真核基因表达调控 (6)

1、关于真核基因表达调关于真核基因表达调控控 (6)第一页，共109页幻灯片 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。件范围内保持正常功能。 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，细胞创造高速生长的条件，或使细

2、胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。常是通过控制转录的起始来调节的。 第二页，共109页幻灯片真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类： 第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。 第二类是发育调控或称不可逆调控，是

3、真核基因调控第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。部进程。研究基因调控主要应回答研究基因调控主要应回答3个问题：个问题： 什么是诱发基因转录的信号？什么是诱发基因转录的信号？ 基因调控主要是在哪一步（模板基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？的成熟或蛋白质合成）实现的？ 不同水平基因调控的分子机制是什么？不同水平基因调控的分子机制是什么？ 第三页，共109页幻灯片真核基因组结构特点真核基因组结构特点 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只

4、能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。 真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。第四页，共109页幻灯片不同层次真核生物基因表达的调控不同层次真核生物基因表达的调控 DNA水平的调控水平的调控 转录水平的调控转录水平的调控(transcriptional regulation) 转录后水平的调控转录后水平的调控(post transcriptiona

5、l regulation) RNA加工成熟过程的调控加工成熟过程的调控 (RNA processing) 翻译水平的调控翻译水平的调控 (translational regulation) 蛋白质加工和成熟过程的调控蛋白质加工和成熟过程的调控(protein maturation and processing)第五页，共109页幻灯片8.1 DNA水平的调控水平的调控 通过改变通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表序列和染色质结构从而影响基因表达的过程都属于达的过程都属于DNA水平的调控。水平的调控。 核的全能性核的全能性（totipotency）：细胞核内携带了为早期胚胎发育）：细胞核

6、内携带了为早期胚胎发育所需的全部所需的全部DNA，并且细胞质中存在决定分化状态的某些控，并且细胞质中存在决定分化状态的某些控制因子。制因子。非洲爪蟾成体的表皮细胞分离出细胞核，注射到去核的受非洲爪蟾成体的表皮细胞分离出细胞核，注射到去核的受精卵中，少数存活的细胞可发育成正常的蝌蚪；精卵中，少数存活的细胞可发育成正常的蝌蚪；克隆羊、克隆牛克隆羊、克隆牛第六页，共109页幻灯片8.1.1 遗传物质的丢失遗传物质的丢失：不可逆：不可逆 某些低等真核生物，在其发育早期卵裂阶段，某些低等真核生物，在其发育早期卵裂阶段，所有分裂细胞除一个之外，均将异染色质部所有分裂细胞除一个之外，均将异染色质部分删除掉，

7、从而使染色质减少约一半。而保分删除掉，从而使染色质减少约一半。而保持完整基因组的细胞则成为下一代的生殖细持完整基因组的细胞则成为下一代的生殖细胞。胞。 哺乳类的红细胞，在整个成熟过程中整个核哺乳类的红细胞，在整个成熟过程中整个核都丢失了。都丢失了。第七页，共109页幻灯片8.1.2 基因扩增基因扩增(gene amplification)：某些基因拷贝数转移性：某些基因拷贝数转移性大量增加的现象大量增加的现象.在卵裂期，非洲爪蟾卵母细胞中在卵裂期，非洲爪蟾卵母细胞中rRNA基因基因(rDNA)的拷贝数扩增近的拷贝数扩增近4000倍，可用于合成倍，可用于合成1012个核糖体。个核糖体。药物：诱导

8、抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加数异常增加第八页，共109页幻灯片8.1.3 基因重排基因重排(gene rearrangement) 将一个基因从远离启动子的地方移到距它将一个基因从远离启动子的地方移到距它 很近的位点启动转录，这种方式被称为基很近的位点启动转录，这种方式被称为基因重排。因重排。 通过基因重排调节基因活性的例子是免疫通过基因重排调节基因活性的例子是免疫球蛋白结构基因和球蛋白结构基因和T-细胞受体基因的表达。细胞受体基因的表达。第九页，共109页幻灯片8.1.3 基因重排基因重排(gene rearrangem

9、ent)：如免疫球蛋白基因重排，多样性如免疫球蛋白基因重排，多样性抗体的结构抗体的结构第十页，共109页幻灯片第十一页，共109页幻灯片第十二页，共109页幻灯片第十三页，共109页幻灯片8.1.4 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)：mCpG，即，即“CpG岛岛(CpG-rich islands)” 甲基化甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；程度高，基因表达降低； 去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因表达增加：基因表达增加第十四页，共109页幻灯片第十五页，共109页幻灯片DNADNA甲基化抑制基因转录的机制甲基化抑制基因转录的机制 DN

10、A甲基化导致某些区域甲基化导致某些区域DNA构象变化，构象变化，从而影响了蛋白质与从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，的相互作用，抑制了转录因子与启动区抑制了转录因子与启动区DNA的结合效的结合效率。率。第十六页，共109页幻灯片8.1.5 8.1.5 染色质染色质(chromatin)(chromatin)或染色体或染色体(chromosome)(chromosome)结构结构对基因表达的调控对基因表达的调控第十七页，共109页幻灯片常染色质常染色质:结构松散，结构松散，基因表达基因表达异染色质异染色质:结构紧密，基结构紧密，基因不表达因不表达有基因表达活性的染色有基因表达活性的染色质质DN

11、A对对 DNase更敏更敏感，即感，即Dnase的的敏感性敏感性可作为该基因的转录可作为该基因的转录活性的标志。活性的标志。第十八页，共109页幻灯片Chromatin remodeling and Histone modification第十九页，共109页幻灯片8.2 转录水平的调控转录水平的调控 最重要最重要 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 转录起始的调控转录起始的调控第二十页，共109页幻灯片8.2.1 顺式作用元件顺式作用元件 (cis-acting element) 影响影响自身基

12、因自身基因表达活性的表达活性的DNA序列序列 非编码序列非编码序列 包括启动子、增强子、沉默子等包括启动子、增强子、沉默子等第二十一页，共109页幻灯片真核基因启动子真核基因启动子 真核生物有3类RNA聚合酶，负责转录3类不同的启动子。 第二十二页，共109页幻灯片 由由RNA聚合酶聚合酶I负责转录的负责转录的rRNA基因，启动子（基因，启动子（I类）比较类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子（启动子（core promoter），由），由-45+20位核苷酸组成，单独位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录

13、。另一部分由存在时就足以起始转录。另一部分由-170-107位序列组成，位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。 第二十三页，共109页幻灯片 由由RNA聚合酶聚合酶负责转录的是负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核和某些核内小分子内小分子RNA（snRNA），其启动子（），其启动子（类）组成较复杂，类）组成较复杂，又可被分为三个亚类。两类又可被分为三个亚类。两类5S rRNA和和tRNA基因的启动子是基因的启动子是内部启动子（内部启动子（internal promoter），位于转录起始位点的下），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成

14、。第三类启动子由三个部分组成，位游，都由两部分组成。第三类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游。于转录起始位点上游。 第二十四页，共109页幻灯片由由RNA聚合酶聚合酶II负责转录的负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因，后者的启动子结构与基因，后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似，类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。类基因启动子在结构上有共同的保守序列。转录起始位点没有广泛的序列同源性，但第一个碱基为腺嘌呤，而两转录起始位点没有广泛的序列同源性，但第

15、一个碱基为腺嘌呤，而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子（侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子（initiator， Inr），序列可表示），序列可表示为为Py2CAPy5。Inr元件位于元件位于-3+5。仅由。仅由Inr元件组成的启动子是具有可被元件组成的启动子是具有可被RNA聚合酶聚合酶II识别的最简单启动子形式。识别的最简单启动子形式。多数多数II类启动子有一个被称为类启动子有一个被称为TATA盒的共有序列，通常处于盒的共有序列，通常处于-30区，相对于转区，相对于转录起始位点的位置比较固定。录起始位点的位置比较固定。TATA盒存在于所有真核生物中，盒存在于所有真核生物中，TATA盒是一盒

16、是一个保守的七碱基对，其序列为：个保守的七碱基对，其序列为： 第二十五页，共109页幻灯片1. 启动子：核心启动子与上游启动子核心启动子元件：指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游-25 -30 bp处的TATA盒。 核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。第二十六页，共109页幻灯片 2. 上游启动子元件：上游启动子元件： 包括通常位于包括通常位于-70 bp-70 bp附近的附近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒。盒。 这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。改变转录效率。第二十七页，共1

17、09页幻灯片第二十八页，共109页幻灯片顺式作用元件顺式作用元件 增强子增强子(enhancer)：增强启动子转录活性：增强启动子转录活性DNA序列，序列，与方向、距离无关。与方向、距离无关。 沉默子沉默子(silencer)：A silencer is a short sequence of DNA that can inactivate expression of a gene in its vicinity. 负性调节元件，起阻遏作用负性调节元件，起阻遏作用第二十九页，共109页幻灯片增强子及其对转录的影响增强子及其对转录的影响 增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增强子是指能使和它

18、连锁的基因转录频率明显增加的增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件，增强序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：子通常具有下列性质： 1、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加加10-200倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高白基因表达频率比该基因正常转录高600-1000倍倍!2、增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什、增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（么方向排列（53或或35），甚至和基因相距），甚至和基因相距3 kp，或在基

19、因下游，均表现出增强效应；或在基因下游，均表现出增强效应；第三十页，共109页幻灯片 3、大多为重复序列，一般长约、大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产生增强效应时所必需），是产生增强效应时所必需的；的； 4、 增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明只增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能；有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能；5、 没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增没有基因专一性，可以在

20、不同的基因组合上表现增强效应；强效应；6、 许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。的锌、镉浓度做出反应。 第三十一页，共109页幻灯片 增强子的作用原理是什么呢？一种观点认为，增强子为转录增强子的作用原理是什么呢？一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到到Z-DNA

21、的构象变化。的构象变化。 第三十二页，共109页幻灯片 增强子的功能是可以累加的。增强子的功能是可以累加的。SV40增强子序列可以被增强子序列可以被分为两半，每一半序列本身作为增强子功能很弱，但分为两半，每一半序列本身作为增强子功能很弱，但合在一起，即使其中间插入一些别的序列，仍然是一合在一起，即使其中间插入一些别的序列，仍然是一个有效的增强子。因此，要使一个增强子失活必须在个有效的增强子。因此，要使一个增强子失活必须在多个位点上造成突变。对多个位点上造成突变。对SV40增强子而言，没有任何增强子而言，没有任何单个的突变可以使其活力降低单个的突变可以使其活力降低10倍。倍。 第三十三页，共10

22、9页幻灯片顺式作用元件顺式作用元件第三十四页，共109页幻灯片第三十五页，共109页幻灯片8.2.2 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)概念：概念：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，参与调控靶基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，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。为因转录效率的蛋白质。为DNA结合蛋白，结合蛋白，核内蛋白核内蛋白，可使邻近基因开放，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）（正调控）或关闭（负调控）通用或基本转录因子通用或基本转录因子(general transcription factors)RNA(genera

23、l transcription factors)RNA聚合酶亚聚合酶亚基或基或RNARNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。 TFATFA、 TFBTFB、 TFDTFD、 TFETFE等等 特异转录因子特异转录因子( special transcription factors)( special transcription factors)个别基因转录所个别基因转录所必需的转录因子必需的转录因子. .OCT-2OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别：在淋巴细胞中特异性表达，识别IgIg基因的启动子和增强基因的启动子和增强子。子。第三十六页，共109

24、页幻灯片 与已知与已知DNA序列相结合的反式作用因子序列相结合的反式作用因子 a. CAAT盒激活因子 CTF（CAAT box transcription factor）家族是能）家族是能识别识别CAAT盒的一组转录因子。这一组因子是由单个基盒的一组转录因子。这一组因子是由单个基因通过可变换的剪接而形成的一组因通过可变换的剪接而形成的一组mRNA产生的。产生的。CTF家族成员对各种家族成员对各种CAAT盒有相同的亲和力。另一盒有相同的亲和力。另一组组CAAT区结合蛋白被称为区结合蛋白被称为CP，它们是从人的，它们是从人的HeLa细胞中得到的。细胞中得到的。CP1具有对具有对-球蛋白和腺病毒晚

25、期基因球蛋白和腺病毒晚期基因启动子启动子CAAT区的高亲和力，区的高亲和力，CP2具有对具有对-血纤蛋白原血纤蛋白原基因启动子基因启动子CAAT区的高亲和力，而区的高亲和力，而CP3能与腺病毒能与腺病毒DNA相结合。相结合。CP族蛋白主要以异源多聚体的形式存在。族蛋白主要以异源多聚体的形式存在。 第三十七页，共109页幻灯片 除了除了CTF和和CP族蛋白能与族蛋白能与CAAT区结合外，科学家还区结合外，科学家还从小鼠肝细胞里发现两个从小鼠肝细胞里发现两个CAAT区结合蛋白。区结合蛋白。CBP对序列对序列GCAAT有较强的亲和力，而有较强的亲和力，而ACF则对卵清蛋则对卵清蛋白基因启动子区的白基

26、因启动子区的CCAAT有高亲和力。因此，在有高亲和力。因此，在启动区发现某个保守序列，并不等于同一个蛋白因启动区发现某个保守序列，并不等于同一个蛋白因子参与了该基因的调控。子参与了该基因的调控。 对对9个哺乳动物类个哺乳动物类-球蛋白基因和球蛋白基因和1个人个人-球球蛋白基因蛋白基因5调控区的研究发现，几乎每个基调控区的研究发现，几乎每个基因都具有因都具有CCAAT（-80位左右）区和位左右）区和TATA（-30左右）区。左右）区。 第三十八页，共109页幻灯片第三十九页，共109页幻灯片b. TATA区结合蛋白区结合蛋白 RNA聚合酶聚合酶II需要与其他需要与其他转录因子结合，才能顺利起始转

27、录因子结合，才能顺利起始转录。通常把辅助因子需要量转录。通常把辅助因子需要量最小的启动子称为一般性启动最小的启动子称为一般性启动子（子（generic promoter），具），具有组成型表达特性，这些启有组成型表达特性，这些启动子上游调控区及所需转录动子上游调控区及所需转录因子在绝大多数甚至全部基因子在绝大多数甚至全部基因中都是高度保守的。因中都是高度保守的。 第四十页，共109页幻灯片TBP结合于DNA的小沟。TBP与DNA的结合在体外实验中保护了大约一圈双螺旋DNA免受核酸酶的降解，其覆盖的位置处于-37-25。TAFs的加入延伸了对DNA的覆盖，整个TFIID复合物可覆盖-45-10区

28、域。 第四十一页，共109页幻灯片 C. GC区结合因子区结合因子 GC区结合蛋白区结合蛋白SP1是是1.0 x105的单体，能与的单体，能与DNA链链上包括上包括GGGCGG在内约在内约20bp的序列特异结合。在的序列特异结合。在SV40启动子区，从启动子区，从-70-110的的6个个GC区全部与区全部与SP1结结合，所以这个区域的合，所以这个区域的DNA不会被降解。在胸腺嘧啶不会被降解。在胸腺嘧啶激酶启动子区，激酶启动子区，SP1既与上游的既与上游的CTF（CAAT区结合区结合蛋白）相互作用，又与下游的蛋白）相互作用，又与下游的TFIID紧密相关。紧密相关。 GC区对区对SP1的结合是必需

29、的，但该序列对于的结合是必需的，但该序列对于SP1亲和力却很不相同，证明亲和力却很不相同，证明GC区两翼序列同样在区两翼序列同样在SP1的的识别及结合过程中发挥作用。人们推测识别及结合过程中发挥作用。人们推测GC区、尤其是区、尤其是多次重复的多次重复的GC区，与基因的永久型表达有关。区，与基因的永久型表达有关。 第四十二页，共109页幻灯片 d. 八碱基对元件激活八碱基对元件激活蛋白蛋白 八碱基对元件也能八碱基对元件也能被多个激活蛋白识别。被多个激活蛋白识别。Oct-1是非淋巴样细胞是非淋巴样细胞中结合八碱基对元件中结合八碱基对元件的转录激活因子，没的转录激活因子，没有组织特异性。有组织特异性

30、。 Oct-2则是组织特异的激活则是组织特异的激活因子。因子。 一般说来，一个特一般说来，一个特定的共有序列元件能定的共有序列元件能被相应的转录因子或被相应的转录因子或一个转录因子家族的一个转录因子家族的成员所识别，而相同成员所识别，而相同的元件也能被不同的的元件也能被不同的转录因子所识别。转录因子所识别。 第四十三页，共109页幻灯片反式作用因子特点反式作用因子特点 三个功能结构域：识别结合三个功能结构域：识别结合DNA的结构域的结构域(DNA-binding domain)；转录活化结构域；转录活化结构域(transcriptional activation domain)；结合其他蛋白的

31、结构域；结合其他蛋白的结构域 能识别并结合顺式作用元件能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element) 正调控与负调控正调控与负调控第四十四页，共109页幻灯片第四十五页，共109页幻灯片反式作用因子结构域的模式反式作用因子结构域的模式 DNA结合域结合域(DNA- banding domain) 锌指结构(zinc finger motif) 螺旋-转折-螺旋(helix-turn-helix) 亮氨酸拉链 (leucine zipper) 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)第四十六页，共109页幻灯片螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋(helix-turn

32、-helix)第四十七页，共109页幻灯片l HTH 结构 螺旋-转折-螺旋(helix-turn-helix, HTH) 这类结构至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连接，两个这样的结构以二聚体形式相连，有螺旋嵌入DNA的深沟。第四十八页，共109页幻灯片第四十九页，共109页幻灯片锌指结构锌指结构(zinc finger motif)第五十页，共109页幻灯片l 锌指结构 锌指（zinc finger）由一小组保守的氨基酸和锌离子结合，在蛋白质中形成相对独立的功能域，像一根 根 手 指 伸 向DNA的大沟。第五十一页，共109页幻灯片典型的锌指蛋白有一组典型的锌指蛋白有一组锌指，单个

33、的锌指的保锌指，单个的锌指的保守序列是：守序列是：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X2-His。结构。结构“指指”的本身由的本身由23 AA组组成，成，“指指”与与“指指”之之间通常由间通常由7-8 AA连接。连接。锌指的两种类型：锌指的两种类型： 型：型：2Cys/2His；型：型：2Cys/2Cys；第五十二页，共109页幻灯片有一个有一个螺旋和一个反向平行的螺旋和一个反向平行的片层片层第五十三页，共109页幻灯片第五十四页，共109页幻灯片第五十五页，共109页幻灯片l 亮氨酸拉链 碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper

34、, bZIP):结结构特点是蛋白质分子的肽链上每隔构特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在都在螺旋的同一个方向出现。螺旋的同一个方向出现。第五十六页，共109页幻灯片两个相同结构的两排亮氨两个相同结构的两排亮氨酸残基以疏水键结合成二酸残基以疏水键结合成二聚体，二聚体另一端的肽聚体，二聚体另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，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旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二基团结合。若不形成二聚体则对聚体则对DNA的亲和结的亲和结合

35、力明显降低。合力明显降低。第五十七页，共109页幻灯片第五十八页，共109页幻灯片亮氨酸拉链亮氨酸拉链(leucine zipper)碱性-亮氨酸拉链 basic-leucine zipper, bZIP第五十九页，共109页幻灯片 （亮氨酸拉链）（亮氨酸拉链）是亲脂性（是亲脂性（amphipathic）的的螺旋，包含有许多集中在螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。条多肽链以此形成二聚体。每隔每隔6个残基出现一个亮氨个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（酸。由赖氨酸（Lys）和精）和精氨酸（氨酸（Arg）组成）组成DNA结合结合区。区。 第六

36、十页，共109页幻灯片碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix-loop-helix）该调控区长约该调控区长约50个个aa残基，残基，同时具有同时具有DNA结合和形成结合和形成蛋白质二聚体的功能，其蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲主要特点是可形成两个亲脂性脂性-螺旋，两个螺旋之间螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。性氨基酸区所决定的。 第六十一页，共109页幻灯片 二聚体二聚体第六十二页，共109页幻灯片螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋(helix-loop-helix,HL

37、H)第六十三页，共109页幻灯片第六十四页，共109页幻灯片同源域蛋白(HD) 同源域（homeobox）是一种编码60 aa的DNA序列，长180 bp，几乎存在于所有真核生物中，它的名字是来源于最初在果蝇中鉴别出的同源异形座位。它存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。 许多含有同源转换区的基因具有转录调控功能，同源转换区氨基酸序列可能参与形成DNA结合区。第六十五页，共109页幻灯片同源框的螺旋3 结合到DNA的大沟上，螺旋1、2 露在双螺旋之外。第六十六页，共109页幻灯片转录活化结构域转录活化结构域（transcription activation domai

38、ns）转录活化结构域功能通常依赖于转录活化结构域功能通常依赖于DNA结结合结构域以外的合结构域以外的30-100个氨基酸残基。如个氨基酸残基。如GAL4分子中有分子中有2个这种结构域，分别位于多个这种结构域，分别位于多肽链的第肽链的第147-196位和第位和第768-881位。位。第六十七页，共109页幻灯片特征性结构：特征性结构：a. 酸性酸性-螺旋螺旋(acidic -helix)该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性序列，多呈带负电荷的亲脂性-螺旋，如螺旋，如GAL4、糖皮质激素受体的、糖皮质激素受体的AP-1等。增加激活区

39、等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。转录。第六十八页，共109页幻灯片b. 富含谷氨酰胺的结构富含谷氨酰胺的结构(glutamine-rich domain)SP1是启动子是启动子GC盒的结合蛋白，其盒的结合蛋白，其N末端末端含有含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸

40、残基。哺乳动物的残基。哺乳动物的OCT-1、OCT-2和和AP2等含有这种结构域。等含有这种结构域。 第六十九页，共109页幻灯片c.富含脯氨酸的结构富含脯氨酸的结构(proline-rich domain)CTF家族（家族（CAAT box transcription factor）家族是能识别）家族是能识别CAAT盒的一组转盒的一组转录因子，其录因子，其C末端与其转录激活功能有末端与其转录激活功能有关，含有关，含有20%-30%的脯氨酸残基，难形成的脯氨酸残基，难形成-螺旋螺旋。Oct2、AP2和和SRF含有这种结构含有这种结构。第七十页，共109页幻灯片 转录活化结构域转录活化结构域 (

41、transcriptional activation domain) 酸性-螺旋结构域 (acidic helix domain) 富含谷氨酰胺结构域 (glutamine-rich domain) 富含脯氨酸结构域 (proline-rich domain)第七十一页，共109页幻灯片8.2.3 8.2.3 转转 录录 起起 始始 的的 调调 控控原核原核RNA polRNA pol（2 2，识别识别P P）识别单纯）识别单纯DNADNA。真核真核RNA pol IIRNA pol II只能识别转录起始复合物：只能识别转录起始复合物：“TFIID+TATATFIID+TATA盒盒”。 RNA

42、 pol IIRNA pol II转录起始复合物形成过程：转录起始复合物形成过程： TATATATA因子因子+TATAboxPr.-DNA+TATAboxPr.-DNA复合物复合物供供pol II pol II 识别。识别。 pol IIpol II识别并结合识别并结合Pr.-DNAPr.-DNA闭合复合物闭合复合物 转录起始因子结合转录起始因子结合pol II pol II 形成开放复合物（转录起始复合形成开放复合物（转录起始复合物）物）转录开始。转录开始。真核生物转录起始调控涉及到反式作用因子激活及其作用。真核生物转录起始调控涉及到反式作用因子激活及其作用。 反式作用因子促进或抑制上述，参

43、入调控主要因素有顺式反式作用因子促进或抑制上述，参入调控主要因素有顺式作用元件，反式作用因子和作用元件，反式作用因子和RNA polRNA pol。第七十二页，共109页幻灯片TBP:TATA-binding proteinTAFs:TBP associated factorsRNA聚合酶II所需的转录因子用TFIIX（X代表各个因子）第七十三页，共109页幻灯片1.1.反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节 方式特点或举例（1）表达式转录因子表达就有活性，完成功能就降解，不累积。（2）共价修饰 磷酸化/去磷酸化半寿期长。磷酸化/去磷酸化有活性受cAMP-Pr.激酶/磷酸酶系统调节。是哺

44、乳动物信息传导的普遍方式。 糖基化糖基化成糖Pr.有活性。可与磷酸化竞争修饰Ser和Thr修饰位点。麦胚凝集处理SP1抑制转录活性，不抑制DNA结合活性。第七十四页，共109页幻灯片配体结合反式作用因子本身是激素受体（激素响应信号）与激素结合才能结合DNA发挥调控作用典例是甾体激素对基因调控，如：给公鸡注射雌激素肝生卵黄Pr.元（Vitelinegen）,注射孕酮输卵管产生卵白Pr.催乳素产生酪Pr.基本过程：激素受体结合复合物使DNA解链促进RNA pol转录生成卵白Pr.（基因产物）甾体激素不同结构区可以产生正或负调控，负控分与DNA结合或转录Pr.结合2大类。Pr.-Pr相互作用反式作用

45、因子（Pr.）受另-Pr.作用才有调控作用。如C-myc Pr. 含Leu拉链和螺旋环结构与 max Pr.构成异二聚体才有调 控活性。第七十五页，共109页幻灯片2.2.反式作用因子（反式作用因子（Pr.Pr.）与顺式作用元件的结合）与顺式作用元件的结合 （1 1）被结合的顺式元件及其性质：启动子（上游）和增强子（）被结合的顺式元件及其性质：启动子（上游）和增强子（上、下游）上、下游）可结合相同的可结合相同的Pr.Pr. （2 2）不同基因存在同样顺式元件）不同基因存在同样顺式元件提示数量有限调控基因调提示数量有限调控基因调控真核基因表达。控真核基因表达。3.3.反式作用因子的作用方式反式作

46、用因子的作用方式 反式作用因子与启动子，增强子，反式作用因子与启动子，增强子，RNA polRNA pol有一定距离，如有一定距离，如何何trans-actingtrans-acting有下述模式。有下述模式。（1 1）成环靠拢（）成环靠拢（loopinglooping） 反式作用因子结合增强子中顺式作反式作用因子结合增强子中顺式作用元件用元件使使DNADNA弯曲成环弯曲成环靠近靠近RNA pol RNA pol 直接接触起作用。直接接触起作用。第七十六页，共109页幻灯片（2 2）扭曲变形（）扭曲变形（twistingtwisting） DNADNA结合结合Pr.Pr.结合结合DNA DNA

47、DNA DNA构型改变（构型改变（如解旋）如解旋） 起作用。起作用。 （3 3）滑动选点（）滑动选点（slidingsliding） 结合结合DNDN特异位点特异位点滑动至另一特殊序列滑动至另一特殊序列起起作用。作用。（4 4）Oozing 1Oozing 1反式作用因子结合顺式元件反式作用因子结合顺式元件促进别的反式因子结合促进别的反式因子结合顺式元件顺式元件直至转录开始。直至转录开始。4.4.反式作用因子的组合调控反式作用因子的组合调控几种反式作用因子组合对调节基因发挥特几种反式作用因子组合对调节基因发挥特定的作用（正控定的作用（正控 促进基因转录，负控促进基因转录，负控 抑制基因转录）称

48、之抑制基因转录）称之combinatorial regulationcombinatorial regulation。 反式作用因子结合顺式元件主要影响：反式作用因子结合顺式元件主要影响：TATATATA因子与因子与TATA boxTATA box结合结合 RNA polRNA pol与与Pr.-DNAPr.-DNA复合物的形成复合物的形成 影响转录起始复合物形成，一旦形成影响转录起始复合物形成，一旦形成open complex open complex 即转录开始。即转录开始。第七十七页，共109页幻灯片成环成环第七十八页，共109页幻灯片第七十九页，共109页幻灯片组合式调控作用组合式调控

49、作用第八十页，共109页幻灯片8.3 转录后水平的调控转录后水平的调控(P329) 5端加帽端加帽(cap)和和3端多聚腺苷酸化端多聚腺苷酸化(polyA)的调控的调控意义意义 使使mRNA稳定，在转录过程中不被降解稳定，在转录过程中不被降解 mRNA的选择剪接的选择剪接(alternative splicing)对基因表对基因表达的调控达的调控 外显子选择外显子选择(optional exon)、内含子选择、内含子选择(optional intron)、互斥外显子、内部剪接位点、互斥外显子、内部剪接位点 mRNA 运输的控制运输的控制第八十一页，共109页幻灯片 RNA RNA转录合成后往往

50、需要一系列变化，包括拼接，末端修饰、内部修饰等过程转录合成后往往需要一系列变化，包括拼接，末端修饰、内部修饰等过程才才能成熟为成熟能成熟为成熟mRNAmRNA，tRNAtRNA和和tRNAtRNA，这个过程称转录后加工（，这个过程称转录后加工（post- transcription post- transcription processingprocessing）。转录后加工修饰是基因表达的必需过程之一，且在基因调控和细胞分化上起着）。转录后加工修饰是基因表达的必需过程之一，且在基因调控和细胞分化上起着重要作用。转录加工受到基因调控。重要作用。转录加工受到基因调控。（一）转录后加工的调控意义（

51、一）转录后加工的调控意义 1.mRNA caping51.mRNA caping5加上加上 GpppmNPGpppmNP帽子，帽子，tailing tailing 加上加上AAAA（50 50 200bp200bp）尾巴。）尾巴。 意义：意义： （1 1）保护作用）保护作用保护保护mRNAmRNA免受核酸酶降解，免受核酸酶降解， （2 2）标识作用）标识作用为翻译提供识别位点（为翻译提供识别位点（CBPCBP）。）。 但戴帽加尾不是唯一的稳定因素，但戴帽加尾不是唯一的稳定因素，2 2个因素至少保证个因素至少保证mRNAmRNA在转录过程不被降在转录过程不被降 解，可能还有其他参入因素。解，可能

52、还有其他参入因素。 2.rRNA 2.rRNA 不易被降解的机理可能是因为其组成核糖体是在核内组装的。不易被降解的机理可能是因为其组成核糖体是在核内组装的。 3.tRNA 3.tRNA 合成后形成特殊的空间结构（三叶草，倒合成后形成特殊的空间结构（三叶草，倒L L），可能抵抗降解，），可能抵抗降解， 半寿期长。半寿期长。第八十二页，共109页幻灯片4.4.剪接（剪接（splicing)splicing)选择剪接方式要 点（1）外显子选择Option exon或称外显子跳跃（exon skipping）全部保留或至少删除1个或几个外显子。（2）内含子选择Option intron 内含子全部删除

53、保留1个（近来也有内含子表达的报道）。（3）互斥外显子Mutually exclusiveexon 2个外显互斥在同1个成熟mRNA只出现1个。（4）内部剪接位点Internal splice site 通过剪接供点或受点选择决定选择或剪切。m7Gpppm7GpppintronexonexonAAAAAA第八十三页，共109页幻灯片第八十四页，共109页幻灯片 Bax Bax基因转录产物的选择剪接基因转录产物的选择剪接 BaxBax基因编码产物是与细胞凋亡有关的分子（基因编码产物是与细胞凋亡有关的分子（Bax/Bcl2Bax/Bcl2调亡调亡） BaxBax编码产生的编码产生的Pr.Pr.有几

54、种（有几种（、等），结构略有差异，等），结构略有差异， 差异的产生来自差异的产生来自mRNAmRNA的选择性剪接。的选择性剪接。 Bax Bax 保留全部（保留全部（6 6个）外显子个）外显子共共192192个密码子个密码子译出译出192AA192AA多多肽肽 Bax Bax 保留全部外显子和第保留全部外显子和第5 5个内含子（含终止码）个内含子（含终止码） 共共218218个密个密码子。码子。 Baz Baz 保留保留1 1、3 3、4 4、5 5、6 6外显子，删除第外显子，删除第2 2个外显子个外显子译出译出151AA151AA多肽。多肽。实实 例例第八十五页，共109页幻灯片第八十六页

55、，共109页幻灯片第八十七页，共109页幻灯片第八十八页，共109页幻灯片第八十九页，共109页幻灯片（二）（二）mRNAmRNA运输的调控运输的调控实验证明实验证明mRNAmRNA运输是受控制的。运输是受控制的。 1.1.3 3H-udRH-udR显示约显示约20%mRNA 20%mRNA 胞浆，核内胞浆，核内RNARNA约在约在1 1小时内降解成小时内降解成小片段小片段 2.2.核孔核孔9nm9nm，但可运输，但可运输9nm9nm颗粒（如核糖体颗粒（如核糖体15nm15nm，在核内组装，在核内组装 入胞作用）入胞作用） 用用20nm20nm金颗粒（金颗粒（gold spheregold s

56、phere）包装小）包装小RNARNA（如（如tRNAtRNA或或5sRNA5sRNA） 注射到蛙卵（注射到蛙卵（frogoocytefrogoocyte） 可迅速过核孔到可迅速过核孔到胞浆。但注射入浆胞浆。但注射入浆则不能入核说明则不能入核说明mRNAmRNA主动运输入胞，但机制不清楚。主动运输入胞，但机制不清楚。 3.RNA3.RNA从核从核胞浆是可以调节的（胞浆是可以调节的（20%RNA20%RNA入浆）入浆） 发现腺病毒编码发现腺病毒编码2 2种种Pr.Pr.为可以调节为可以调节RNARNA运输的选择性所必需、为运输的选择性所必需、为研究上述机制带来了希望。研究上述机制带来了希望。第九

57、十页，共109页幻灯片8.4 翻译水平的调控翻译水平的调控第九十一页，共109页幻灯片（一）翻译起始的调控（一）翻译起始的调控 翻译起始翻译起始GTP.MET-tRNAGTP.MET-tRNA40S.MET-tRNAi.GTP 40S.MET-tRNAi.GTP 40S.MET-tRNAiGTPmRNA 40S.MET-tRNAiGTPmRNA 80s.METtRNA.GTPmRNA80s.METtRNA.GTPmRNA。在。在之前各个阶段都可以发生调控作用。之前各个阶段都可以发生调控作用。 1.1.阻遏阻遏Pr.Pr.的调控作用的调控作用 进入胞浆并非所有的进入胞浆并非所有的mRNAmRNA

58、分子分子立即与核糖体结合立即与核糖体结合翻翻 译成译成Pr.Pr. 一些特定的翻译抑制一些特定的翻译抑制Pr. Pr. 可结合到可结合到mRNA5,mRNA5,抑制翻译。抑制翻译。如：铁如：铁Pr.Pr.（ferritinferritin）mRNA5mRNA5端非编码区约端非编码区约3030个核苷酸序列称为个核苷酸序列称为铁反应元件（铁反应元件（iron-response elementiron-response element） 可折叠成可折叠成1 1个茎环（个茎环（发夹结构）发夹结构） 可结合可结合1 1个铁结合调节蛋白（个铁结合调节蛋白（regulatoryiron-regulatory

59、iron-binding probinding pro）导致：）导致： （1 1）无铁结合可运）无铁结合可运铁结合铁结合Pr.Pr.结合结合mRNA mRNA 抑制翻译。抑制翻译。 （2 2）有铁）有铁不抑制，快译运输工具。不抑制，快译运输工具。第九十二页，共109页幻灯片5翻译3AUGC蛋白质NStop codon53AUGStop codon帽帽无蛋白翻译阻遏蛋白第九十三页，共109页幻灯片2.2.翻译起始因子的功能调控翻译起始因子的功能调控 eIFeIF2 2是是Pr.Pr.合成过程中重要起始因子。有些因素可影响其活性，合成过程中重要起始因子。有些因素可影响其活性，如：如： eIFeIF

60、2 2去磷酸化去磷酸化 eIFeIF2 2磷酸化磷酸化( (活性活性) ) 培养培养RbcRbc营养不足营养不足 肽链合成起始效率肽链合成起始效率 3.5-AuG3.5-AuG对翻译的调控作用对翻译的调控作用55 3 mRNA 3 mRNA（1 1）按）按Pr.Pr.生物合成模型，生物合成模型，90%90%真核真核mRNAmRNA符合第符合第1AUG1AUG规律规律译出正常译出正常Pr.Pr.（2 2）5AUG5AUG可以减少正常可以减少正常AUGAUG翻译起始作用翻译起始作用使翻译维持在较低水平。使翻译维持在较低水平。原癌基因原癌基因中是控制原癌基因表达的重要因素中是控制原癌基因表达的重要因