真核生物基因转录调控修改

1、第八章第八章 真核基因表达调控真核基因表达调控eukaryote gene expression regulation目的要求n掌握基因表达的定义、特点、方式 n掌握顺式作用元件和反式作用因子的概念 n理解真核和原核生物的基因表达和基因表达调控相似和不同之处 n掌握启动子、增强子和转录因子的概念、结构、功能及其相互关系 序言序言(introduction)central dogma序言序言(introduction)一、基因表达的概念一、基因表达的概念n基因表达基因表达:从从dna到蛋白质的过程到蛋白质的过程,就是基就是基因转录及翻译的过程。因转录及翻译的过程。n基因表达的产物：蛋白质或基因表

2、达的产物：蛋白质或rnan细胞或生物体的全套遗传物质，称为细胞或生物体的全套遗传物质，称为基因基因组（组（genome）。）。n在某一特定时期，基因组中通常只有部分在某一特定时期，基因组中通常只有部分基因表达。基因表达。第一节第一节 基本概念与原理基本概念与原理basic conceptions and principle二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性n基因表达有严格的规律性基因表达有严格的规律性n时 间 特 异 性 （时 间 特 异 性 （ t e m p o r a l specificity） 按功能需要，某一特定基因的按功能需要，某一特定基因的表达按特定的时间

3、顺序发生。表达按特定的时间顺序发生。n基因表达的时间特异性与分化、基因表达的时间特异性与分化、发育的阶段相一致，又称阶段发育的阶段相一致，又称阶段特异性（特异性（stage specificity）。）。 空间特异性（空间特异性（spatial specificity）n在个体生长全过程，某种在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组基因产物在个体按不同组织空间顺序出现。织空间顺序出现。n基因表达的空间特异性又基因表达的空间特异性又称 细 胞 特 异 性 （称 细 胞 特 异 性 （ c e l l specificity）或组织特异）或组织特异性（性（tissue specificity）

4、。 基因表达的时间、空间特异性由特异基基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和（或）增强子与调节因的启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。蛋白相互作用决定。n决定决定基因表达基因表达时间、空间特异性时间、空间特异性的分子基础的分子基础三、基因表达的方式三、基因表达的方式n组成性表达（组成性表达（constitutive gene expression） n诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达( inducing and repressing expression)组成性表达（组成性表达（constitutive gene expression）n某些基因产物对生命全过程都是

5、必某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的。这类基因在一需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为表达，通常被称为管家基因管家基因（housekeeping gene）。n表达水平较恒定，波动小。表达水平较恒定，波动小。这类基这类基因表达被视为基本的或组成性基因因表达被视为基本的或组成性基因表达。表达。n表达只受启动序列或启动子与聚合表达只受启动序列或启动子与聚合酶相互作用调节。酶相互作用调节。诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达n诱导（诱导（induction） 可诱导基因在特定环境信号刺激可诱导基因在特定环境信号刺激下被激活，基

6、因表达产物增加的过程。下被激活，基因表达产物增加的过程。n阻遏（阻遏（repression）可阻遏基因对环境信号应答时可阻遏基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低的过程。被抑制，基因表达产物水平降低的过程。 *n表达水平易随环境信号刺激而升高表达水平易随环境信号刺激而升高(诱导诱导)或降低或降低(阻遏阻遏) ， 波动大。波动大。 适应性表达（适应性表达（adaptive expression)n基因除受启动序列或启动子与基因除受启动序列或启动子与rna聚合酶相互作用外，聚合酶相互作用外， 还通过其它调控序列中所含的特异反应元件接受其他机还通过其它调控序列中所含的特异反应元件接受其他机

7、制调节。制调节。协调表达（协调表达（coordinate expression） 功能上相关的一组基因，无论其为何种表达功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表达，方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表达，即为协调表达。即为协调表达。 这种调节称为协调调节（这种调节称为协调调节（coordinate regulation）。）。四、四、基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义n适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 编码基因表达与否及水平决定编码基因表达与否及水平决定了细胞内某种功能的蛋白质分子有了细胞内某种功能的蛋白质分子有或无、多或

8、少等数量变化。或无、多或少等数量变化。n维持个体发育与分化维持个体发育与分化 在同一生长发育阶段，不同组在同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布差异是调织器官内蛋白质分子分布差异是调节细胞表型的关键。节细胞表型的关键。hox mutantantennaleg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bithorax mutant果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控基因表达的多级调控

9、基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素基因表达的多级调控基因表达的多级调控(p238图图7-1)n基因激活基因激活n转录起始转录起始n转录后加工转录后加工nmrna降解n蛋白质翻译蛋白质翻译n翻译后加工修饰翻译后加工修饰n蛋白质降解等转录转录后翻译翻译后基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素特异特异dna序列序列n原核生物操纵子原核生物操纵子 操纵子操纵子(operon)由由结构基因结构基因与与启动子（启动子（promoter）、操）、操纵序列（纵序列（operator）以及以及调调节基因节基因组成。组成。n启动子序列是启动子序列是rna聚合酶结合并聚合酶结合并启动转录的特

10、异启动转录的特异dna序列。序列。 在转录起始点上游及在转录起始点上游及区域存在一些相似序列，区域存在一些相似序列，称为称为共有序列（共有序列（consensus sequence） 区域是区域是tataat，又，又称称pribnow盒（盒（pribnow box,tata box） 区域为区域为ttgaca。操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白n调节基因调节基因control elementstructural genesn真核生物基因转录激活调节的真核生物基因转录激活调节的dna序

11、列序列,由若干由若干dna序序列元件组成，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起，列元件组成，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起，因此被称为因此被称为顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）（p257）：可影响自身基因表达活性的：可影响自身基因表达活性的dna序列。序列。真核生物基因转录激活调节的真核生物基因转录激活调节的dna序序列列顺式作用元件顺式作用元件n常见的有常见的有启动子启动子(-30区区tata盒或盒或hogness box ， caat盒，盒， gc盒盒)、增强子和沉默子。增强子和沉默子。顺式作用元件顺式作用元件(p255)调节蛋白调节蛋白1)原核生物

12、基因调节蛋白原核生物基因调节蛋白n阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor）可结合特异可结合特异dna序序列列操纵序列，阻遏基因转录。操纵序列，阻遏基因转录。 阻遏蛋白介阻遏蛋白介导负性调节机制。导负性调节机制。n激活蛋白（激活蛋白（activator）可结合启动序列临近的可结合启动序列临近的dna序列，促进序列，促进rna聚合酶与启动序列的结合，聚合酶与启动序列的结合，增强增强rna聚合酶的活性。聚合酶的活性。mrna阻遏蛋白阻遏蛋白idnazyaoppol没有乳糖存在时没有乳糖存在时, lac操纵子处于阻遏状态。操纵子处于阻遏状态。阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mrna

13、阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时idnazyaoppol启动转录启动转录mrna乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶ncapcap分子内有分子内有dnadna结合结合区及区及campcamp结合位点。结合位点。n当没有葡萄糖及当没有葡萄糖及campcamp浓度较高时，浓度较高时，campcamp与与 capcap结合而刺激结合而刺激rnarna转转录活性；录活性；n当有葡萄糖存在时，当有葡萄糖存在时，campcamp浓度降低，浓度降低，camp camp 与与 capcap结合受阻，结合受阻，laclac操纵子表达下降。操纵子表达下降。 cap的正性调节的正性调节2)真核基因调节

14、蛋白真核基因调节蛋白-转录因子转录因子 （transcription factor）n转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用（元件相互作用（dna-蛋白质相互作用）反式激活另一基因蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，故称的转录，故称反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）(p259):能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核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。心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。n顺式作用及顺式作用蛋白。顺式作用及

15、顺式作用蛋白。cdnaadna反式调节反式调节c顺式调节顺式调节 mrna c蛋白质蛋白质cba mrna蛋白质蛋白质aadna-蛋白质、蛋白质蛋白质蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用相互作用n dna-蛋白质相互作用（蛋白质相互作用（dna-protein interaction） 反式作用因子与顺式作用元件之间反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。的特异识别及结合。 dna结合位点呈对称、或不完全对结合位点呈对称、或不完全对称结构（见图）。称结构（见图）。 dna-蛋白质间通过碱基与氨基酸蛋白质间通过碱基与氨基酸的相互联系形成复合物。的相互联系形成复合物。 绝大多数调节蛋白结合绝大多数

16、调节蛋白结合dna前需通过蛋前需通过蛋白质蛋白质相互作用形成白质蛋白质相互作用形成二聚体（二聚体（dimer）或或多聚体（多聚体（ploymer） (eg. bzip结构结构p262;bhlh结构结构p263)。 二聚化（二聚化（dimerization）就是指两分子就是指两分子蛋白质单体（蛋白质单体（monomer）通过一定结构域）通过一定结构域结合成二聚体。结合成二聚体。 二聚体包括同二聚体（二聚体包括同二聚体（homodimer），），异二聚体（异二聚体（heterodimer）。）。n蛋白质蛋白质相互作用（蛋白质蛋白质相互作用（protein-protein interaction）r

17、na聚合酶聚合酶）启动子与）启动子与rna聚合酶活性：聚合酶活性：n启动子核苷酸序列会影响其启动子核苷酸序列会影响其与与rna聚合酶的亲和力，直聚合酶的亲和力，直接影响转录起动的频率。接影响转录起动的频率。n真核真核rna聚合酶单独存在时，聚合酶单独存在时，与启动子的亲和力极低或无与启动子的亲和力极低或无亲和力，必须与基本转录因亲和力，必须与基本转录因子形成复合物才能与启动子子形成复合物才能与启动子结合。结合。rna聚合酶基本转录因子（2）调节蛋白与）调节蛋白与rna聚合酶活性聚合酶活性：n启动子决定基因的基础转录启动子决定基因的基础转录频率。频率。 一些特异调节蛋白在适当环境信号一些特异调节

18、蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋白通过白通过dna-蛋白质相互作用、蛋白质蛋白质相互作用、蛋白质蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响rna聚合酶活性，聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变。从而使基础转录频率发生改变。n诱导剂、阻遏剂等小分子信诱导剂、阻遏剂等小分子信号通过改变调节蛋白分子构号通过改变调节蛋白分子构象影响基因表达。象影响基因表达。 诱导剂、阻遏剂第二节第二节 真核基因转录调节真核基因转录调节regulation of eukaryotic gene transcription原核与真核生物基因表达的原核与真核生物基因表达的差

19、异差异 repeptitive gene overlapping gene splitting gene no intron post-transcription transcription & translation rna processing synchronizelyeukaryote prokaryoteeukaryote prokaryote dna + histon chromatin naked dna enhancer & silencer attenuater monocistron polycistron (operon) m5c gene offtran

20、s factor acetylationphosphorylationmethylation glucosylationactive formeukaryote prokaryoteeukaryote prokaryote一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点n（一）（一） 真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 哺乳类动物哺乳类动物基因组基因组dna 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因约编码基因约 有有 40000 个个，占总长的占总长的6 %rdna等重复基因约等重复基因约 占占 5% 10%n转录是在活化的染色质结构中进行的（转录是在活化的染色质结构中进行的（p265）（二）单

21、顺反子二）单顺反子(monocistron) 一个编码基因转录生成一个一个编码基因转录生成一个mrna分子，经分子，经翻译生成一条多肽链。翻译生成一条多肽链。（三）重复序列三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列（四）基因不连续性（四）基因不连续性（p243）正相重复序列与反转重复序列正相重复序列与反转重复序列(inverted repeat,5%)二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）一）rna聚合酶聚合酶(p256)真核真核rna聚合酶有聚合

22、酶有rna pol、及及。对。对pol催化的催化的mrna转录来说，转录因子转录来说，转录因子d(tfd)起核心作用起核心作用二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（二）活性染色体结构变化二）活性染色体结构变化1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感活化基因常有超活化基因常有超敏位点，位于调节蛋敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。2. dna拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链dna均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后rna-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3. dna碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核dna约有约有5%的胞

23、嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4. 组蛋白变化组蛋白变化 富含富含lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 h2a, h2b二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 h3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（三三）正性调节占主导正性调节占主导（四四）转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工五）转录后修饰、加工三、真核基因转录激活调节三、真核基因转录激活调节（一）顺式作用元件一）顺式作用元件1. 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是rna聚合酶结合位点周围的聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包

24、括一个一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点转录起始点（transcription start site，initiation site）以以及一个以上的及一个以上的功能组件功能组件。tata盒盒gc盒盒（gggcgg）caat盒盒（gccaat）非典型启动子：不含非典型启动子：不含tata盒，富含盒，富含gc的启动子；既不含的启动子；既不含tata盒，也没有盒，也没有gc富含区。富含区。核心启动子元件核心启动子元件上游启动子元件上游启动子元件顺式作用元件顺式作用元件n增强子增强子(enhancer) （p256） 指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的

25、dna序列。序列。 远离转录起始点（远离转录起始点（kb）、决定基因的时）、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的dna序序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。 增强子也是由若干功能组件增强子也是由若干功能组件增强体增强体（enhanson）组成。在酵母基因，有一种类似高等增）组成。在酵母基因，有一种类似高等增强子样作用的序列，称为上游激活序列（强子样作用的序列，称为上游激活序列（upstream activator sequences，uas）。）。 增强子的作用特点：增强子的作用特点：增强

26、子提高同一条增强子提高同一条dna链上基因转录效率，可以远距离作用链上基因转录效率，可以远距离作用(14kb、30kb)，在基因的上游或下游都能起作用。，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增强子作用与其序列的正反方向无关增强子与启动子在结构、功能上密切联系，要有启动子才能发挥作增强子与启动子在结构、功能上密切联系，要有启动子才能发挥作用用,但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但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。子的转录。增强子的作用机理虽然还不明确，但必须与特定的蛋白质因子结合增强子的作用机理虽然还不明确，但必须

27、与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，是后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。沉默子（沉默子（ silencer） 某些基因的某些基因的dna序列含有负性调节元件序列含有负性调节元件沉默子。沉默子。（二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）* 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是rna聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子

28、，聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种决定三种rna(mrna、trna及及rrna)转录的类别。转录的类别。* 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的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。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子2. 转录调节因子结构转录调节因子结构dna结合域结合域转录激活域转录激活域tf蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域a.

29、锌指锌指(zinc finger)结构结构c cysh his常结合常结合gc盒盒蛋白质分子的肽链上每隔蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在亮氨酸残基都在螺旋的螺旋的同一个方向出现。两个相同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基同结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚就能以疏水键结合成二聚体，该二聚体的另一端的体，该二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与借其正电荷与dna双螺双螺旋链上带负电荷的磷酸基旋链上带负电荷的磷酸基团结合。团结合。b. 碱性亮氨酸拉链碱性亮

30、氨酸拉链(basic leucine zipper, bzip)（与（与caat盒和病毒的增强子结合）盒和病毒的增强子结合）两个两个hth（ hlh）以二聚体形式相连，以二聚体形式相连，距离正好相当于距离正好相当于dna一个螺距一个螺距(3.4nm)，两个，两个螺旋螺旋刚好分别嵌入刚好分别嵌入dna的深沟。的深沟。常结合常结合caat盒盒c、螺旋、螺旋-转角转角-螺旋螺旋(helix turn helix, hth)及螺及螺 旋旋- 环环-螺旋螺旋(helix loop helix, hlh)（三）（三）mrna转录激活及其调节转录激活及其调节ntfd启动子复合物启动子复合物 真核真核rna聚合酶聚合酶先由基本转录因子先由基本转录因子tfd组成成分组成成分tbp识识别别tata盒或启动元件盒或启动元件(initiator，inr)，并有，并有taf参与结合，形参与结合，形成成tfd启动子复合物；启动子复合物