DNA水平调控

,DNA转录水平调控,基因丢失,基因扩增,基因重排,DNA甲基化状态与调控,抗体分子的形成Ti质粒转座子,DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。其中有些改变是可逆的。,一、基因丢失：,在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。,二、基因扩增：,基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。,外界环境因素引起基因扩增 药物诱导抗药性基因的扩增； 肿瘤细胞中原癌基因拷贝数异常增加。 原发性的视网膜细胞瘤中，含myc 原癌基因的DNA区段扩增10200倍。 许多致癌剂可诱导DNA扩增。,基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。,发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在,DNA含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的DNA含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍体基因组中的DNA质量。,将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。,三、基因重排：,在所有物种中，胚系Ig基因的构成基本上相同。Ig重链和轻链(和链)基因座都由多个编码V区(可变区）和C区（恒定区）蛋白质的基因组成，并被非编码的DNA（连接区，J区）所分隔。V、C、J区在胚胎期细胞中相距较远，细胞发育分化时，免疫球蛋白重链基因DNA重排，大量间隔序列被切除，使位于J-C之间的增强子序列得以发挥作用，增强基因转录。,四、DNA的甲基化与基因调控,1、DNA的甲基化,DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达DNA甲基化的主要形式: 5-甲基胞嘧啶，N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟嘌呤。,在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中,CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛,同裂酶检测甲基化位点,真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：,日常型甲基转移酶,从头合成型甲基转移酶,主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。,催化未甲基化的CpG成为m CpG，速度很慢。,日常型甲基转移酶常常与DNA内切酶活性相耦联，有3种类型。II类酶活性包括内切酶和甲基化酶两种成分，而I类和III类都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基化，又能降解外源无甲基化DNA。,由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等真核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类基因组中约存在4万个CG 序列，大多位于转录单元的5区。没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被氧化成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢复成C。已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它就变为T, 无法被区分。因此, CpG序列极易丢失。,DNA甲基化抑制基因转录的机理： DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性，从而影响到DNA与蛋白质相互作用方式的改变，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。主要是不利于模板DNA与RNA聚合酶的结合。如：引起BDNA向ZDNA过渡， Z-DNA结构收缩，螺旋加深，大沟（蛋白质因子识别）不存在，不利于转录起始。启动区DNA上的DNA甲基化密度与基因转录受抑制程度相关，其影响与MeCP1结合DNA的能力成正相关。甲基化CpG的密度和启动子强度间的平衡决定该启动子是否有转录活性。,2、亲本印记(parantal imprinting),父母亲染色体甲基化程度不同，基因的活性也不同，来源于父母本的一对等位基因表达不同。后代出现单亲传递现象为之。又称基因组印记(genomic imprinting)。,如源于父本的IGF- (胰岛素样生长因子)基因可表达，而源于母本的则不能表达。此是由于卵母细胞中的IGF- 已被甲基化，而精子中的IGF-未被甲基化，所以这一对等位基因在合子中表现不同。,印记失真可导致遗传病：如亨廷顿氏舞蹈病！,亲本的IGF-等位基因在早期胚中被差异甲基化，在成体形成配子时仍保留原甲基化的模式。,3、基因印记形成步骤,基因印迹过程有三个阶段：印记删除：印迹删除发生在原始生殖母细胞形成过程之中，受孕9-21周。印记重建：印记重建发生在配子形成过程之中，受孕21周-性发育成熟。印记维持：母系基因印迹时父系等位基因会表达；父系基因印迹时母系等位基因会表达。印记维持是发生在胚胎和个体的整个时期。,印记基因并非编码在DNA序列中，靠配子形成时DNA或染色质表观变化。,转录水平的调控,顺式作用元件(cis-acting element)反式作用因子(trans-acting factor),影响基因表达活性的DNA序列非编码序列包括：启动子、增强子、沉默子等,沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用,一、顺式作用元件(cis-acting element),一、顺式作用元件(cis-acting element),1、启动子(promotor),核心启动子：TATA box上游启动子元件：CAAT box和GC box,2、增强子,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 (100500bp，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,增强子的特点,感染真核细胞的病毒DNA大多具有增强子，可被寄主细胞蛋白质激活。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）：具有糖皮质激素基因的增强子，能在被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中旺盛生长。,病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子,二、反式作用因子(trans-acting factor),反式作用因子三个功能结构域 1. DNA结合域 (DNA-binding domain)； 2. 转录激活域 (transcriptional activation domain)； 3. 结合其它蛋白的结合域,为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。,1）螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix，HTH） 2）锌指结构（zinc finger） 3）碱性-亮氨酸拉链 （basic-leucine zipper，bZIP） 4）碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix/loop/helix，HLH） 5）同源域蛋白（homeo domain，HD）,1、反式作用因子DNA结合域的模式（motif ）,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,阻遏蛋白CRP酵母接合型调控蛋白1，2,许多调控蛋白都有HTH,Cys2/His2, 经典的锌指结构23aaCys- X2-4- Cys-X3-Phe- X5 -Leu- X2 -His- X3 -HisCys、His与Zn+结合形成4面体结构，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,2）锌指结构(zinc finger motif)：两种,SP1,TF IIIA,344aa，N端与DNA结合9个锌指，每个30aa与5s rRNA基因内启动子（50bp)结合,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 例如GAL4，酵母的转录因子 哺乳类的固醇类激素受体,Cys2/Cys2 zinc finger,-COOH，每隔6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,依靠Leu的疏水作用，2个helix 相互缠绕，形成拉链结构,3） bzip（P262）,4050aa含2个-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端为碱性区，16aa,4） bHLH （ Helix-loop-helix）,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,最早在果蝇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,5）同源域蛋白 Homeo domain,有3个helixH1与H2形成HTH motifH3位于大沟中，与DNA特异结合N末端位于小沟中，与DNA接触,真核生物基因的表达调控,酸性-螺旋结构域 如GCN4，GAL4富含谷氨酰胺结构域 如SP1, AP2, oct1, oct2富含脯氨酸结构域 如CTF/NF1不规则的，含双性-helix,2、转录激活结构域(transcriptional activation domain),反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动等反式作用因子的组合式调控作用(combinatorial gene regulation)使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达,3、反式作用因子与顺式作用元件的结合,成环,constitutive expressioninducible expression,4、反式作用因子的种类,TF(I，II，III）： 通用转录因子 (基础因子)：RNA聚合酶结合启动子所必需的蛋白因子 转录调控因子(上游因子)：识别并结合在上游元件UPE上，提高转录效率，活性不受调控 诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控，调控基因的特异性表达,SP1,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GC box，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,The specific transcription factor SP1 binds to GC rich sequence in TATA less promoter,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！,CTF结合CCAAT box，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1 C/EBP, 大鼠肝中CCAAT结合蛋白 CTF家族 CP家族,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，即核心酶识别特异序列，并与之结合。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。,RNA 聚合酶II仅仅是一台转录机器，该机器何时、何处、何种速度转录DNA，取决于转录因子与DNA顺式作用元件的相互作用对聚合酶的II活化或抑制作用,已经在细胞核中识别，纯化并克隆了一系列转录因子，按TFIIA、TFIIB、TFIIC等命名，按一定的顺序在基本启动子上装配成转录起始复合物，并受到多种水平的调节控制,表 人类型启动子的转录因子因子 分子量 功能RNAPol 10K 依赖模板合成RNATFA12,19,35K 稳定TFD和DNA的结合，激活TBP亚基TFB33K 结合模板链（-10+10），起始Pol结合，和TFE/F 相互作用TFD(TBP,30K) TBP亚基识别TATA，将聚合酶组入复合体中，TAFs识别 特殊启动子TFE34K() 结合在Pol的前部，使复合体的保护区延伸到下游 57K()TFF38, 74K 大亚基具解旋酶活性（RAP74）,小亚基和Pol结合， 介导其加入复合体TFH 具激酶活性，可以磷酸化PolC端的CTD，使Pol逸出， 延伸T