分子生物学课件第十一章真核生物的基因表达调控

1、分子生物学课件第十一章真核生物的基因表达调控 DNA水平的调控 转录水平的调控(transcriptional regulation) 转录后水平的调控(post transcriptional regulation) 翻译水平的调控(translational regulation) 翻译后水平的调控(protein maturation)1 真核生物基因表达调控的特点 转录与翻译分隔进行 多层次 无操纵子和衰减子 正性调节占主导 个体发育复杂，基因表达受环境影响较小 第十一章 真核生物基因表达的调控2 DNA水平的调控2.1 基因丢失核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因。 在

2、细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。 例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27DNA丢失。 在高等动植物中，尚未发现类似现象! 第十一章 真核生物基因表达的调控2 DNA水平的调控2.2 基因扩增增加基因的拷贝数。 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增 4000倍，达1012个核糖体 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如免疫球蛋白基因重排，多样性。2.3 基因重排 第十一章 真核生物基因表达的调控 第十一章 真核生物基因表达的调控 第十一章 真核生物基

3、因表达的调控2 DNA水平的调控2.4 染色质结构的改变 染色质是真核基因组DNA的主要存在形式，核小体是构成染色质的基本单位。DNA结合组蛋白核心形成核小体，妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠近和结合，使基因的活性受到抑制。可通过改变染色质的结构来调节基因的活性。 常染色质:结构松散，基因表达 异染色质:结构紧密，基因不表达 有基因表达活性的染色质DNA对 DNase更敏 感，即Dnase的敏感性,可作为该基因的转录活 性的标志 染色质改变模型：占先模型和动态模型。 第十一章 真核生物基因表达的调控 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

4、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。染色质结构改变模型-占先模型决定的因素是转录因子和组蛋白谁先占据调控位点。 第十一章 真核生物基因表达的调控染色质结构改变模型-动态模型该模型认为：转录因子与组蛋白处于动态竞争中。 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。该过程需ATP水解提供能量。染色质的转录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 第十一章 真核生物基因表达的调控2 DNA水平的调控2.5 组蛋白的修饰乙酰化、甲基化和磷酸化等。改变组蛋白表面电荷，影响核小体结构，进而调

5、节基因活性。 组蛋白H4的乙酰化不足(underacetylation)是 雌性哺乳动物一条X染色体失活的原因之一。2.6 DNA的甲基化 甲基化程度高：基因表达降低CpG：即CpG岛(CpG-rich islands)，CpG分布比较 集中的区域，某些基因上游的转录调控区及 其附近也存在CpG岛。 去甲基化：基因表达增加 第十一章 真核生物基因表达的调控鸡卵黄蛋白原基因5端调节区有4个CpG位点 第十一章 真核生物基因表达的调控同裂酶检测甲基化位点HpaMsp 第十一章 真核生物基因表达的调控亲本印记(imprinting)印记:来源于父母本的一对等位基因表达不同。 (甲基化的影响) 如源于

6、父本的IGF- (胰岛素样生长因子)基因可表达，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。印记失真可导致遗传病：如亨廷顿氏舞蹈病！ 第十一章 真核生物基因表达的调控亲本的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。亲本印记(imprinting) 第十一章 真核生物基因表达的调控3 转录水平的调控顺式作用元件 (cis-acting element ) :真核生物结构基因上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列，如启动子、增强子等。 反式作用因子（trans-actin

7、g factor）:直接或间接辨认、结合顺式作用元 件并影响其功能的蛋白质，如转录因子等。 3.1 真核与原核生物转录调控的区别 原核：功能相关的基因形成操纵子；真核：NO ! 原核：调控元件少；真核：多！ 原核：负调控为主；真核：正调控为主！ 原核：无染色质改型；真核：有！ 第十一章 真核生物基因表达的调控真核与原核生物转录调控的区别 第十一章 真核生物基因表达的调控3.2 顺式作用元件3 转录水平的调控-GCGC-CAAT-TATA转录起始 TATA 盒 CAAT 盒 G C 盒 结 构 基 因 增强子 启动子、增强子、沉默子、绝缘子等！ 第十一章 真核生物基因表达的调控 第十一章 真核生

8、物基因表达的调控 启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。它还包括一些调节蛋白因子的结合位点 。3.2 顺式作用元件 启动子（Promoter） 核心启动子成分，如 TATA 框 ； 起始子序列； 上游启动子成分，如CAAT框 ,GC框 。影响基因转录的效率和频率！ 第十一章 真核生物基因表达的调控增强子：位于结构基因附近，远离转录起始点（130kb），能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序称为增强子。3.2 顺式作用元件 增强子(enhancer) 具有远距离效应。 无方向性。 顺式调节。 无基因的特异性,无种属特异性但有组织、细 胞的特异性。 多为重复序列，内部有核心序

9、列。 有相位性。其作用和DNA的构象有关。特点： 第十一章 真核生物基因表达的调控SV40基因表达调控区结构示意图 增强子作用的倍加效应 无基因专一性 一般无种属特异性，有很强的细胞型和组织特异性 第十一章 真核生物基因表达的调控SV40至少有3个不连续的21bp的增强子成分A,B,C，6个增强子单元。SV40的增强子结构增强子单元：增强子的基本成分，是转录因子的结合位点。 第十一章 真核生物基因表达的调控3.2 顺式作用元件 增强子 增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。增强子的作用机理： 增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域 容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。负调节元件，起

10、阻遏作用，不受距离和方向限制，可对异源基因的表达起作用。 沉默子(silencer) 第十一章 真核生物基因表达的调控3.2 顺式作用元件 其它远距离顺式作用元件 绝缘子（Insulator ）：阻止激活或阻遏作用在 染色质上的传递，使染色质的活性限定 于结构域之内。 基因座控制区（LCR ）：位于其所控制基因的很 远距离，通过改变染色质的结构激活整 个结构域，为基因转录活性所必须。 基质附着区（MAR）：帮助染色质附着在核周质的 一定部位。 第十一章 真核生物基因表达的调控3.2 顺式作用元件 Britten-Davidson模型1969年提出，真核生物单拷贝基因转录调控的模型。 S I R

11、 G mRNARNA/pro 第十一章 真核生物基因表达的调控y YB x w A y x wA z y ww Wx X z ZA xB yC zX y Px y z O y z R多重激活子多重接受子多重调节的Britten-Davidson模型 第十一章 真核生物基因表达的调控3.3 反式作用因子转录因子基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子,主要包括TF，TF，TF 。特异转录因子：个别基因转录所必需的转录因子，如OCT-2在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。 为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。 第十一章 真核生物基因表达的

12、调控 第十一章 真核生物基因表达的调控-GCGC-CAAT-TATA转录起始 TATA盒 CAAT盒 GC 盒 结 构 基 因 增强子 3.3.1 反式作用因子结构特征3.3 反式作用因子 DNA结合结构域（DNA- banding domain ）； 转录激活结构域(transcriptional activation domain)； 其它转录因子或调控因子结合结构域。三个结构域：基序或基元（motif ）： 构成任何一种特征序列或结构的基本单位，是超二级结构。 第十一章 真核生物基因表达的调控多肽链的构象 C-NC-C 第十一章 真核生物基因表达的调控螺旋 第十一章 真核生物基因表达的调

13、控-折叠 第十一章 真核生物基因表达的调控- turn, 转角 第十一章 真核生物基因表达的调控反式作用因子DNA结合结构域的模式 螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix，HTH) 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH) 锌指结构(zinc finger motif) 亮氨酸拉链结构 (leucine zipper) 第十一章 真核生物基因表达的调控HTH, Helix-turn-helix 一般由2个螺旋和1个转角形成，长约20个aa ，通过识别螺旋与DNA在大沟中特异结合，另一螺旋穿过大沟，与DNA非特异结合。 第十一章 真核生物基因表达的调控HTH, He

14、lix-turn-helix 第十一章 真核生物基因表达的调控调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能。其主要特点是可形成两个亲脂性-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富含碱性氨基酸区所决定的。 HLH, helix-loop-helix 第十一章 真核生物基因表达的调控Zinc finger Cys2/His2 Cys，His与Zn+结合形成4面 体结构，使中部的氨基酸回折 成环，凸出如手指。 中部芳香族氨基酸，具疏水性。 串联重复排列，两指间7-8aa， 锌指数目多少不等 大小约23aa，序列特征：Cys- X2-4- Cys-X3

15、-Phe- X5 -Leu- X2 -His- X3 His。 第十一章 真核生物基因表达的调控Zinc finger 第十一章 真核生物基因表达的调控Zinc finger Cys2/Cys2 Cys- X2- Cys-X13Cys- X2- Cys Zn+与4个Cys结合 DNA结合序列较短，对称 第十一章 真核生物基因表达的调控Leu zipper螺旋-COOH：每隔7个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面。螺旋-NH2：富含碱性氨基酸Lys和Arg，形成DNA结合域区。依靠Leu的疏水作用,2个螺旋相互缠绕，形成拉链结构。 第十一章 真核生物基因表达的

16、调控Leu zipper 在真核生物中广泛存在,可以同源二聚体或异源二聚体起作用，说明用各种不同组合，可产生不同的调控蛋白，能阅读多种序列（功能的灵活性）酵母激活因子 第十一章 真核生物基因表达的调控反式作用因子DNA激活结构域的模式 酸性-螺旋(acidic -helix)： 如GCN4，GAL4。 富含谷氨酰胺结构域(glutamine-rich domain)： 如SP1, AP2, oct1, oct2。 富含脯氨酸结构域(proline-rich domain)： 如CTF/NF1。 不规则的，含双性-helix。 第十一章 真核生物基因表达的调控DNA结合结构域只是为激活激活域在DNA分子上寻找一个立足之地!不同的激活结构域与相同的DNA结合结构域组成融合蛋白，检测激活结构域的活性。 第十一章 真核生物基因表达的调控3.4 真核基因转录调控机制 基因转录的调控由顺式作用与反式作用因子之间的相互作用来实现，关键在于转录的起始。TBPTAFsTFIIATFIIBTFIIETFII DTFIIFPol II 第十一章 真