第三节染色质水平调控

1、 第三节第三节 染色质水平调控染色质水平调控w一、异染色质化一、异染色质化w如水蜡虫（pseudococcus nipae）w（2n=10）在体细胞里来自父本的5条染色体依次被异染色质化，在精子形成时丢失，只保留来自母本的5条染色体。w剂量补偿剂量补偿（dosage conpensation） 雌性哺乳动物雌性哺乳动物x染色体的失活染色体的失活w莱昂假说莱昂假说（lyon hypothesiis）w（1）巴尔小体是一个失活的x染色体，失活的 过程就称为莱昂化莱昂化（lyonization）；w（2）在哺乳动物中，雌性个体细胞中的两个x 染色体中有一个x染色体在受精后的第16 天（受精卵增殖到5

2、000-6000，植入子宫 壁时）失活；w（3）两条x染色体中哪一条失活是随机的；w（4）x染色体失活后，细胞继续分裂形成的克 隆中，此条染色体都是失活的；w（5）生殖细胞形成时失活的x染色体可得到恢 复。 1.无汗性外胚层发育不良(anhidrotic ectodermal dysplasia) 2.三色猫 3. g-6-pdh二. 组蛋白与非组蛋白三.dnase的敏感性和基因的表达 高泳动蛋白(high-mobility group,hmg) hmg14 和 hmg17四. 座位控制区(locus control region ,lcr) 特化染色质结构(specialized croma

3、tin structures, scs or scs ) 隔离子或绝缘子(insulator) 原代细胞培养 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b a + 图 18-36 ab 表型女人培养细胞的 g-6-pd 电泳图 骨髓的 骨髓的 胸腺的 胸腺的 mrna 染色质 染色质 mrna dna 组 非 非 组 dna dna 蛋 组 d 组 蛋 白 蛋 蛋 白 d 白 白 图 18-37 染色质重建实验1染色质结构改变模型-组蛋白置换w(1) 占先模型(pre-emptive model) 模型认为：决定的因素是转录因子和组蛋白谁先占据调控位点。dna复制时，组蛋白8聚体解离，转录因子乘机结

4、合到调控位点上，一直持续到下一个复制周期，抑制了组蛋白和dna的结合。 例1：当5s rrna基因与组蛋白结合时tfa不能激活此基因。而tfa可与游离的5s rrna基因结合，再加入组蛋白不能使此基因失活。 例2：含腺病毒启动子的质粒能被tfd结合，再被rna pol 转录，如先加入组蛋白，则不起始转录，如先加入tfd则形成的染色质中，模板仍能转录染色质的占先模型提出：如在启动子上已形成了核小体，那么转录因子和rna聚合酶是不能和启动子结合的；如转录因子和rna聚合酶在启动子上已建立了稳定的起始复合体，那么组蛋白将被排除在外。(2)动态模型(dynamic model) 近来研究表明：组蛋白置

5、换需输入能量。 一些转录因子结合dna时可裂解核小体， 或建立一个可产生核小体定位结合位点的边界。 如果蝇hsp70启动子上的核小体在体外实行 重建。gaga(细胞核结合蛋白)转录因子与启动子中4个富含(ct)n位点结合，破坏了核小体，形成一高敏感区，而且导致邻接的核小体重排，这样它们就优先插入到随机位点。核小体打开的过程是需要水解atp的耗能过程。染色质的转录模型依赖于那些通过水解atp提供能量，从特异dna序列取代核小体的因子3.组蛋白的乙酰化和去乙酰化控制染色活性w组蛋白的乙酰化和基因表达的状态相关。w组蛋白h4的去乙酰化是雌性哺乳动物一条x染色体失活的原因之一。whats (histo

6、ne acetytransferases)组蛋白乙酰化酶whdacs (histone deacetylases)whats有两组，一组为a组，和转录有关； 另一组是b组，和核小体装配有关。辅激活因子可能有hat乙酰化核小体组蛋白尾巴的活性w去乙酰化和基因活性的阻遏有关。w在酵母中sin3和rpd3的突变将阻遏基因转变。 sin3和rpd3与dna结合蛋白ume6形成复合物，而此复合物阻遏具有由ume6 结合的urs1(上游阻遏序列)元件的启动子转录。 rpd3具有hdacs活性。阻遏复合体含有3个成分：dna结合亚基，辅阻遏物和组蛋白的去乙酰化酶pc-g蛋白不起始阻遏，但可维持阻遏用dnaa

7、sei来鉴别基因的活性在成体的红细胞中，成体-球蛋白基因对dnaasei的降解是高度敏感的，对胚胎-球蛋白基因是部分敏感的(可能是由于扩散效应)，但对卵清蛋白基因是不敏感的。胚胎-球蛋白基因成体-球蛋白基因卵清蛋白基因五.大范围调节与功能区的隔离 5 超敏感位点 3 超敏感位点 g a 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80kb 图 18-38 在珠蛋白功能区的两端被超敏感位点所标记。5 端一组位点含有 lcr，此对于这个基因簇中的各基因的功能来说都是必要的。(仿 b.lewin:genes,1997, fig .29.18) lcr(locus control region)

8、5端调控位点，起初级调控作用，它即是一簇超敏感位点。hs42 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28kb 87a6 87a7 87a8 scs hsp70 hsp70 scs resistant resistant sensitive sensitive sensitive sensitive 图 1840 在果蝇的基因组中特化的染色质结构。在功能区的末端产生超敏感位点，屏蔽了基因，使其不受两侧序列的影响。(仿 b.lewin:genes,1997，fig .29.19)(specialized chromatinsructures). 核基质蛋白 核基质(nu

9、clear matrix) 骨架蛋白(scaffolding protein) 核基质结合区(matrix association,mar) 骨架附着区(scaffold attached region,sar) 限定子(delimiter) 绝缘体(insulators) 增强子 in1 in2 + 100 200 300 400 500 600 700 800 900 990 atattt atattt 5 mar 3 mar 图 18-41 免疫球蛋白重链基因 igh(2b)的 mar (matrix attachment site) insulator 限定子 mar lcr 转录单位

10、 ? ? 限定子 若基因是必要的，则单元也是必要的 图 18-42 功能区可能有三种位点：限定子阻止相邻功能区之间的影响； mar 将功能区附着在核基质上；(仿 b.lewin:genes,1997， fig .29.22) 第四节第四节 dnadna水平的调控水平的调控 一一. . dnadna的甲基化与去甲基化的甲基化与去甲基化 620 611 586 527 d c b a 5 gcg ccg ccg gcg 3 3 cgc ggc ggc cgc 5 图 1844 鸡卵黄蛋白原基因 5 端调节区有 4 个 cpg 位点 nh2 4 n 3 5 n c 2 6 ch o n ho o 图

11、 1845 5氮胞苷结构式 人类女性成纤维细胞 小鼠 a9 细胞(hprt) 融合 hat 选择 杂种细胞两条 x 染色体中有 40 条染色体一条为 x/11 易位 小鼠人杂种细胞 含有 2 条人的 x 染色体用硫基鸟嘌呤反选择 选择出来的杂种 细胞中的 x 染色体是失活的用 5-氮胞苷处理 未用 5-氮胞苷处理后,在 hat 培养 在 hat 培养基中基中培养 培养细胞成活 细胞死亡图 18-46 含有一条失活 x 染色体的分离及 5 氮胞苷使 hprt 基因复活实验 二.亲本印记(imprinting)w印记:来源于父母本的一对等位基因表达不同。如源于父本的igf- (胰岛素样生长因子)基

12、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。w目前在人类和鼠身上已辨明了20种印迹基因。大多数人类的印迹基因集中在三个簇中。在每个基因簇上都存在着特异的印记盒印记盒 (imprinting box)，能顺式调节印迹基因的亲本特异性表达，这些位点表现出亲本特异性的甲基化作用和去甲基化作用。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。第五节转录水平的调控一顺式作用元件和反式作用因式元件： (1) 核心启动子成分 ， 如 tata 框 ； (2) 上游启动子分

13、，如 caat框 ,gc框 ; (3) 远上游顺序 ：如增强子 ，减弱子 、 静 息 子 ,酵 母 的 uas （ upstreamactivator sequences）等。 (4) 特殊细胞中的启动子成分 ：如淋巴 细胞中的 oct (octamer）和b。 反式作用因子可以分为3类； (1) 通用反式作用因子通用反式作用因子，主要识别启动子的核 心启动成分，如tbp； （2）特殊组织与细胞中的反式作用因子，如淋巴细 胞中的oct-2； （3）和反应性元件反应性元件（response elenents）相结合的反 式作用因子。 如hse（热休克反应元件，heat shock respons

14、e element）， gre（糖皮质激素反应元件glucocorticoid response element）； mre（金属反应元件，metal response element）； tre（肿瘤诱导剂反应元件，tumorgenic agent response element);(一) 蛋白质直接和dna结合1. 螺旋转角螺旋螺旋转角螺旋（helix-turn-helix, hth）： 如laco的r蛋白，的ci，cro蛋白，涉及酵母交配型的a1和a2蛋白。真核生物中的oct-1和oct-2；2.锌指结构锌指结构（zinc fimger） 单个的锌指保守序列是：单个的锌指保守序列是：c

15、ys-x2-4-cys-x3-phe-x5- leu-x2-his-x2-his 型型: 2cys/2his : tf iiia, sp1 型型: 2cys/2cys : gal4 2 cooh 1 3 nh2 螺旋转角螺旋(hth) f l c h zn c h nh2 y cooh 锌指结构3. 亮氨酸拉链（leucine ziipper） 同二聚体同二聚体（honwdimers） 异二聚体异二聚体（hefercdimers） c-jun,c-fos,myc , 4. 螺旋一环一螺旋（hlh）在hlh中带有碱性区的肽链称为 碱性碱性hlh（bhlh，protein）。 bhlh又分为两类。

16、 a类是可以广泛表达的蛋白，包括哺乳动物的e12/e47（可和免疫球蛋基因增强子中的元件结合）和果蝇da（daughterless,性别控制的总开关基因）的产物； b类是组织特异性表达的蛋白，包括哺乳动物的myod(肌浆蛋白（myogen）基因的转录因子 果蝇的ac-s（achaete-scute 无刚毛基因的产物） hooc cooh hooc cooh ll ll ll ll + + + + + + + + + + + + nh2 nh2 + + nh2 nh2 亮氨酸拉链 螺旋环螺旋(hlh) 5同源异形结构域（homeodomains，hd）是一种编码60aa的序列，长180bp，它存

17、在于很多控制果蝇早期发育基因中，在高等生物中也发现了相关基序。 hd的c-端区域和原核阻遏蛋白的hth同源，但也有几点不同:（1）hd的c端由3个-螺旋构成，螺旋3结合于大沟，长17aa；而阻遏蛋白由5个-螺旋构成，螺旋3长仅9个 aa；（2）原核的hth的以二聚体形式与dna结合，靶序列是回文结构，而hd是以单体形式与dna结合，靶序列不是回文结构；（3）hd n-端的臂位于小沟，而hth螺旋1的末端与dna的背面接触。 （二）蛋白质和配基的结合 甾类受体蛋白一般都具有3个不同的功能区：（1）n-端区是激活转录所需的区域，不 同受体之间此区的同一性仅小于15%；（2）dna结合及转录活化区，

18、同一性较高为94-42%；（3）c-端的激素结合和二聚体形成区， 同一性为57-15%。 n-端区 dna 结合 甾类结合和 激活转录所需 和转录激活 二聚体形成区 1 177 262 428 490 532 697 图 18-52 糖皮质激素受体三个功能区的分布 甾类激素 细胞质 受体 核 ger/增强子 启动子 转录 激活 图 18-51 糖皮质激素与受体结合后进入核内和增强子结合 激活糖皮质激素调节基因的启动子，导致转录 (二) 蛋白质之间的相互作用 酵母半乳糖代谢中gal80和gal4的相互作用： 酵母半乳糖代谢调控和gal操纵中的调控形式是 完全不同的：（1）被调节的基因多位于不同的

19、染色体上；（2）负调节蛋白gal80不直接和dna结合，而是和 gal4结合，占据其功能域来阻遏转录的；（3）作为正调节因子不仅需要半乳糖作为诱导物，还需要gal4蛋白作为转录因子，它不是像原核中的正调节蛋白仅和操纵子中的操纵基因结合，使整个基因簇得以转录，而是分别和各个被调节基因上游元件uas结合，促进转录。 d-gal gal 80 细胞核 细胞质 gal 80 基因 5 gal 4 抑 诱导物 dgal 蜜二糖 c-半乳糖苷酶 gal 4 制 atp 基因 1 adp 半乳糖苷酶 gal 7 10 1 dg1p 激 udpglu 基因 7 glu-1-p 半乳糖转移酶 gal 2 活 u

20、dp-d-gal gal 5 基因 10 表面异构酶 gal 3 udpdg 图 18-53 酵母半如糖代谢途径及其调控 图例： ：激活； ：抑制 gal80 结合区 dna 二聚体 结合区 形成区 激活区 激活区 1 65 94 148 196 768 851 881 图 18-54 gal4 结合功能区的分布 半乳糖缺乏 半乳糖存在 gal gal80 gal4 转录激活区 dna 结合区 uasg uasg gal4：二聚体结合于 uasg 上 gal4：二聚体结合于 uasg 上 gal80 结合于 gal4 上 gal80 和 gal 结合而解离 gal 基因不转录 gal4 激活

21、gal 基因转录 图 18-25 酵母 gal 基因激活模型 激活区 dna 结合区 转录因子 5 调控位点 启动子 结构基因 待测蛋白 ？ 报告基因第六节第六节 转录起始和加工的调节转录起始和加工的调节w一一. 转录起始的选择转录起始的选择w酵母蔗糖酶基因，有6个基因（suc15,7）位于不同的染色体上。每一个基因都可以转录合成蔗糖酶，但有胞内酶和胞外酶两种不同形式。w前者的合成不受葡萄糖存在的影响，但含量低；w后者的合成受到葡萄糖的抑制。w两种酶的结构相似，w胞外酶仅多了信号序列，经切除后胞外酶比胞内酶在n-端仅多了一个serw经分析发现suc-2 基因有3个tata框，但尚不清楚和2种酶

22、的关系，也没有确定是否存在camp-cap位点。 p(c) 信号肽 酶的编码区 p(r) atg atg 1.8kb aug 组成型 mrna(c) 胞内酶 1.9kb aug 调节型 mrna(r) 胞外酶 图 18-56 酵母 no9 染色体上的 suc-2 基因的不同转录起始二选择性加工二选择性加工 (一) 不同5端的选择 (二) 选择不同的3端 (三) 选择不同外显子 ps 外显子 s pl 外显子 l 外显子 2 外显子 3 dna 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mrna： 1663nt 初始转录本： 在肝中

23、转录 成熟 mrna： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mrna dna 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 tata tata aataaa 1 4 5 6 7 8 9 (在心脏中) 190aa lc1 mrna 20kb aug (在砂囊中) 149aa lc3 10kb 2 3 5 6 7 8 9 图 18-58 鸡肌球蛋白轻链前体 mrna 在不同的组织中进行不同的选择性拼接 5 非编码 编码外显子 降钙素的 cgrp cgrp 非编码 3 外显子 的共同区 编码外显子 编码外显子 外显子 5 3 c1 c2 aataaa

24、aataaa 转录 甲状腺“c”细胞 脑 mrna mrna c1c2 降钙素 poly(a)3 c1c2 cgrp poly(a)3 翻译 翻译 降钙素 共同区 降钙素 16aa cgpp 共同区 cgrp 4aa 前体蛋白 前体蛋白 前体蛋白 lys arg gly lys lys arg lys arg gly arg arg arg 图 18-59 大鼠降钙素基因两个 polya 位点和不同的剪接模式 cgrp：(calcitonin gene-related peptide) 降钙素基因相关的神经肽 第七节第七节 翻译的调控翻译的调控w一一.mrna运输控制运输控制（transpor

25、t control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节;w二二mrna翻译的控制翻译的控制w三三mrna的结构和翻译的效率的结构和翻译的效率w四翻译的起始调节四翻译的起始调节w五选择性翻译五选择性翻译w六反义六反义rna调控调控w七翻译的自我调节七翻译的自我调节 琥珀酸 coa甘氨酸 dala 合成酶 氨基酮戊酸 胆色素原 原卟啉 血红素 图 18- 61 血红素的反馈调节 dala：氨基-酮戊酸(aminol evulinate) r2c2 + 2camp (rh) 2 c 2 (无活性) 血红素存在 2r camp + 2c adp eif-2-p h2o (无活性) hcr

26、hcr 蛋白磷酸酯酶 (无活性) (有活性) atp eif pi (有活性) pi h2o met-trna+esp 起始复合体 蛋白磷酸酯酶 图 18 60 血红素对网织红细胞中蛋白质合成的调节 hcr：控制血红素阻遏物(hemin-controlled repressor) esp ：eif-2 刺激蛋白（eif-2stimulating protein） 和珠蛋白的合成。 (p 221)在二倍体细胞中都有4个-珠蛋白基因，它们之间的浓度比应是：=2：1，而实际上是1：1在无细胞系统中加入等量的mrna和mrna和少量的起始因子,结果合成的-珠蛋白仅占3%。当加入过量的起始因子时珠蛋白和

27、珠蛋白之比为1.4：1，接近1：1，表明翻译起始因子和两种mrna的亲和性不同。第八节第八节 细胞周期的调控细胞周期的调控w真核生物细胞有丝分裂周期有两个关键的过程：一一.细胞周期与调节细胞周期与调节 “起点起点”（start）， m期进入限制点（commitment to m phase） 成熟促进因子成熟促进因子。（muturior promoting factor， mpf）。后又称为m期促发因子期促发因子（m-phase puomoting factor,mpf）。 周期蛋白周期蛋白 (cyclin) 表 18-12 几种生物中在细胞周期中的周期调控的同源蛋白催化亚基(p34 蛋白) 调节亚基（周期蛋白）物种mg1g1mmg1g1m粟酒裂殖酵母cdc2cdc2cdc13(b-like)cig1、2酿酒酵母cdc28cdc28clb 14(b-like)cln 13哺乳动物/蛙p34cdk2(p33)cdk4cyclins a、b1、b2cyclins a、d1、d2、d3、e参考 b.lewin:genes,1997,fig.36.18 cyclin-m 降解 cyclin-m 去磷酸化 p34 p34 p34 thr161 被磷酸化 m 失活 g2 合成 g1-cyclin g