q-基因表达调控PPT课件

-,1,第三节真核基因表达调控,RegulationofGeneExpressioninEukaryote,-,2,一、真核细胞基因表达的特点,真核基因组比原核基因组大得多原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次,-,3,原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达,-,4,真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。,-,5,图18-5真核生物基因表达的多层次复杂调控,-,6,二、染色质结构与真核基因表达密切相关,活性染色质(activechromatin),具有转录活性的染色质,超敏位点（hypersensitivesite),当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位点,（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感,-,7,(二)转录活化染色质的组蛋白发生改变,组蛋白结构及其化学修饰,（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体,-,8,组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。,-,9,组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响,-,10,（三）CpG岛甲基化水平降低,CpG岛（CpGisland)：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个基因组中，人们将这些GC含量可达60%，长度为300-3000bp的区段表观遗传（epigeneticinheritance)：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置催化子链DNA在相同位置上发生甲基化,-,11,三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位,順式作用元件指可影响自身基因表达活性的DNA序列,-,12,图18-7顺式作用元件,A、B分别代表同一基因中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件,-,13,（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂,-,14,真核基因启动子的典型结构,-,15,（二）增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件,增强子的功能及其作用特征如下：,与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件。是组织特异性转录因子的结合部位不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用作用与序列的方向性无关需要有启动子才能发挥作用,-,16,（三）沉默子能够抑制基因的转录,沉默子是一类基因表达的负性调控元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用,-,17,四、转录因子是转录调控的关键分子,真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子（transcriptionfactor,TF）。绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因子。,-,18,真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。,反式作用因子(trans-actingfactor),-,19,图18-8反式与顺式作用蛋白,-,20,通用转录因子(generaltranscriptionfactors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,-,21,特异转录因子(specialtranscriptionfactors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,-,22,转录调节因子结构,-,23,最常见的DNA结合域：,锌指模体(zincfinger),常结合GC盒,C=半胱氨酸；H=组氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=锌离子,图18-9锌指结构,-,24,碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH),（a）独立的碱性螺旋-环-螺旋模体结构示意图；（b）bLHL模体二聚体与DNA结合的示意图。两个-螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内,常结合CAAT盒,-,25,常结合CAAT盒,3.碱性亮氨酸拉链(basicleucinezipper,Bzip),（a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与DNA结合的示意图。两个-螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合,-,26,五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式,（一）启动序列/启动子与RNA聚合酶活性,（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性,启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始的频率,真核RNA聚合酶II不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子与RNA聚合酶II形成一个功能性的转录前起始复合物。,-,27,图18-12转录起始复合物的形成,真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,-,28,六、转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能,（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达,5-端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性3-端的poly(A)尾结构防止mRNA降解,RNA无论是在核内进行加工、由胞核运至胞浆，还是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形成核蛋白颗粒(ribonucleoprotein,RNP)进行的。,-,29,与原核基因表达调节一样，某些小分子RNA也可调节真核基因表达。这些RNA都是非编码RNA（noncodingRNA,ncRNA）。如：具有催化活性的RNA（核酶）、细胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人们广泛关注的非编码RNA有miRNA和siRNA。小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，,（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默,-,30,（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达,真核生物基因所转录出的mRNA前体含有交替连接的内含子和外显子。通常状态下，mRNA前体经过剔除内含子序列后成为一个成熟的mRNA，并被翻译成为一条相应的多肽链。但是，参与拼接的外显子可以不按照其在基因组内的线性分布次序拼接，内含子也可以不完全被切除，由此产生了选择性剪接,-,31,七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryoticinitiationfactor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。,1翻译起始因子eIF-2的磷酸化抑制翻译起始,-,32,2eIF-4E及eIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始,帽结合蛋白eIF-4E与mRNA帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节eIF-4E的活性。磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化的eIF-4E的4倍，因而可提高翻译的效率。,-,33,（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节,RNA结合蛋白（RNAbindingprotein,RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。,-,34,（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达,新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。,-,35,是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约20-25个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链RNA前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。这些成熟的miRNA与其他蛋白质一起组成RNA诱导的沉默复合体（RNA-inducedsilencingcomplex,RISC），通过与其靶mRNA分子的3端非翻译区域（3UTR）互补匹配，再以目前尚不清楚的机制抑制该mRNA分子的翻译。,（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂,1微小RNA(microRNA,miRNA),-,36,其长度一般为2025个碱基；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。,miRNA的特点：,-,37