休克蛋白具有分子伴侣活性 按照蛋白的大小 热休克蛋白共分为五类 分别为HSP100 HSP90 HSP70 HSP60以及小分子热休克蛋白smallHeatShockProteins sHSPs Kyeongetal 1998 9 3 4 3诱导型转录因子活性调控 热休克应答 基因家族 genefamily 真核生物的基因组中有很多来源相同 结构相似 功能相关的基因 将这些基因称为基因家族 如 编码组蛋白和免疫球蛋白的基因都属于基因家族 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起 成为一个基因簇 genecluster 1HSP heatshockprotein aa序列高度保守蛋白质功能高度保守是一种分子伴侣chaperone 2hsp核苷酸序列高度保守 如人与E Coli40 60 多基因家族 多拷贝 成簇存在大部分无内元 如hsp70 转录后不须剪切即可产生成熟mRNA 适应需要 HSE heatshockelement 位于hsp上游核心序列nGAAn 首尾排列 GAANNTTCNNGAA 保守 几乎存在于所有的HSP中 把HSE连接在其它基因的上游 该基因可获得热诱导性 HSE在进化中的保守性是热休克应答普遍性的分子基础之一 HSF heatshockfactor HSE结合蛋白 热激转录因子 DNA结合区 3个螺旋 形成疏水区多聚化区 4个Leu拉链 三聚体有活性C末端 452 488 保守区 5热休克应答的调控机制 常温下 HSF在体内以单体存在 不与DNA结合 无活性 这是由于拉链1 4相互作用 加上Hsp70 hsp90的共同作用 使HSF保持单体 热激后 大量变性和错误折叠的蛋白质出现 与Hsp70 hsp90竞争结合 使拉链区暴露 多聚化 与HSE结合 HSF解离 形成HSF单体 多聚化 与HSE结合 产生HSP HSP积累 可与HSF结合 脱离HSE 热激 shen256 热休克应答现象普遍存在热休克基因家族是迄今被发现的最保守的遗传系统热休克反应可被多种因素诱导 应激反应 9 4转录后水平调控 9 4 1hnRNA选择加工及运输实验发现 在海胆囊胚细胞中 约有2万种不同序列的hnRNA 其中1 3万种加工形成mRNA 在成体肠细胞中 约有2 5万种hnRNA 只有3000种加工成mRNA 在囊胚中存在 而肠细胞中没有的mRNA序列 大多数可在肠mRNA中发现 说明海胆中许多基因的转录并不因组织的不同而有很大的差异 不同组织调控自己mRNA水平的主要方式似乎不在转录水平 而在对hnRNA的选择加工 似乎只有一小部分基因的调控发生在转录水平 除了转录水平调控外 mRNA水平还决定于hnRNA加工 mRNA运输 但对其机制了解不多 hnRNA核内不均一RNA hnRNP与RNA结合蛋白形成核糖核蛋白 蛋白质 3 4 加工5 capping 3 polyA splicing RNP复合物中的蛋白质组分可能包含了各步骤所需的酶 mRNA mRNP在细胞质中与蛋白质结合存在 这些蛋白质只与mRNA结合 不与rRNA RNApolIII转录产物结合 9 4 2alternativesplicing 9 4 2 1概念组成型拼接 一个基因的mRNA前体按一种方式剪切 产生一种mRNA 一种蛋白质选择性拼接 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9 4 2 2产生原因及类型有两个以上的启动子 未发现实例有多个加尾信号 如免疫球蛋白选用不同的拼接位点 如SV40的T t抗原几者兼有 如大鼠降钙素基因相关产物 9 4 2 3调控机制 实质是5 供体与3 受体拼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 snRNP Intron的功能之一是使同一个基因表达出多种蛋白质 即扩大DNA中遗传信息的含量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 9 4 2 4选择性剪接的意义 令人不解 由于可变剪接机制的多样化 一个基因可以在转录后通过hnRNA的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质 因此基因的定义也应随之扩展 即不应以多肽产物为单位 应以独立转录的一段DNA作为确定一个基因的标准 RNA编辑是指遗传信息在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 9 4 3RNA编辑 RNAediting 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editingsignal editosomestructure 生物学意义生物适应中的保护措施之一中心法则的发展 改变DNA的信息 使DNAabbreviated 简略 称为crypticgene crytogene 9 5翻译水平的调控 9 5 1翻译起始因子的磷酸化9 5 2mRNA结构9 5 3mRNA稳定性9 5 4pro 合成的自体调控 例 转铁蛋白mRNA的翻译调控 1 转铁蛋白受体 TfR transferrinreceptor 用于铁的运输铁含量高时 TfR合成减少低时 TfR合成增加IRE 在3 UTR区 与IRE BP结合稳定mRNA 2 Ferritin 铁蛋白 用于铁的解毒铁含量高时 ferritin合成增加低时 ferritin合成减少IRE 在5 UTR区 与IRE BP结合阻止翻译 9 6翻译后水平的调控 翻译后产生的多数蛋白质无生物活性 必须经过切割加工 水解 化学修饰 剪接某些蛋白质有选择的受到抑制某些蛋白质必须位于细胞内特定位置 如溶酶体 线粒体 叶绿体需同其他蛋白质结合 组装成功能单位 如血红蛋白 微管蛋白 核糖体等 都是由多条蛋白质分子结合在一起形成的功能单位 9 6 1Molecularchaperone 1961年 Anfinsen发现变性RNaseA分子在体外自发折叠成天然构象 蛋白质的三级结构是根据氨基酸序列自发形成的 1987年Lasky首先提出了分子伴侣 molecularchaperones 的概念 他将细胞核内能与组蛋白结合并能介导核小体有序组装的核质素 nucleoplasmin 称为分子伴侣 根据Ellis的定义 这一概念延伸为 一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质 它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装 而且在组装完毕后与之分离 不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份 热休克蛋白就是一大类分子伴侣 9 6 2分子伴侣的种类 ZYX353 9 6 3分子伴侣的功能 胁迫保护 帮助多肽正确选择折叠 组装的途径 如胁迫保护 热激后HSP70从细胞质运到核内 防止核蛋白失活转运蛋白 防止过早折叠 帮助越膜 转运消除过早和过多的折叠 有助越膜调节基因转录 DNA复制协助组装细胞骨架 9 6 4分子伴侣的作用机制 识别 一般与暴露于表面的疏水基因结合 有一定特异性结合 以非共价方式 短暂地同新生多肽 非组装的或非折叠的蛋白质结合 从而阻断蛋白质与蛋白质之间的作用 防止其相互聚集或错误折叠 使其按天然状态折叠解离 具有ATPase是解离的必要条件 ATP水解的能量如何与折叠偶联 9 7真核生物主要采用正控制模式 无调节蛋白存在时 基因关闭有调节蛋白存在时 基因开启真核RNApol对其启动子的亲和性转录的启动是依赖多种激活蛋白的作用 与多个顺式元件结合 真核生物基因表达调控的特点和种类 一 真核生物基因表达调控的特点1 RNA聚合酶2 多层次3 个体发育复杂4 活性染色体结构变化 对核酸酶敏感 DNA拓扑结构变化 DNA碱基修饰变化 组蛋白变化 5 正性调节占主导6 转录与翻译间隔进行7 转录后修饰 加工 小结 DNA 转录调控hnRNA 加工调控mRNA 转运调控mRNA mRNA降解调控蛋白质失活mRNA 蛋白质活性调控 翻译调控 活性蛋白质 细胞核 细胞质 根