真核生物基因表达调控ppt课件

1、DNAhnRNAmRNA蛋白质前体蛋白质前体活性蛋白质活性蛋白质mRNA降解物降解物核核细胞质细胞质染色体、染色质、染色体、染色质、水平上的调控水平上的调控转录调控转录调控转录后加工调控转录后加工调控转运调控转运调控翻译调控翻译调控mRNA降解的调控降解的调控翻译后加工翻译后加工的调控的调控（一）真核生物（一）真核生物基因表达多层次性基因表达多层次性（二）真核生物基因表达调控的种类（二）真核生物基因表达调控的种类涉及基因的迅速打开和关闭，刺激涉及基因的迅速打开和关闭，刺激信号主要是信号主要是激素激素和和生长因子生长因子短期调控短期调控或或可逆性调控可逆性调控：长期调控长期调控或或不可逆性调控不

2、可逆性调控：基因基因永久性永久性或或半永久性半永久性地开启和地开启和关闭，不可逆地改变细胞生化特关闭，不可逆地改变细胞生化特征，征，最终导致细胞分化最终导致细胞分化（一）基因丢失（一）基因丢失Definition: 在细胞分化过程中，通过在细胞分化过程中，通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。（二）基因扩增（二）基因扩增Definition: （amplification of gene）指基因组中特定基因指基因组中特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。的拷贝数专一性大量增加的现象。（三（三）染色体重排染色体重排(chromosome rearrangem

3、ent)（一（一）染色质的结构染色质的结构DNA组蛋白组蛋白核小体核小体染色质染色质 组蛋白是组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，有有H1、H2A、H2B、H3和和H4共共5种。种。染色质折叠的放射环模型染色质折叠的放射环模型核小体颗粒的晶体结构核小体颗粒的晶体结构 H1的直接功能是阻的直接功能是阻止核小体的移动，阻碍止核小体的移动，阻碍DNA序列进一步暴露。序列进一步暴露。 除去除去H1会活化部分会活化部分转录活性，是染色质活转录活性，是染色质活化的重要事件化的重要事件（二（二）染色质的染色质的3种状态种状态阻遏状态阻遏状态活性状态活性状态激活状态激活状态（三（

4、三）异染色质化异染色质化常染色质常染色质（euchromatin）异染色质异染色质（heterochromatin）组成型异染色质组成型异染色质DNA不含有基因不含有基因兼性异染色质没有兼性异染色质没有持久的活性，由常持久的活性，由常染色质凝聚而成染色质凝聚而成着丝粒、端粒、核仁形成区着丝粒、端粒、核仁形成区（四（四）组蛋白的修饰组蛋白的修饰（ Histone modification ）核心组蛋白的修饰核心组蛋白的修饰乙酰化乙酰化(acetylation)甲基化甲基化(methylation)磷酸化磷酸化(phosphorylation)乙酰化是最早发现与转录有关的组蛋白修饰方式乙酰化是最早

5、发现与转录有关的组蛋白修饰方式组蛋白修饰与基因活性的关系组蛋白修饰与基因活性的关系1.1.核心组蛋白的修饰核心组蛋白的修饰Acetylation occurs in two different circumstancesduring DNA replicationDNA复制时，同时要合成复制时，同时要合成新的组蛋白。新的组蛋白。在组蛋白组在组蛋白组装成核小体之前被乙酰化装成核小体之前被乙酰化，组装完成后又去乙酰化组装完成后又去乙酰化when genes are activated组蛋白乙酰化，组蛋白乙酰化，使使基因控制区与核小基因控制区与核小体偶联变得松弛体偶联变得松弛，使染色质变成活性使染色

6、质变成活性状态。状态。许多组蛋白乙酰化酶是以往鉴定过的许多组蛋白乙酰化酶是以往鉴定过的激活蛋白或辅激活蛋白激活蛋白或辅激活蛋白（coactivator）。）。CBP/p300可乙酰化可乙酰化H4 的的N 端尾端尾，PCAF 可乙酰化可乙酰化H3 的的N端尾端尾去乙酰化与基因活性的阻遏有关去乙酰化与基因活性的阻遏有关 在酵母中，在酵母中，SIN3SIN3和和Rpd3 Rpd3 与与Ume6 Ume6 形成复合物，能阻遏该启形成复合物，能阻遏该启动子转录。动子转录。Rpd3 Rpd3 有组蛋白去乙有组蛋白去乙酰化酶活性酰化酶活性组蛋白修饰与基因活性的关系组蛋白修饰与基因活性的关系活性染色质特征活性

7、染色质特征（五（五）染色质的重塑染色质的重塑（chromation remodeling）Definition: 染色质和单个核小体内染色质和单个核小体内发生的任何可检测到的变化发生的任何可检测到的变化两两种种改改变变染染色色质质结构结构的的模模型型占先模型占先模型(Pre-emptive model)动力学模型动力学模型(Dynamic model)占先模型占先模型(Pre-emptive model) 如果在启动子部位如果在启动子部位形成了核小体，则转录形成了核小体，则转录因子和聚合酶不能与因子和聚合酶不能与DNA 结合，反之亦然。结合，反之亦然。动力学模型动力学模型(Dynamic mo

8、del) 在在ATP水解释放能水解释放能量的驱动下，各种转录量的驱动下，各种转录因子将核小体从因子将核小体从DNA中中置换出来。置换出来。染染色色质质重塑复合物重塑复合物染染色色质质重塑复合物的作用机理重塑复合物的作用机理染色质活化过程染色质活化过程（1）转录因子结合于）转录因子结合于特定序列特定序列（2 2）染）染色色质质重塑重塑复合物结合复合物结合（3）转录因子被释放）转录因子被释放转录因子、组蛋白乙酰化酶转录因子、组蛋白乙酰化酶和和染色质重塑复合体染色质重塑复合体的的结合顺序因启动子的不同而不同。结合顺序因启动子的不同而不同。染色质结构重塑染色质结构重塑（4 4）乙酰化酶复合物结合）乙酰

9、化酶复合物结合组蛋白被修饰组蛋白被修饰（六（六）活性染色质的活性染色质的DNase敏感性敏感性人类人类-珠蛋白基因簇的超敏感位点珠蛋白基因簇的超敏感位点（七（七）染色质的功能区域染色质的功能区域1.基因座控制区基因座控制区(locus control region, LCR)LCR最初是在研究最初是在研究地中海贫血病地中海贫血病的过程中被发现的，的过程中被发现的，地中海贫血是一种由地中海贫血是一种由或或珠蛋白缺陷导致的血液病。珠蛋白缺陷导致的血液病。许多地中海贫血是由珠蛋白基因编码区突变造成的，许多地中海贫血是由珠蛋白基因编码区突变造成的，但是但是也有一些地中海贫血是由于也有一些地中海贫血是由

10、于珠蛋白基因簇上游珠蛋白基因簇上游12 Kb的区域发生大范围缺失，导致了整个基因簇沉默。的区域发生大范围缺失，导致了整个基因簇沉默。因此，因此，LCR具有增强转录的功能。具有增强转录的功能。2.核基质结合区核基质结合区（matrtix associated region, MAR）Definition: 染色质染色质通过通过DNA特定序列结合特定序列结合在核基质蛋白质上在核基质蛋白质上，形成环状结构。，形成环状结构。这特定的这特定的DNA序列称为核基质结合区序列称为核基质结合区 MAR功能功能：限定：限定DNA的环，使环状结构成为的环，使环状结构成为 相对独立的结构功能单位相对独立的结构功能单

11、位Definition: :可以阻止激活或失活效应传向可以阻止激活或失活效应传向相邻的结构功能单位的相邻的结构功能单位的DNA序列序列3.限定子（限定子（delimiter）或绝缘子（或绝缘子（insulator）绝缘子的功能绝缘子的功能增强子屏蔽的活性增强子屏蔽的活性。在启动子和增强子之间的绝缘。在启动子和增强子之间的绝缘子阻止启动子接受增强子的转录激活影响子阻止启动子接受增强子的转录激活影响阻碍物活性阻碍物活性。在启动子和浓缩、阻碍状态的染色质。在启动子和浓缩、阻碍状态的染色质之间的绝缘子可以阻止启动子受到浓缩染色质（由之间的绝缘子可以阻止启动子受到浓缩染色质（由沉默子诱导）阻抑基因转录的

12、影响沉默子诱导）阻抑基因转录的影响滑动模型滑动模型。当激活蛋白结合到增强子上，刺激信号或激活蛋。当激活蛋白结合到增强子上，刺激信号或激活蛋白本身沿白本身沿DNA滑向启动子。而绝缘子可能与一个或多个蛋白滑向启动子。而绝缘子可能与一个或多个蛋白结合，阻挡滑向启动子的信号。结合，阻挡滑向启动子的信号。环化模型环化模型。两个绝缘子将一个增强子隔离出来。当蛋白质结。两个绝缘子将一个增强子隔离出来。当蛋白质结合到这些绝缘子上后，它们相互作用，将增强子隔离在环形合到这些绝缘子上后，它们相互作用，将增强子隔离在环形结构中，从而不能激活附近启动子的转录。结构中，从而不能激活附近启动子的转录。绝缘子活性机理的两种

13、假说绝缘子活性机理的两种假说果蝇两个串联基因上的绝缘子效应果蝇两个串联基因上的绝缘子效应DNA结构域可能有以下三种位点结构域可能有以下三种位点（一（一）DNA的甲基化（的甲基化（methylation）甲基化位点主要在甲基化位点主要在CpG序列序列半甲基化半甲基化全甲基化全甲基化DNA甲基化的检测甲基化的检测nMspI能切割能切割甲基化或非甲基化的甲基化或非甲基化的CCGG序列序列MspIHpaIIMspI酶切酶切HpaII酶切酶切DNA甲基化与基因活性甲基化与基因活性DNA甲基化抑制转录机理甲基化抑制转录机理MeCP-1CH3CH3CH3CH3CH3TFRNA polIIMeCP-1可与多个

14、甲基化的可与多个甲基化的CpG位点结合位点结合MeCP-2CH3CH3CH3CH3CH3SIN3HDACTFRNA polIIMeCP-2能结合到能结合到单个甲基化的单个甲基化的CpG 碱基对碱基对上，上，还结合还结合Sin3 阻遏复合体阻遏复合体(含含HDAC活性活性)，CpG岛（岛（ CpG rich islands）富含富含CpG的区段称为的区段称为CpG岛岛启动子启动子调控元件调控元件增强子增强子（enhancer）沉默子沉默子（ silencer）核心启动子核心启动子(core promotor)上游启动子元件上游启动子元件(upstream promotor element, UP

15、E)基本启动子基本启动子(basal promotor)转录起始位点转录起始位点(Inr)（一（一）启动子（启动子（promotor）核心启动子核心启动子(core promotor)TATA-box： TBP的结合位点，决定转录方向、的结合位点，决定转录方向、 起始位点起始位点启动子上游元件启动子上游元件(UPE)CCAAT-box: CTF、C/EBP的结合位点的结合位点GC-box: sp1的结合位点的结合位点 UPE影响转录起始频率，增强转录起始复影响转录起始频率，增强转录起始复合物的组装能力合物的组装能力在酵母中称为在酵母中称为上游激活元件上游激活元件（UAS）（二（二）增强子（增强

16、子（ enhancer ）SV40早期基因调控区的结构早期基因调控区的结构Definition: 指能使与它连锁的基因转录效率指能使与它连锁的基因转录效率明显增加，并且无方向和位置依赖性明显增加，并且无方向和位置依赖性的的DNA序列。序列。1.1.增强子的特点增强子的特点r2b基因中的增强子元件是无方向和位置效应的基因中的增强子元件是无方向和位置效应的a.构建突变质粒构建突变质粒：将：将X2-X3区域（包含增强子）切除后区域（包含增强子）切除后通过四种方式重新插到基因中。通过四种方式重新插到基因中。质粒质粒A和和B： X2-X3片段被片段被正向或反向插到原位置正向或反向插到原位置。质粒质粒C和

17、和D： X2-X3片段被片段被正向或反向插到另一个正向或反向插到另一个XbaI酶切位点酶切位点，位于基因上游几百碱基处。位于基因上游几百碱基处。b.结果表明，结果表明，增强子无方向和位置效应增强子无方向和位置效应。2.2.增强子的种类增强子的种类组织和细胞专一性增强子组织和细胞专一性增强子诱导性增强子诱导性增强子只在特定组织和细胞中，特定的转录因子与之只在特定组织和细胞中，特定的转录因子与之结合，才能发挥功能。结合，才能发挥功能。由于调控因子本身活性是诱导性的，造成对增强由于调控因子本身活性是诱导性的，造成对增强子的结合和增强子活性有可诱导性子的结合和增强子活性有可诱导性3.3.增强子的作用机

18、理增强子的作用机理 三种假说三种假说a.拓扑结构的改变。拓扑结构的改变。激活因子与增强子结合，促进激活因子与增强子结合，促进DNA的拓扑结构或形状发生改变，使启动子向通用转的拓扑结构或形状发生改变，使启动子向通用转录因子敞开。录因子敞开。b.滑动滑动。激活因子与增强子结合，沿。激活因子与增强子结合，沿DNA滑动直至启滑动直至启动子，与启动子直接相互作用激活转录。动子，与启动子直接相互作用激活转录。c.环化。环化。激活因子与增强子结合，使增强子与启动子激活因子与增强子结合，使增强子与启动子之间的之间的DNA环化，促进结合蛋白间的互作并激活转录。环化，促进结合蛋白间的互作并激活转录。增强子功能的要

19、点，实质上是增强子功能的要点，实质上是结合于增强子结合于增强子的激活因子的激活因子与与结合于启动子的普遍性转录因结合于启动子的普遍性转录因子之间的子之间的蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用。蛋白质相互作用。4.多个增强子（多个增强子（Multiple Enhancers）的作用的作用金属硫蛋白金属硫蛋白(Metallothionein，MT)基因基因是是单一基因受多种不同机制调控单一基因受多种不同机制调控的例子的例子金属应答元件金属应答元件(MRE)在应答重金属时激活基因转录在应答重金属时激活基因转录GC框框:转录激活因子转录激活因子Sp1的应答元件的应答元件本底水平增强子本底水平增强子(BLE):

20、转录激活因子转录激活因子AP-1的应答元件的应答元件糖皮质激素应答元件糖皮质激素应答元件(GRE):可被可被糖皮质激素和受体组成糖皮质激素和受体组成的激活因子的激活因子激活转录激活转录金属硫蛋白金属硫蛋白是真核细胞中帮助细胞是真核细胞中帮助细胞对付重金属中毒对付重金属中毒的防御性机制的防御性机制海胆海胆Endo16基因的多增强子模块的排布情况基因的多增强子模块的排布情况 激活因子的不同组合，就会在不同细胞中造成激活因子的不同组合，就会在不同细胞中造成基因不同水平的表达基因不同水平的表达大号和中号的彩色椭圆形和长方形表示大号和中号的彩色椭圆形和长方形表示激活因子激活因子；橙色小椭圆形表示橙色小椭

21、圆形表示结构转录因子结构转录因子；增强子成簇排列增强子成簇排列，分别记为，分别记为G,F,E,DC,B和和A；长垂直线代表限定模块的限制性位点；长垂直线代表限定模块的限制性位点；BP为为基本启动子基本启动子。P568海胆海胆Endo16基因中模块基因中模块A的综合功能的综合功能(a)在在早期发育早期发育中中,模块模块A是唯一开启的模块是唯一开启的模块,它通过基本启动子它通过基本启动子(BP)刺激基因转录刺激基因转录.(b)在在中胚层的晚期发育中胚层的晚期发育中中,模块模块A通过通过整合模块整合模块G和和B的作用的作用,共同共同刺刺激转录激转录.(c)在在外胚层的晚期发育外胚层的晚期发育中中,模

22、块模块A通过通过整合模块整合模块F和和E的作用的作用,阻遏基阻遏基因转录因转录.(d)在在成骨间质细胞的晚期发育成骨间质细胞的晚期发育中中,模块模块A整合模块整合模块DC的作用的作用,抑制基抑制基因转录因转录.(e)LiCl处理处理能能逆转逆转来自模块来自模块A外胚层和成骨间质细胞的外胚层和成骨间质细胞的阻遏信号阻遏信号,刺刺激基因转录激基因转录.Definition: 基因的基因的负调控元件负调控元件，当其结合特异，当其结合特异蛋白因子时，蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用对基因转录起阻遏作用。（三（三）沉默子（沉默子（ silencer ）（四（四）应答元件应答元件(Response ele

23、ment) 能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的基因特异表达的DNA上游序列上游序列应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别热激反应热激反应是是单一因子调控多个基因单一因子调控多个基因的例子的例子HSTF (heat shock transcription factor ):热休克热休克(基因基因)转录因子转录因子 DNA结合结构域结合结构域(DNA binding domain)转录激活结构域转录激活结构域(Transcription activation domains)自身活性的

24、自身活性的调控结构域调控结构域调控因子的结构特性调控因子的结构特性（一（一） DNA结合结构域结合结构域（DNA binding domain）螺旋螺旋- -转角转角- -螺旋（螺旋（ Helix-turn-helix，HTH）识别螺旋识别螺旋，与靶序列，与靶序列DNA的大沟结合的大沟结合锌指结构（锌指结构（zinc finger） Cys2/ Cys2型型Cys2 / His2型型见于见于甾体激素受体甾体激素受体见于见于SP1，TF A等等Cys2 / His2型型锌指可以形成锌指可以形成-螺旋螺旋而插入而插入DNA的大沟中的大沟中Cys2 / Cys2型型GlyGlyGlnSer糖皮质激素

25、特异性糖皮质激素特异性 雌激素特异性雌激素特异性亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）亮氨酸亮氨酸拉链拉链碱性区碱性区C/EBPJunFosGCN4螺旋螺旋- -环环- -螺旋（螺旋（helix /loop /helix，HLH）（二（二）转录激活结构域转录激活结构域 （Transcription activation domains）酵母的酵母的MT基因基因启动子启动子ACE1无活性无活性Cu2+ACE1有活性有活性ACE1（三（三） 转录调控因子自身活性的调控转录调控因子自身活性的调控类固醇激素类固醇激素（如（如糖皮质激素）糖皮质激素）n脂溶性的，脂溶性的，n能够穿过细胞膜

26、能够穿过细胞膜与与类固醇激素受类固醇激素受体体（转录因子）（转录因子）相互作用。相互作用。steroidGREInhibitor(HSP90)Glucocorticoid receptorDissociation, dimerization调控因子的核内定位调控因子的核内定位与与DNA的结合活性的结合活性调控转录活性调控转录活性GHGH receptorJAKJAKPSTATPSTATTarget geneSTATSTATJAK-STAT pathway （四（四）转录激活因子的作用方式转录激活因子的作用方式3.建构性转录因子或结构转录因子建构性转录因子或结构转录因子（architectural transcription factor）人人T细胞受体细胞受体链（链（TCR ）基因的调控区基因的调控区LEF-1是是淋巴组织增强子结合因子淋巴组织增强子结合因子（lymphoid enhancer binding factor）,本身并不能活化本身并不能活化TCR 基因基因的转录，它是的转录，它是通过结合到增强子的小沟内