真核生物的基因表达调控

1 第13章真核生物的基因表达调控 Section13RegulationofGeneExpressioninEukaryotes 2 真核生物基因表达调控的特点 真核生物表达调控与原核生物的不同 1 染色体结构不同 2 原核生物具有正调控和负调控并重的特点 真核生物目前已知的主要是正调控 3 原核生物的转录和翻译是相偶联的 真核生物的转录和翻译在时空上是分开的 4 真核生物是多细胞的 在生物的个体发育过程中其基因表达在时间和空间上具有特异性 即细胞特异性或组织特异性表达 3 真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 3 109bp 染色质 染色体 核膜单顺反子 monocistron 含有大量重复序列基因不连续性 断裂基因 interruptedgene 内含子 intron 外显子 exon 非编码区多于编码序列 9 1 4 多层次调控 5 染色体水平的调控 染色质的结构 基本结构是核小体 在细胞中的状态 1 紧密压缩 2 被阻遏状态 3 有活性状态 4 被激活状态异染色质化 6 7 组蛋白对基因活性的影响 占先模型 pre emptivemodel 认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合 转录因子先结合在DNA的特定位点上 基因正常转录 反之 组蛋白先与DNA的特定位点结合 则形成核小体 转录停止 2 动态模型 dynamicmodel 认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中 基因转录前染色质必须经历结构上的改变 即染色质重塑 在染色质重塑过程中 某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小体解体 8 组蛋白的乙酰化 去乙酰化 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种重要的形式 通过乙酰化或去乙酰化 改变了染色质结构或是转录因子的活性 可以调节基因转录的活性 组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某些基因 增强或抑制某些基因的表达 组蛋白的8个亚基上有32个潜在的乙酰化位点 组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶催化完成 9 组蛋白的乙酰化 去乙酰化的生物功能 1 组蛋白乙酰化导致组蛋白表面正电荷减少 组蛋白与DNA结合能力下降 引起核小体解聚并阻止核小体装配 使得染色体处于松弛状态 从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在基因的DNA上 促进基因转录 2 组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种 识别信号 如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应的启动子上 促进转录前起始复合物的装配 3 在细胞分裂期 组蛋白的乙酰化参与细胞周期和细胞分裂的调控 4 组蛋白去乙酰化引起或维持基因沉默 10 非组蛋白 NHP 非组蛋白大多数是磷蛋白 以磷酸化 去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢 生长 增殖和变异等 并能在核内接受外来信号 构成核内信息转导系统 形成一条调节基因表达的重要途径 11 核基质 nucleamatrix 定义 核基质是由3 30nm的微纤丝构成的网络状骨架蛋白 主要成分包括DNA拓扑异构酶 核基质蛋白以及多种DNA结合蛋白 并含有少量RNA 特点 1 限定DNA环状结构域的大小 2 各种核基质蛋白之间相互作用 控制染色体组装的密度程度 调节DNA的复制与转录 3 可能存在着基因的某种增强元件 4 可能有DNA复制的起始位点 12 核基质为DNA复制提供结构支架参与RNA的转录和加工 13 基因的丢失 不可逆某些真核生物随细胞的分化丢失了染色体上的某些DNA片段的现象称为基因丢失 如原核生物的大核体和小核体 基因扩增 增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时 扩增2000倍 达1012个核糖体 药物 诱导抗药性基因的扩增 肿瘤细胞 原癌基因拷贝数异常增加 基因重排 generearrangement 如免疫球蛋白基因重排 多样性 14 DNA水平上的调控 DNA甲基化 DNAMethylation 哺乳动物基因中的5 CG 3 序列中C 5的甲基化称之CpG甲基化 5 CG 3 序列是在表达基因位点处的染色体保持适当包装水平的重要化学修饰序列 当基因序列中的CpG密度达到10 100bp时称为CpG岛 图 持家基因的CpG岛及其启动子 15 甲基化酶 构建性甲基化酶 对CpG进行甲基化修饰 维持性甲基化酶 把甲基化的特性遗传给子代 16 DNA甲基化与转录抑制 甲基化 methylated 程度高 对基因转录抑制的调控能力越强 去甲基化 undermethylated 基因转录激活 基因组印记 哺乳动物的某些等位基因性状的表达由于基因的来源不同而呈现出差异 甚至只表达单一亲系来源 父源或母源 的基因版本 如人类的亨延顿氏舞蹈病 其基因突变是来自父源或母源基因的甲基化 17 雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活 异染色质化 异染色质中的CpG被高度甲基化 基因不转禄 DNA甲基化与X染色体失活 18 甲基化影响DNA与蛋白质的相互作用DNaseI的超敏感区域 1 组蛋白被一种序列特异性蛋白结合而被破坏 DNA裸露出来 2 转录区域 DNA链打开而暴露 3 活跃转录区 1 2 3 19 甲基化以两种方式调控基因的表达 1 甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白质之间的相互作用 2 甲基化改变DNA的正常构型 20 真核基因转录水平的调控 顺式作用元件 cis actingelement 反式作用因子 trans actingFactor 21 顺式作用元件 cis actingelement 顺式作用元件是指具有调节功能的特定DNA序列或影响自身基因表达活性的DNA序列 在基因的同一条DNA分子上 顺式作用元件类型 1 启动子 promoter 3种类型 2 增强子 enhancer 3 沉默子 silencer 负性调节元件 起阻遏作用 4 绝缘子 insulator boundaryelement 在真核基因及其调控区的一段DNA序列 22 23 24 增强子Enhancer在远离转录起始点 上游或下游 的一段可增强启动子活性的调控元件 大小为100 200bp 最初在DNA病毒SV40的基因组中发现 特性 1 加强相连基因从正确起始位点的转录活性 2 增强子无论是在下游或在上游均可激活转录 3 无论是在下游或在上游 可在远离起始位点1Kb以上发挥作用 4 两个启动子串联在一起时 增强子优先激活距离最近的那一个 25 增强子核心序列 G TGGA TA TA T G 26 27 增强子的作用机理 1 为转录因子提供进入启动子区的位点 2 改变染色体的构像 沉默子 silencer 负性调节元件 起阻遏作用 绝缘子 insulator boundaryelement 在真核基因及其调控区的一段DNA序列 功能是阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递 使染色质的活性限定于结构域之内 28 反式作用因子的结构与功能 1 概念 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 2 通用或基本转录因子 RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子 如 TF A TF B TF D TF E等 3 特异转录因子 specialtranscriptionfactors 个别基因转录所必需的转录因子 如 OCT 2 在淋巴细胞中特异性表达 识别Ig基因的启动子和增强子 29 30 反式作用因子的结构特点 1 三个功能结构域 DNA结合结构域 DNA bindingdomain 转录激活结构域 transcriptionalactivationdomain 二聚化结构域 2 能识别并结合顺式作用元件 cis actingelement 3 正调控与负调控 31 32 反式作用因子结构域的模式 一 DNA结合结构域 DNA bandingdomain 锌指结构 zincfingermotif 同源结构域 homodomain HD 螺旋 转角 螺旋 helix turn helixdomain 亮氨酸拉链结构 leucinezipper 螺旋 环 螺旋 helix loop helix HLH 碱性 螺旋 alkaline helix 33 锌指结构域Thezincfingerdomain 锌指结构有2种形式 C2H2zincfinger和C4zincfingerC2H2zincfinger 由12个氨基酸组成的环 通过2个半胱氨酸 C Cys 和2个组氨酸 H His 残基固定 这4个残基与Zn2 在空间上形成一个四面体结构 一般情况下需要3个或更多的C2H2型锌指才能与DNA结合 如在TFIIA有9个重复 转录因子SP1有3个重复 C4zincfinger Zn2 与4个半胱氨酸 C Cys 结合 存在于类固醇激素受体转录因子中 34 折叠 螺旋 半胱氨酸Cys 35 Thezincfingerdomain锌指结构域 折叠 螺旋 36 Thehelix turn helixdomain螺旋 转角 螺旋结构域 特点 DNA结合蛋白包含有60个氨基酸的同源域 Homeodomain 由同源框序列编码 homeobox 果蝇的DNA结合结构域由4个 helices 螺旋 组成 螺旋 和 保持了适当的角度 并被一个特异的 turn 转角 所分隔 这些结构域在 噬菌体的Cro阻抑物 乳糖 和色氨酸阻抑物中存在 也存在与真核生物中 包括人类 识别螺旋处于DNA的大沟中 并与DNA发生作用两个同源域因子BicoidandAntennapedia的识别螺旋可以互换 也就交换了他们的DNA结合特性 37 亮氨酸拉链 leucinezipper 结构域 1 富含碱性的氨基酸残基 2 通常与亮氨酸拉链或HLH helix loop helix 基序中的一个联合在一起 称为碱性亮氨酸拉链 bZIP 或碱性HLH蛋白 3 蛋白的二聚作用使2个碱性结构域相邻 进而可与DNA发生作用 38 亮氨酸拉链 leucinezipper 39 40 螺旋 环 螺旋结构域Thehelix loop helixdomain HLH结构域 如 MyoD蛋白 可变连接区 DNA特异位点 DNA特异位点 41 螺旋 环 螺旋 DNA特异位点 42 1 酸性激活结构域Acidicactivationdomains酵母Gcn4和Gal4 哺乳动物糖皮质激素受体 疱疹病毒激活子的转录激活结构域均含有高比例的酸性氨基酸 称为酸性激活结构域 2 富含脯氨酸结构域Prolin richdomain在c Jun AP2和OCT 2等转录因子中发现富含脯氨酸结构域 这个结构域可以激活转录 3 富含谷氨酰胺结构域Glutamine richdomains在SP1转录因子的2个激活区域上发现富含谷氨酰胺结构域 这些结构域与果蝇触角蛋白质的结构域可以互换 反式作用因子结构域的模式 续 二 转录激活结构域 transcriptionalactivationdomain 43 三 二聚体结构域Dimerizationdomains 亮氨酸拉链 Leucinezipper 的肽链上每隔7个残基就有一个疏水的亮氨酸残基 这些残基位于DNA结合域的C端 螺旋上 形成一个疏水表面 疏水表面的相互作用 形成了二聚体 卷曲的卷曲结构 coiled coilstructure 如bZIP转录因子 44 5 端加帽 cap 和3 端多聚腺苷酸化 polyA 的调控意义使mRNA稳定 在转录过程中不被降解mRNA的选择剪接 alternativesplicing 对基因表达的调控外显子选择 optionalexon 内含子选择 optionalintron 互斥外显子 内部剪接位点mRNA运输的控制 真核基因转录后水平的调控 45 46 47 48 翻译水平的调控 5 端UTR 非翻译区 结构与翻译起始的调节 5 帽子结构的甲基化 1 保护mRNA免遭5 外切酶的降解 2 为mRNA的从核中输出提供转运信号 3 提高翻译模板的稳定性和翻译效率 翻译起始因子的调控 eIF 2 4F的磷酸化能提高翻译速度eIF 2 的磷酸化能抑制翻译起始 49 翻译起始因子 eIF2 的调控 50 3 UTR 非翻译区 结构与mRNA稳定性 多聚腺苷酸尾的调节作用 polyA尾巴的功能 1 稳定mRNA分子 抵抗3 端外切酶攻击的作用 2 有助于细胞质中成熟mRNA的翻译 3 3 UTR区域具有保护5 端帽子结构的作用 51 3 UTR序列及结构对mRNA稳定性的调节 球蛋白mRNA的3 URT序列含有许多CCUCC重复蛋白序列 这些序列发生突变将降低mRNA的稳定性 某些不稳定的mRNA起3 UTR含有50nt的共有序列AUUUA 称为ARE ARE结合蛋白可以聚集外切多聚腺苷酸酶和内切酶 加速mRNA的降解 52 新生肽链的水解 酶解肽链N端的第一个氨基酸 稳定化氨基酸 Met Ser Thr Ala Val Cys Gly Pro 与去稳定氨基酸肽链中氨基酸的共价修饰 磷酸化 甲基化 酰基化通过信号肽 signalpeptide 分拣 运输 定位 翻译后水平的调控 53 翻译调控Translationalcontrol在原核生物中 不同基因的翻译水平受下列因素的调控 原核生物自身产生的较短反义RNA与mRNA结合 抑制了翻译 多顺反子mRNA对核酸酶的相对稳定性 调节翻译的进程 mRNA的自身结合 阻止了其与核糖体附着的蛋白质结合 54 在真核生物中 真核生物通常用改变基因的转录水平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量 但也有一些调控发生在细胞质中 如 1 蛋白质结合掩盖了mRNA 阻碍了翻译 2 mRNA的3 非编码区存在5 AUUUA 3 的重复序列 使得mRNA不稳定 降低翻译效率 2 多蛋白Polyproteins单一翻译产物被切割形成两个或多个独立蛋白 称为多蛋白 55 3 蛋白质定位Proteintargeting蛋白质在细胞内的定位是取决于生物自身蛋白质的特性 相对长短以及其氨基酸的序列 这些序列可以决定蛋白质是否是被分泌 转运至核内还是转运至其他细胞器内 原核生物的蛋白定位 分泌 右图 56 真核生物的蛋白质定位 有两条途径 57 第1条途径Post transla