分子生物学课件--真核生物表达调控.ppt

真核生物基因调控根据性质可分为两大类 第一类是瞬时调控或称可逆性调控 包括 某种底物或激素水平的升降 酶活性和浓度的调节 第二类是发育调控或称不可逆调控 它决定了真核细胞生长 分化 发育的全部进程 按调控发生的先后次序也可分为如下过程 图9 1 1 DNA水平的调控 是真核生物发育调控的一种形式 它包括 基因丢失 甲基化 扩增 重排 等方式 基因丢失 目前认为这种调节方式主要是在较低等的真核生物中 如马蛔虫 只有在生殖细胞核中保持个体发育的全部基因 而体细胞核中却失去了一部分基因 在原生动物和昆虫中也有类似现象 体细胞不具有全能性 高等生物没有发现类似的现象 可进行体细胞核移植 一 转录前调控 2 基因扩增 是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象 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 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因约500个拷贝 在减数分裂I的粗线期 这个基因开始迅速复制 到双线期它的考贝数约为200万个 扩增近4000倍 以满足卵裂期间和胚胎期间合成大量蛋白质的需要 是基因调控的一种方式 3 基因重排 一个基因可以通过远离其启动子的地方移到距它很近的位点 而被起动转录 这种方式称为基因重排 如 小鼠免疫球蛋白结构基因的表达 Ig分子的肽链主要是由V区 C区及两者之间的J区组成的 而且V基因 C基因 和J基因在小鼠胚胎细胞中是相隔较远的 当免疫球蛋白形成细胞 淋巴细胞 发育分化时 能通过染色体内重组 把3个远离的基因紧密的连接在一起 从而产生免疫球蛋白Ig分子 甲基化RobertsonKD NatureReviewsGenetics 6 8 597 610Aug2005DNA甲基化是一种重要的基因组表观遗传修饰 参与调控许多细胞过程 包括胚胎发育 转录 染色质结构 X染色体失活 基因组印迹以及染色体稳定性 同这些重要功能相符合的是 越来越多的人类疾病被发现同DNA甲基化的异常有关 对这些疾病的研究提供了对DNA甲基化以及其他表观遗传修饰在发育和正常细胞动态平衡中的作用的新认识 1 染色质结构影响基因转录 细胞分裂时松开分散在核内的染色质称为常染色质 euchromatin 常染色质的基因可以转录 染色体中的某些区段到分裂期后 仍保持紧凑折叠的结构 在间期核中可以看到其浓集的斑块 称为异染色质 heterochromatin 基因不能转录表达 原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达 哺乳类雌体细胞2条X染色体 到间期一条变成异染色质者 这条X染色体上的基因就全部失活 可见紧密的染色质结构阻止基因表达 2 真核基因的转录与染色质的结构变化相关 2 组蛋白的作用 早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录 去除组蛋基因又能够转录 组蛋白是碱性蛋白质 带正电荷 可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合 从而遮蔽了DNA分子 妨碍了转录 可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用 染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞特异性 可能消除组蛋白的阻遏 起到特异性的去阻遏促转录作用 3 转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加 在核小体区DNA受组蛋白掩盖的结构有变化 出现了对DNase 高敏感点 hypersensitivesite 这种高敏感点常出现在转录基因的5 侧区 5 flankingregion 3 末端或在基因上 多在调控蛋白结合位点的附近 分析该区域核小体的结构发生变化 可能有利于调控蛋白结合而促进转录 4 DNA拓扑结构变化天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋 当基因活跃转录时 RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋 其后面的DNA为负性超螺旋 正性超螺旋会拆散核小体 有利于RNA聚合酶向前移动转录 而负性超螺旋则有利于核小体的再形成 5 DNA碱基修饰变化 真核DNA中的胞嘧啶约有5 被甲基化为5甲基胞嘧啶 5methylcytidine m5C 而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低 这种甲基化最常发生在某些基因5 侧区的CpG序列中 实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录 甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录 1 顺式作用元件 cis actingelements 真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列 其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件 包括启动子 promoter 增强子 enhancer 近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子 silencer 二 转录调控 真核启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列 而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录 而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用 真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100 200bp序列 包含有若干具有独立功能的DNA序列元件 每个元件约长7 30bp 最常见的哺乳类RNA聚合酶 启动子中的元件序列见表9 1 1 启动子 表 1哺乳类RNA聚合酶 启动子中常见的元件 原核生物TTGACA TATAAT 起始位点 35 10真核生物增强子 GC CAAT TATAA 5mGpp 起始位点 110 70 25 真核与原核生物启动子的比较 核心启动子元件 corepromoterelement CPE 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列 包括转录起始点及其上游 25处的TATA盒 核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录 上游启动子元件 upstreampromoterelement UPE 或称上游激活序列 upstreamactivatingsequence UAS 包括通常位于 70bp附近的CAAT盒和GC盒 以及距转录起始点更远的上游元件 这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率 不同基因具有不同的上游启动子元件 其位置也不相同 这使得不同的基因表达分别有不同的调控 启动子中的元件可以分为两种 是一种能够提高转录效率的顺式调控元件 最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA 可使旁侧的基因转录提高100倍 其后在多种真核生物 甚至在原核生物中都发现了增强子 增强子通常占100 200bp长度 也和启动子一样由若干组件构成 基本核心组件常为8 12bp 可以单拷贝或多拷贝串连形式存在 2 增强子 增强子提高DNA链上基因转录效率 可以远距离作用 通常可距离1 4kb 甚至30kb仍能发挥作用 而且在基因的上游或下游都能起作用 增强子作用与其序列的正反方向无关 将增强子方向倒置依然能起作用 增强子要有启动子才能发挥作用 否则增强子不能表现活性 但增强子对启动子没有严格的专一性 同一增强子可以影响不同类型启动子的转录 增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用 细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定了它具有组织或细胞特异性 增强子的作用有以下特点 最早在酵母中发现 以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在 目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多 但从已有的例子看到 沉寂子的作用可不受序列方向的影响 也能远距离发挥作用 并可对异源基因的表达起作用 3 沉寂子 以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子 transcriptionfactors TF RNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子 在真核细胞中RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用 而需要与其他转录因子共同协作 与RNA聚合酶 相应的转录因子分别称为TF TF TF 对TF 研究最多 表 2列出真核基因转录需要基本的TF 2 反式作用因子 transactingfactors 表 2RNA聚合酶 的基本转录因子 螺旋 转角 螺旋 helix turn helix HTH 及螺旋 环 螺旋 helix loop helix HLH 一种和DNA结合的调控蛋白 由串联的a螺旋构成 a螺旋之间形成转角 HTH常结合于大沟 常为阻遏蛋白 这类结构至少有两个 螺旋 其间由短肽段形成的转角或环连接 两个这样的motif结构以二聚体形式相连 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 图9 5 与DNA结合的转录因子大多以二聚体形式起作用 与DNA结合的功能域常见有以下几种 其结构如图9 6所示 每个重复的 指 状结构约含23个氨基酸残基 锌以4个配价键与4个半胱氨酸 或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合 整个蛋白质分子可有2 9个这样的锌指重复单位 每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟 接触5个核苷酸 例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构 锌指 zincfinger 这结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基 结果就导致这些亮氨酸残基都在 螺旋的同一个方向出现 两个相同的结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体 这二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基 借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合 若不形成二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低 碱性 亮氨酸拉链 basicleucinezipper bZIP 受精卵发育为新个体 是受一系列基因调控的 这些基因在发育过程中 按照时间 空间顺序启动和关闭 互相协调 对胚胎细胞的生长和分化进行调节 细胞分化的实质是在外界信号的作用下 胞内核质相互作用的结果 果蝇 母体基因 产物是一种DNA结合蛋白即转录因子 它激活分节基因的转录 决定胚胎的前后轴和背腹轴 分节基因的功能是把胚胎分为划分为体节 分为三类 间隙基因 gapgenes 成对基因 pair rulegenes 和体节极性基因 segmentpolaritygene 这三组基因也是等级关系 体节极性基因又激活同源异形基因 homeoticgene hox 决定每一体节的性质与形态特征 即选择体节向某个方向发育 分化 由于这类基因的产物都含有HD结构 所以又称为同源异形框 盒 基因 homeoboxgenes Hox 同源异形基因的突变导致发育的异常 如在本来该长触角的地方长出腿来 而在该形成平衡棒的部位长出第二对翅 同源异型域 左 正常果蝇的触角为具芒触角 右 突变果蝇的触角发育为足 果蝇的双胸突变 两节中胸 没有后胸 因而没有平衡棒 1 RNA加工成熟 无论是rRNA tRNA mRNA 转录后都必须经过加工 才能成为有功能的分子 rRNA 前体是45S 成熟的rRNA是18S 28S 5 8S 还要经过化学修饰 核糖甲基化 tRNA 首先经过核苷的修饰 生成4 5S前体tRNA 在剪接成为成熟的tRNA mRNA 5加帽子 3加poly A 还要经过剪接以及核苷酸的甲基化修饰 三 转录后调控 真核生物的基因可以分为两大类 一类是简单的转录单位 另一类是复杂转录单位 转录后加工方式是不同的 1 简单转录单位 编码产生一个多肽 转录后加工有3种形式 a 基因没有内含子 转录后无需加工 也没poly A 如组蛋白基因 b 没有内含子 无需剪切 但需要加poly A 尾 如 干扰素基因 c 有内含子 需要加工 及加poly A 尾 但他们只产生一个有功能的mRNA 2 转录后加工的多样性 初级转录产物可通过不同的方式加工成两个或两个以上的mRNA a 利用多个转录起始点或剪接位点产生不同的蛋白质 b 有一个起始位点 但有多个加poly A 位点 不同的剪接方式可得到不同的蛋白质 c 虽无剪接 但有多个转录起始位点或加poly A 位点 2 复杂转录单位 1 蛋白质合成的起始 扫描模式40S核糖体首先与mRNA5端处结合 向3端滑行 遇到AUG起始密码时 与60S结合形成80S起始复合物 即扫描模式 但 只有当AUG处于合适的前后序列时才能如此 即A GNNAUGG 决定了40S是否与60S结合 起始翻译蛋白质 四 翻译调控 帽子结合蛋白 capbinding