第六章 真核基因表达调控(2011).ppt

2020/6/13,1,第七章真核基因表达调控,真核基因表达调控的特点是：能在特定的时间，特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化过程，并使生物的组织和器官保持正常的功能。,原核生物基因表达调控的特点：原核生物是单细胞生物，环境因子往往是调控的诱导物，每个细胞对环境变化的反应都是直接和一致的。,2020/6/13,2,真核基因表达调控根据性质分为两种类型：,瞬时调控或称可逆性调控：相当于原核细胞对环境变化所做出的反应。包括：某种底物或激素水平升降时，表现出细胞内酶或某些蛋白质合成的变化；细胞周期不同阶段中酶活性或浓度的调节。,发育调控或称不可逆调控：是真核基因调控的精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。,2020/6/13,3,真核基因表达调控的主要步骤,2020/6/13,4,第一节真核生物的基因结构与转录活性,真核细胞和原核细胞在基因转录、翻译、DNA空间结构方面的主要差别：,mRNA与多肽链的数量关系;基因组DNA存在的形式;基因组DNA的结构;DNA片段的重排及拷贝数的增加;转录调节区的大小，距离转录起始位点的距离及作用的性质;转录和翻译过程在时间和空间上的差别;mRNA的加工。,2020/6/13,5,一、基因家族(genefamily),原核生物中，功能相关的基因组成操纵子，以多顺反子mRNA进行转录，整个体系在一个启动子的控制之下。,真核生物中，DNA是以单顺反子的形式存在。,单顺反子(monocistronicmRNA)：只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。,多顺反子（polycistronicmRNA)：编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。,2020/6/13,6,1、简单多基因家族,家族中的成员一般以串联方式前后连接形成的多基因家族，称为简单多基因。,基因家族(genefamily)：真核细胞中，许多功能相关的基因成套组合，称为基因家族。,基因簇（genecluster)：同一基因家族中的成员紧密排列在一起，称为一个基因簇。,2020/6/13,7,细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析,2020/6/13,8,脊椎动物中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析,2020/6/13,9,真核生物中rRNA基因家庭各成员的成熟过程分析,2020/6/13,10,2、复杂多基因家族,由几个相关的多基因构成，基因家族间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。,2020/6/13,11,3、发育调控的复杂多基因家族,血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由两条链和两条链组成的四聚体加上一个血红素辅基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。,有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子被两个内含子隔开。,2020/6/13,12,2020/6/13,13,2020/6/13,14,1、外显子与内含子,二、真核基因的断裂结构,断裂基因（interruptedgene）：真核生物基因除了与mRNA相对应的编码序列外，还含有一些不编码的序列插在编码序列之间，这些非编码序列在加工为成熟的mRNA时被去除。这样的结构基因称为断裂基因。,2020/6/13,15,外显子（exon）：基因中与mRNA一致的序列，即编码序列，称为外显子。一个基因总是以外显子为起点和终点。,内含子（intron）：基因中编码序列之间的介入序列，在原初转录物加工为mRNA时被去除，即非编码序列，称为内含子。,2020/6/13,16,2020/6/13,17,2、外显子与内含子的连接区特点:1）内含子两端序列不能互补；2）连接区序列高度保守（GT-AG法则）；,2020/6/13,18,2020/6/13,19,3、外显子与内含子的可变性,组成性剪接：在高等真核生物中，内含子通常是有序或组成性地从mRNA前体中被剪接，这种剪接方式称为组成性剪接。选择性剪接：又叫变位剪接，指在剪接过程中可以有选择性地越过某些外显子或某个剪接位点进行变位剪接，产生出不同mRNA的过程，这种剪接方式称为变位剪接。,2020/6/13,20,小鼠淀粉酶基因的表达具有组织特异性。,2020/6/13,21,相同密码子、不同起始位点产生长度不同的蛋白质,同一段DNA序列生成了两条或两条以上的mRNA链。,2020/6/13,22,不同起始位点、不同读码顺序产生不同蛋白质,2020/6/13,23,不同外显子的使用产生不同蛋白质,2020/6/13,24,三、真核生物DNA水平上的基因表达调控,在个体发育过程中，用来合成RNA的DNA模板也会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。它包括了基因丢失、扩增、重排和移位等方式，可以消除或变换某些基因并改变他们的活性。调控方式与转录及翻译水平的调控是不同的，因为它使基因组发生了改变。,2020/6/13,25,1、“开放型”活性染色质结构对转录的影响,HMG（highmobilitygroup)蛋白，高速泳动族蛋白，是染色体上一类低分子量非组蛋白。,2020/6/13,26,染色质转录的动力学模型,蛋白因子能够利用ATP水解所提供的能量，将核心组蛋白八聚体从DNA链中置换。,2020/6/13,27,DNasehypersensitivesitesinthemaizeAdh1promoter.,2020/6/13,28,2、基因扩增,是指基因的拷贝数专一性大量增加，使细胞在短时间内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要。,例如：非洲爪蟾卵母细胞中的rRNA基因(rDNA),rDNA以简单多基因家族形式形成中度重复序列,2020/6/13,29,3、基因重排与变换,基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距离很近的位点从而启动转录，这种方式称为基因重排。,例如：小鼠免疫球蛋白,免疫球蛋白由两条重链（可变区V、连接区J、恒定区C）和两条轻链（V、C）组成；,V:variableC:constant,2020/6/13,30,2020/6/13,31,2020/6/13,32,四、DNA甲基化与基因活性的调节,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与表达。,1、DNA甲基化,CpG通常成串出现在DNA上，这段序列往往被称为CpG岛。,2020/6/13,33,甲基化酶,日常型甲基化酶：在甲基化母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。,从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG,它不需要母链指导，但速度很慢。,2020/6/13,34,DNA甲基化,DNA构象变化,导致,影响,蛋白质与DNA的作用,抑制,转录因子与启动区DNA的结合,2、DNA甲基化抑制基因转录的机理,2020/6/13,35,2020/6/13,36,3、甲基化与X染色体失活,雌性胚生哺乳类动物细胞中含有的两条X染色体之一在发育早期随机失活。并不是卵原细胞、卵母细胞。,人们将与X染色体失活有关的核心区命名为X染色体失活中心（X-chromosomeinactivationcenter,Xic)。在X染色体失活中心发现一个基因Xist(Xi-specifictranscript)。该基因在失活的染色体上表达，而在具有活性的染色体上不表达。,失活染色体上大多数基因都处于关闭状态，DNA序列都呈高度甲基化。,2020/6/13,37,X染色体失活的机理：,2020/6/13,38,2020/6/13,39,真核基因和原核相比表达调控的一些特点,1、在原核中正、负调控同等重要，真核中主要是正调控。2、真核基因的调控序列多，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能启动基因的转录。3、在真核中染色质的结构对基因的表达有明显的调控作用。4、真核基因的表达有多种转录后的调控机制，其中许多机制是原核所没有的。5、真核生物具有调控组织特异性表达的机制。,2020/6/13,40,真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor，又称跨域作用因子）的调控，真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。,第二节真核基因转录机器的主要组成,2020/6/13,41,基因（gene）产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。,一、真核基因的转录,2020/6/13,42,顺式作用元件（cis-actingelements）,一般位于结构基因的附近，由若干DNA序列元件组成，主要包括启动子和增强子，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用（cis-action），这些DNA序列叫顺式作用元件，一般不编码蛋白质。,2020/6/13,43,顺式作用元件一般位于基因附近，与之相连；一般通过与反式作用因子结合发挥功能。,2020/6/13,44,真核基因的启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成，是在基因转录起始位点(+1)及其5上游大约100-200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度约7-20bp，是决定RNA聚合酶II转录起始点和转录频率的关键元件。,1、真核基因的启动子,2020/6/13,45,核心启动子（corepromoter)：是指保证RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始点及转录起始位点上游25-30bp处TATA盒。功能：确定转录起始位点并产生基础水平的转录。,上游启动子元件（upstreampromoterelement)：包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒等，通过TFIID复合物调节转录起始的频率，提高转录的效率。,2020/6/13,46,2、转录模板包括从转录起始位点到RNA聚合酶II转录终止处的全部DNA序列。3、RNA聚合酶II由至少1020个亚基组成，有些亚基也在I、中共用。其中2.4105最大亚基的羧基末端含有由7个氨基酸残基（Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）组成的多磷酸化位点重复序列，称为羧基末端结构域（CTD）。,2020/6/13,47,4、RNA聚合酶II基础转录所需的蛋白质因子（以“TFII”表示）RNA聚合酶II需与20种以上的蛋白质因子结合形成转录起始复合物。RNA聚合酶II起始的基因转录的终止位点的3端都存在一个poly(A)位点，该位点上游1530bp处的保守序列AATAAA对于初级转录产物的切割及加poly(A)是必需的。,2020/6/13,48,poly(A)及AATAAA序列对于基因的转录和成熟意义重大，但RNA聚合酶II却不在该位点终止转录，而是在其下游0.52kb序列。,2020/6/13,49,真核基因的结构,2020/6/13,50,真核启动子不总是单独执行功能，在一些情况下，启动子活性被另一组元件增强子大幅提高。增强子（enhancer）：真核生物中提高启动子效率的顺式作用元件，可以不同的方向，在相对于启动子的任何位置发挥作用。最显著的特点：可在很远的距离起作用。,二、增强子及其对转录的影响,2020/6/13,51,增强子的特性：增效效应十分明显。一般能使基因转录频率增加10200倍，甚至增加上千倍。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列。一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产生增强效应所必需的。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。说明增强子只有与特定蛋白质相互作用才能发挥功能。没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。许多增强子受外部信号的调控。,2020/6/13,52,真核生物基因调控元件示意图,2020/6/13,53,增强子的作用原理：（1）影响模板附近的DNA双螺旋结构，导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接，活化基因转录；（2）将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在核基质上，有利于DNA拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力，促进RNA聚合酶II在DNA链上的结合和滑动；（3）增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶II进入染色质结构的“入口”。,2020/6/13,54,增强子的作用方式,增强子通过结合蛋白与基础转录装置的作用来发挥功能。只有增强子靠近启动子时，才可以发挥作用。,2020/6/13,55,第三节反式作用因子,反式作用因子（trans-actingfactor）:指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质，也叫转录因子。,2020/6/13,56,根据转录复合物中各个蛋白质在转录中作用不同可分为三类：RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性；转录起始或终止的辅助因子，不具有基因特异性；与特异调控序列结合的转录因子。,2020/6/13,57,目前研究最多的转录因子有：TATA区：TFD；CAAT区：CTF；GGGCGG区：SP1；识别热激蛋白启动区：HSF,2020/6/13,58,真核生物中转录因子活性调节的主要方式,2020/6/13,59,碱基与氨基酸之间的作用一般没有固定的搭配模式。,蛋白与DNA结合的结构域比较小，且结构有一定特征，称为结构基元（structuralmotif）；结构基元在与DNA结合中起着主要作用。,2020/6/13,60,一、反式作用因子中的DNA识别或结合域,1、螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，H-T-H）结构,这一类蛋白质分子中有至少两个螺旋，中间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。,2020/6/13,61,接触部位,第三个-螺旋与大沟,N-端与小沟,磷酸骨架,没有特异性,碱基,有特异性,2020/6/13,62,定义：保守氨基酸残基与锌离子结合，使中间的氨基酸残基回折成一种手指状结构，称为锌指。,一个-螺旋与一个反向平行片层的基部以锌原子为中心，通过一对半胱氨酸和一对组氨酸之间形成配位键相连接。,2、锌指（zincfinger)结构,2020/6/13,63,锌指与DNA的结合：C端形成-螺旋，插入大沟与DNA结合，N端形成-折叠；,2020/6/13,64,糖皮质激素受体特异性,雌激素受体特异性,类固醇激素受体是以二聚体形式发挥其促进转录作用的。它们的两个锌指的功能不同。第1个锌指的右侧是控制与DNA结合的，第2个锌指的左侧则是控制形成二聚体的能力的。,2020/6/13,65,3、碱性亮氨酸拉链（basic-Leucinezipper，bZIP),2020/6/13,66,碱性区域插入DNA大沟，与DNA结合。,2020/6/13,67,-螺旋的一侧集中了许多疏水氨基酸，疏水侧面相互作用形成二聚体。-螺旋中亮氨酸频繁出现，且趋于每7个氨基酸残基出现一个亮氨酸，使在形成-螺旋时，亮氨酸出现在-螺旋的疏水一侧，并且直线排列。,碱性亮氨酸拉链：,2020/6/13,68,在拉链区的氨基端有约35个残基的碱性区(富含赖氨酸和精氨酸)。此区的作用是与DNA结合，它也形成-螺旋。亮氨酸拉链区的作用是将一对与DNA结合的区域拉在一起，以结合两个相邻的DNA序列。,2020/6/13,69,碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子序列比较,2020/6/13,70,bHLH蛋白是以二聚体与DNA结合并发挥作用的。,4、碱性螺旋环螺旋（basic-helix-loop-helix,bHLH),2020/6/13,71,2020/6/13,72,碱性-螺旋-环-螺旋结构（basichelix-loop-helix，bHLH）,含40-50个氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂的-螺旋（helix），-螺旋被不同长度的连接区（loop）分开。bHLH蛋白借两个螺旋对应面上疏水基团相互作用形成同样亚基或不同亚基构成的二聚体。,2020/6/13,73,bHLH区使各亚基的两个碱性区正确定向。与bHLH区相邻的是强碱性的区域，它是与DNA结合必须的。,2020/6/13,74,5、同源域蛋白,同源域：是指编码60个保守氨基酸序列的DNA片段，广泛存在于真核生物基因组内，同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化密切相关。许多含有同源转换区的基因编码的蛋白具有转录调控的功能，同源转换区氨基酸序列很可能参与形成了DNA结合区。,2020/6/13,75,2020/6/13,76,2020/6/13,77,在真核生物中，反式作用因子的功能受蛋白质-蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，这就意味着并非每个转录因子都直接与DNA结合。是否具有转录活化域成为反式作用因子中唯一的结构基础。通常依赖于DNA结合结构域以外的30100个氨基酸残基。,二、反式作用因子中的转录活化结构域,2020/6/13,78,转录活化有下列几个特征性结构：1、带负电荷的螺旋结构。糖皮质激素受体AP1家族的Jun及GAL4有酸性的螺旋结构，能与TFIID复合物中某个通用基因或RNA聚合酶II本身结合，并有稳定转录起始复合物的作用。,2020/6/13,79,2、富含谷氨酰胺的结构。Oct1/2，Jun、AP2、血清应答因子（SRF）有相同的富含谷氨酰氨的结构域。,2020/6/13,80,3、富含脯氨酸的结构。CTFNF1因子的羧基端富含脯氨酸（达20%30%），很难形成螺旋。,2020/6/13,81,细胞应答分为3个阶段：外界信息的“感知”，即由细胞膜到细胞核内的信息传递；染色质水平上的基因活性调控；特定基因的表达，即从DNARNA蛋白质的遗传信息传递过程。,第三节蛋白质磷酸化对基因转录的调控,2020/6/13,82,蛋白质的磷酸化及去磷酸化,2020/6/13,83,2020/6/13,84,由细胞膜到细胞核内的信息传递途径:细胞表面受体蛋白构象变化;细胞表面受体发生寡聚化。,受体分子活化细胞功能的途径：受体本身或受体结合蛋白具有内源酪氨酸激酶活性;配体与受体结合，通过G蛋白，活化丝氨酸/苏氨酸或酪氨酸激酶。,2020/6/13,85,一、受cAMP水平调控的A激酶A激酶：指依赖于cAMP的蛋白激酶（PKA），其功能是将ATP分子上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上。,2020/6/13,86,cAMP,2020/6/13,87,许多转录因子的5端启动子区有一个或数个cAMP应答元件，其基本序列为：TGACGTCA。,膜上受体,结合,外源配基,引起,受体构象变化,结合,GTP结合蛋白,激活,腺苷酸环化酶,导致,cAMP浓度升高,活化,A激酶,释放,催化亚基进入核内,活化,转录因子,作用过程：,2020/6/13,88,二、C激酶与PIP2，IP3和DAG,磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate，PIP2)的两个降解产物：肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol，DAG）。,2020/6/13,89,膜上受体,结合,外源配基,活化,受体,活化,G蛋白,激活,磷酸酯酶-,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)降解,肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）,二酰基甘油（DAG）,提高,Ca2+浓度,C激酶,激活,磷酸化,丝氨酸或苏氨酸,图8-31,2020/6/13,90,三、CaM激酶及MAP,Ca2+的细胞学功能主要是通过钙调蛋白（calmodulin，CaM）激酶来实现，也是一类丝氨酸或苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内Ca2+的水平。MAP激酶(mitogen-activatedproteinkinase,MAP-kinase)的活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受体系统的调控。,2020/6/13,91,MAP激酶的结构特点是酪氨酸与丝氨酸残基仅相隔一个氨基酸残基。MAP激酶上酪氨酸与丝氨酸残基的同时磷酸化使之具有活性，引起一系列生理反应。,MAP的磷酸化与活化示意图,2020/6/13,92,MAPK作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。MAPK家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等。,2020/6/13,93,MAPK调控的生物学效应：参与多种细胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位。,2020/6/13,94,四、酪氨酸激酶途径,酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。,2020/6/13,95,跨膜受体家族作用机理：,2020/6/13,96,胞质非受体家族作用机理,2020/6/13,97,五、蛋白质磷酸化与细胞分裂调控,p53基因,2020/6/13,98,第四节蛋白质乙酰化对基因表达的影响,一、组蛋白的乙酰化及去乙酰化1、组蛋白的基本组成2、核心组蛋白的乙酰化及去乙酰化核心组蛋白的N端可发生乙酰化及去乙酰化修饰。,2020/6/13,99,3、组蛋白乙酰基转移酶,与转录有关,与核小体的组装及染色体结构有关,4、组蛋白的去乙酰化使核小体相互靠近，抑制基因转录。,2020/6/13,100,二、组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响,组蛋白乙酰化,中和正电荷，使核小体结构松散,抑制核小体的浓缩,组蛋白乙酰化提高基因的转录活性。,2020/6/13,101,三、p53乙酰化对转录的影响p53蛋白调节p21蛋白的表达，当p53蛋白乙酰化后使与DNA的结合区暴露，增强了与DNA的结合能力从而促进p21基因的转录。,2020/6/13,102,第五节激素与热激蛋白对基因表达的影响,一、激素对靶基因的影响类固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮质激素和雄激素）以及一般代谢性激素（如胰岛素）的调控作用都是通过起始基因转录而实现的。,2020/6/13,103,1、膜受体激素激素作为第一信使，通过与细胞表面质膜受体结合，通过跨膜传递途径将信号传递到细胞内。然后通过第二信使，将信号逐级放大，从而使激素的信号转换为激活转录因子的信号，影响基因表达。,2020/6/13,104,激素透过细胞膜进入细胞,进入,结合,细胞质受体,2、非膜受体激素,2020/6/13,105,二、热激蛋白诱导的基因表达,大多数生物在最适温度以上，能受热诱导合成一系列热休克蛋白，就是由于热激因子（heatshockfactor,HSF)与hsp70基因TATA区上游60bp处的热激应答元件（heatshockresponseelement,HSE)相结合，诱发基因转录的起始。,2020/6/13,106,应答元件：能与某一个或某一类专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列。,2020/6/13,107,三、金属硫蛋白基因表达的调控,金属硫蛋白（metallothionein,MT)是细胞内多余重金属离子的螯合蛋白，在平时有本底水平的表达，还能受重金属离子或糖皮质的诱导而高效表达。,2020/6/13,108,第六节其他水平上的基因调控,一、RNA的加工成熟1、rRNA和tRNA的加工成熟rRNA加工有两个内容，一个是分子内的切割，另一个是化学修饰。rRNA的化学修饰主要是甲基化，原核生物rRNA主要是碱基甲基化，而真核生物rRNA则主要是核糖甲基化。,2020/6/13,109,2、mRNA的加工成熟编码蛋白质