第八章真核生物基因表达调控PPT课件

1、 真核生物和原核生物在基因表达调控上的不同：1. 真核生物的转录激活总是伴随着转录区染色质结构的变化。2. 基因表达调控一般以正调控为主。3. 转录和翻译在时间和空间上是分离的。第1页/共95页 真核生物转录的起始是基因表达调控最主要的步骤。真核生物基因的表达能在几个连续步骤中的任一步以基因特有（gene specific）的方式受到调控。 真核生物体内各种细胞表型的差异主要是编码蛋白质的基因的表达不同引起的。第2页/共95页真核生物基因表达调控的主要控制点1. 基因结构的激活（转录前调控） 细胞中处于“活化”状态的基因才得到表达，变成“活化”结构是基因表达的第一步。核心组蛋白N末端乙酰化修饰

2、与基因表达调控有关。第3页/共95页 “活化基因”与核心组蛋白乙酰化的增强有密切关系。普遍认为，其N端尾链的正电荷性很可能与转录因子发生竞争，夺取DNA磷酸骨架的负电荷性，因此特定赖氨酸残基的乙酰化大大降低了组蛋白-DNA的相互作用，把染色体从抑制状态下释放出来，激活转录。因此，对核心组蛋白乙酰化的调节，是基因调控的一个控制点 。第4页/共95页赖氨酸的乙酰化或丝氨酸的磷酸化会降低核心组蛋白的阳性净电荷。第5页/共95页第6页/共95页第7页/共95页第8页/共95页酵母HO基因的转录起始-1 转录激活物SWI5与转录起始点上游1200-1400 碱基对区域的结合。第9页/共95页酵母HO基因

3、的转录起始-2 SWI5与染色质重组装复合物SWI/SNF的相互作用导致染色质的解凝聚，组蛋白尾巴暴露。第10页/共95页酵母HO基因的转录起始-3GCN5与SWI5相互作用，并乙酰化组蛋白第11页/共95页酵母HO基因的转录起始-4解聚和乙酰化过程的继续第12页/共95页酵母HO基因的转录起始-5SWI5从DNA上释放，SWI/SNF继续保持在DNA上激活物SBF与中介蛋白启动子区的结合第13页/共95页酵母HO基因的转录起始-6基础转录因子和聚合酶的顺序结合第14页/共95页 2. 处于活化状态基因的转录由转录起始阶段控制。 3. 转录过程中的调控 4. 转录产物的后加工 除了加帽、加尾、

4、去除内含子和连接外显子以外，在核RNA水平上，真核生物还可以通过改变剪接类型实现调控蛋白质产物的类型。 5. 胞浆中一个特定的mRNA是否被翻译仍被调控。第15页/共95页Nanos mRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中，定位于卵细胞的后极。第16页/共95页四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布的浓度变化。第17页/共95页母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立 第18页/共95页II 真核生物转录水平上的调控第19页/共95页真核生物转录水平上的调控基因转录的顺式调控元件通用调控中的调控效应元件DNA结合基序（motif）结合相关靶DNA的同源域基因激活的占先模型基因表

5、达与DNA甲基化的关系第20页/共95页 真核生物绝大多数基因调控发生在转录起始阶段，但由于基因表达的控制可发生在多个阶段，因此RNA产物的产生并不一定会形成蛋白质产物。 组织特异性基因表达调控是真核细胞分化的核心。控制胚胎发育的转录因子大多具有这方面的特点。第21页/共95页一、基因转录的顺式调控元件 真核基因的顺式作用元件按照功能可以分为启动子、增强子以及沉默基因。（一） 启动子 RNA聚合酶的启动子有含有TATA框的典型启动子和不含TATA框的非典型启动子两种。第22页/共95页1含有TATA框的典型启动子 TATA框是核心启动子中有效的定位成分，也是上游启动子和增强子产生诱导效应所必需

6、的。 淀粉酶基因有串联着的两个TATA框，在唾液腺和肝脏中分别选择转录效率不同的两个转录起始点。第23页/共95页第24页/共95页2非典型的启动子 非典型的启动子有的富含GC框，有的则没有GC框。 富含GC的非典型启动子的转录 含有这类启动子结构的基因的转录起始是不规则的，并且只有基础水平表达。持家基因（housekeeping gene）多以这种转录方式。第25页/共95页无TATA框、GC框的基因转录 这类基因启动子上没有TATA框，却在转录起始点附近处形成起始子（initiator，Inr） 。这种元件的保守序列为PyPyANT/APyPy。RNA聚合酶在这些基因上的转录起始于一个或数

7、个紧密成簇的起始元件转录起始子的A位上。第26页/共95页（二）增强子 增强子（enhancer）最早是在SV40病毒中发现的一段长约200bp的DNA片段，可使旁侧基因的转录效率提高100倍。以后在多种真核生物甚至是原核生物都发现了增强子。 增强子是真核细胞中通过启动子来提高转录效率的一种远端的顺式调控元件。第27页/共95页 增强子相对于启动子的位置不固定。有效的增强子可以位于基因的5端，也可位于3端，还可 位于内含子区。 增强子和启动子一样由多种组件构成，其基本的核心元件常由812bp组成，可以有完整的或部分的回文结构，以单拷贝或多拷贝串联的形式存在。第28页/共95页增强子与启动子第2

8、9页/共95页碱基突变可以鉴定增强子的核心序列第30页/共95页 1. 增强子的特性： 增强子能提高同一条DNA链上相邻启动子转录的效率和速率。 增强子对同源或异源基因同样有效。 增强子的位置可在基因5上游、基因内或基因的3下游序列中。 增强子在DNA双链中没有5与3固定的方向性，将增强子倒置依然有效。第31页/共95页 增强子可以远离转录起始点，通常在14 kb。 增强子一般有组织或细胞特异性。 增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有关。 增强子必需有启动子才可以发挥作用。第32页/共95页二、通用调控中的调控效应元件 受共同控制的一组基因经常共用一个被转录调控因子识别的启动子元

9、件。 能够使基因应答此类因子的元件被称为效应元件（response element）。如热激效应元件和糖皮质激素效应元件等。第33页/共95页 效应元件具有与启动子上游元件或增强子相同的特点。它们含有短的保守序列，单个效应元件就可以受调控因子的调控。 效应元件可能位于启动子内，也可能位于增强子内，但都能独立激活基因表达。第34页/共95页第35页/共95页三、DNA结合基序 对各种转录因子的序列进行比较，可发现其基序（motif）的共同点是都与DNA结合。 基序通常很短，仅为蛋白质结构的一小部分。第36页/共95页典型的DNA结合基序包括： 锌指结构（zinc finger）基序 螺旋-环-螺

10、旋（helix-loop-helix, HLH) 亮氨酸拉链（leucine zipper)第37页/共95页锌指基序 锌指基序是由保守氨基酸的小基团与锌离子结合形成类似手指状的DNA结合结构域。 锌指基序是DNA结合蛋白的一个通用基序，锌指结构通常由相对独立的结构域串连重复排列在一起而形成。第38页/共95页 通用转录因子SP1有一个DNA结合域，含3个锌指基序。第39页/共95页第40页/共95页 已知的锌指结构主要发现于促进RNA聚合酶II和RNA聚合酶III转录的转录因子中。 通用转录因子TFA是典型的锌指蛋白。第41页/共95页第42页/共95页螺旋-环-螺旋结构 此基序长4050个

11、氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂的- 螺旋 ，-螺旋被不同长度的环（连接区）分开。 大多数HLH蛋白有一与HLH基序相邻的强碱性的区域，它是与DNA结合必需的，含有此区的HLH称为bHLH蛋白。第43页/共95页第44页/共95页第45页/共95页亮氨酸拉链结构 亮氨酸拉链是一个富含亮氨酸残基的结构域，参与形成二聚体。在每个拉链蛋白中都有一个与重复的亮氨酸相邻的高碱性区，该区可能含一个DNA结合点。 亮氨酸拉链形成的二聚体构成茎，分叉对称的两个碱性区形成臂，与DNA结合。这种结构称为bZIP基序。第46页/共95页亮氨酸拉链结构第47页/共95页第48页/共95页四、同源（异型）框（同源（异

12、型）框（homeobox) 同源（异型）框（homeobox)是一种编码由60个氨基酸组成的结构域序列。由于最早在果蝇的同源框基因座（其基因决定身体结构的特点）中发现而得名。 同源（异型）框存在于许多真核生物的DNA结合蛋白中，负责与DNA结合，与发育调控有关。在一些动物的转录因子中也发现了与同源框类似的短序列。第49页/共95页第50页/共95页第51页/共95页第52页/共95页五、基因激活的占先模型 真核生物细胞的DNA与组蛋白组成核小体结构，如果启动子区处在核小体内，转录的起始通常会被抑制。 基因激活占先模型模型认为，转录因子与组蛋白之间在占有DNA上存在竞争，且无论谁先占领DNA上的

13、位点，在一个细胞周期内都不能被另一方替换。第53页/共95页第54页/共95页 基因激活占先模型的一个重要特点是转录因子和组蛋白两者谁首先与控制位点结合是一个基因能否转录的决定的因素。 复制时组蛋白八聚体的脱离为转录因子结合DNA提供了机会，这些转录因子的结合一直持续到下一个复制周期，抑制了组蛋白八聚体的重新与DNA结合。第55页/共95页第56页/共95页转录因子与组蛋白的置换需要输入能量第57页/共95页六、基因表达与DNA甲基化的关系 DNA的甲基化也是真核生物转录调控的方式之一。启动子区DNA的甲基化将抑制转录的发生。 甲基化可以在两个等位基因上发生。也可只发生在单个的等位基因上，这样

14、就可造成来自父方和母方基因表达的差异。第58页/共95页 甲基化可以解释印记（imprinting)现象，印记描述了来自两个亲本的等位基因之间的行为差异。 甲基化发生在在特定的配子发生期间，并且是可逆的。目前已经在小鼠中发现了60多个发生甲基化的基因，大多与胚胎的发育生长有关。其中一些基因与早期胚胎发生相关，有的与胚后发育有关。第59页/共95页父本和母本染色体上等位基因基因表达的差异印记现象（imprinting）第60页/共95页 DNA的甲基化发生在特定位点上。动物细胞DNA的胞嘧啶27发生甲基化。大多数甲基化基因发生于CG联体。 甲基化基因没有激活，而未甲基化基因有表达活性。因此有活性

15、基因称为甲基化不足（undermethylation)基因。第61页/共95页 甲基化是一个可逆的过程，去除甲基或添加甲基，可以特异性地重置基因的甲基化状态。甲基化模式的改变发生在胚胎发生时期。目前只确定了一种甲基酶可以将甲基添加到CpG对上。 适当的靶基因甲基化可以防止它们的不适当表达。第62页/共95页 染色质重组装是指染色质或核小体的结构、成分变化，这些变化具有转录调控作用。在染色质重组装过程中，连接组蛋白H1成分的时序变化以及核心组蛋白的乙酰化，都对早期发育过程的转录调控起了关键性的作用。染色质重组装控制着早期转录抑制状态向激活状态的转变，是母型基因控制向合子型基因控制过渡（即所谓“中

16、期囊胚转换(midblastula transition, MBT）的重要途径。第63页/共95页III 真核生物转录后加工的调控第64页/共95页1 mRNA前体的可变剪接 mRNA前体通过不同方式的剪接，可由一个基因的转录产物产生出不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质的过程称为可变剪接（alternative splicing）或选择性剪接，这一组相似的蛋白称为同工型蛋白质（isoform） 。第65页/共95页 可变剪接可因mRNA前体的外显子或内含子DNA序列中发生突变、缺失，影响5或3剪接点的数目和位置。 与mRNA前体中内含子剪接点结合的各种snRNP中，snRNA或蛋白质的

17、异常会造成剪接效率的大大降低。第66页/共95页第67页/共95页第68页/共95页第69页/共95页 有些基因常不止一个转录起始位点，在不同的组织或不同的发育阶段由同一个基因转录出不同的mRNA前体，以不同的剪接方式产生有活性的蛋白质。第70页/共95页2 反式剪接 剪接过程一般发生同一个RNA分子的内部，即通过剪接将一个RNA分子内的内含子剪掉，使外显子连接在一起，这种剪接方式称为顺式剪接（cis-splicing）。第71页/共95页 两种不同来源的RNA前体分子的内含子之间具有互补序列时，也可以发生反式剪接（trans-splicing）。第72页/共95页 另一种形式的反式剪接是在成

18、熟的mRNA非翻译部分5端剪接上一段称为“剪接前导序列”或小外显子的RNA片段。第73页/共95页第74页/共95页3 RNA编辑 RNA编辑（RNA editing）是在RNA分子上出现的一种修饰现象。主要指mRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了DNA模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。 RNA编辑似乎是中心法则的例外。编辑扩大了遗传信息，也可能是生物适应的一种保护措施。第75页/共95页核苷酸的替换1U替换 最典型的例子是载脂蛋白B的RNA编辑。U替换使Apo-B 100 CAA编码的谷氨酰胺突变为UAA的终止密码子，产生编码Apo-B48的mRNA。在蛋

19、白质水平上只保留了Apo-B100分子N端脂蛋白装配结构域，缺少了C端低密度脂蛋白受体结合区。第76页/共95页第77页/共95页2AI替换 在珠蛋白、c-Myc、成纤维细胞生长因子基因中都有因AI替换使互补链的U被RNA酶A水解的现象。第78页/共95页可读框的改变 可读框的改变主要是核苷酸的插入或缺失。 G或C的插入则往往是因为模板上连续几个C（或G）之后，互补链因一种滑动力而被添加到RNA中。第79页/共95页第80页/共95页第81页/共95页向导RNA 向导RNA（gRNA）是一种线粒体内转录的短RNA（约5570核苷酸），能以正常碱基配对或GU配对的方式，选择其5末端“锚区”在mRNA上的互补序列，为随后插入或缺失U提供模板。第82页/共95页第83页/共95页第84页/共95页4 mRNA稳定性的调控 真核生物mRNA的稳定性除了取决于分子内本身的结构特征外，还受转录后修饰和与蛋白质所形成的mRNP中蛋白质的种类的影响。 真核生物细胞中，持家基因的mRNA的寿命比较长，因为这些基因的产物是细胞生命活动所必需的。第85页/共95页 高等真核生物高度分化的细胞中，许多mRNA极其稳定。 mRNA寿命的延长增加了细胞内某种mRNA的有效浓度，提高了蛋白质合成的速度，这种翻译水平的调控方式称为翻译扩增（