第五章真核基因表达调控

07:03第五章基因的表达与调控(下)—真核基因表达调控的一般规律与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组有3×109bp，为大肠杆菌总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！真核生物基因表达与调控的复杂性：真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中基因组结构庞大。真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了有不起表达作用的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才进入表达阶段。(3)形成染色体结构。真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成细胞分裂的中期染色体。染色质的结构对基因的表达起总体控制作用。（4）重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列和异染色质。大多数为非编码区。断裂基因。有外显子和内含子。发育过程中高度分化的机制信号传递复杂1.根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。二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、发育的全部进程。真核生物基因表达调控的种类：2.根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：真核基因表达调控的环节更多真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性.同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但转录后的调控占有了更多的分量。真核生物基因表达调控的特点和种类一、真核生物基因表达的特点1.以基因为转录单位2、转录后加工更复杂3、转录和翻译存在时空隔离4、翻译及翻译后修饰更复杂二、真核生物基因表达调控的特点

1、调控环节多2、既有瞬时调控，又有发育调控。瞬时调控称为可逆性调控，发育调控称为不可逆性调控。3、染色质结构变化影响转录效率。4、转录调控以正调控为主。5、调控序列多并且可以远离转录区60、7:03调节蛋白种类繁多，调节机制复杂07:03DNA①转录调控hnRNA②加工调控mRNA③转运调控mRNA⑤mRNA降解调控失活mRNA翻译调控④蛋白质⑥

蛋白质活性调控活性蛋白质细胞核细胞质根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译及翻译后水平调控蛋白质降解水平的调控07:03真核生物DNA水平上的基因表达调控基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化状态与调控染色体结构与调控07:03一、基因丢失07:03在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。二、基因扩增07:03基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。07:03三、基因重排07:0307:03V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。四、染色质结构与基因表达调控：真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。07:03四、染色质结构与基因表达调控：活性染色质(常染色质)按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。07:03四、染色质结构与基因表达调控：07:03五、DNA的甲基化与基因调控DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。07:03在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛07:032、DNA甲基化抑制基因转录的机理实验表明胞嘧啶残基的

甲基化可使B-DNA向Z-

DNA转变。在大多数染

色体DNA中，胞嘧啶残

基的C5甲基化是由专一的DNA甲基化酶催化的，而在多细胞生物的不同类型细胞中，特定基因的甲基化程度相差很大，越来越多的实验表明，胞嘧啶残基的甲基化与基因表达调控有关。07:03ACACACACTranscriptionMethylationMeMeCP2

bindingMeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP207:03MeCP2基因的全名为甲基化CpG结合蛋白22、DNA甲基化抑制基因转录的机理07:03Co-repressor

anddeacetylase

bindingMeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2MeCP2DeacetylaseCo-RepressorCo-RepressorDeacetylaseCo-RepressorDeacetylaseCo-RepressorDeacetylaseHistone

deacetylation

andChromatincompactionMeCP2MeCP2MeCP2Co-RepressorDeacetylaseDeacetylaseCo-RepressorMeCP2NotranscriptionAcetylationmethylationdeacetylase脱乙酰基酶Deacetylation脱乙酰基Acetylation

乙酰化Chromatincompaction染色质压缩2、DNA甲基化抑制基因转录的机理第四节真核生物转录水平上的基因表达调控07:03一、真核基因转录（一）真核基因结构“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。07:03（二）顺式作用元件(调控序列)定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列，组成基因转录的调控区。例：启动子、增强子、沉默子等。（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。分2种：核心启动子和上游启动子07:0307:03（2）增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。07:03增强子特点：07:03①增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍;②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（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；③大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；④增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；07:03⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；⑥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，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。07:03增强子作用机理：07:03（3）沉默子：某些基因含有负性调节元件——沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。07:03（三）反式作用因子(trans-actingfactor)也称调节蛋白1、定义：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。为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。转录因子：TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）,STAT3(TTC***GAA)07:03通用或基本转录因子(general

transcription

factors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。

TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等。特异转录因子(special

transcription

factors)—个别基因转录所必需的转录因子.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。四因子（c-Myc,Klf4,

OCT3/4,SOX2）逆转体细胞变成干细胞，这类细胞称为诱导重编程的干细胞（ips）07:0307:0307:032、结构DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区反式作用因子（调节蛋白）结构特点07:03DNA结合结构域：螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）锌指结构（zinc

finger）碱性-亮氨酸拉链（basic

-

leucine

zipper）碱性-螺旋-环-螺旋（basic

–helix

/loop/helix，bHLH）07:03①螺旋-转角-螺旋全长约20个氨基酸，由各含7-9个氨基酸的两个α螺旋通过一个β转角连接，位于C端的α螺旋直接与DNA双螺旋的大07:0沟3特异性结合，称为识别螺旋。λ噬菌体的λ抑制子（λrepressor）利用螺旋-转角-螺旋（绿）结构与DNA（红与蓝）结合。07:03②锌指结构配位键2-9个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含有大约

30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。07:03单一锌指结构与DNA结合会很弱，但DNA结合蛋白通过多个锌指结构同时与DNA结合，结合就会比较稳定07:03③碱性-亮氨酸拉链二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端富含碱性氨基酸如赖氨酸或者精氨酸可与

DNA主链带负电荷的磷酸基结合。07:03④碱性-螺旋-环-螺旋（HLH）由两段两性α螺旋通过一段长度不一的环连接，两段α螺旋一端通过亮氨酸相互结合，形成二聚体。另一端为富含碱性氨基酸的序列，直接与靶基因启动子区的E框（E-box,共有序列CANNTG）结合。07:03根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译及翻译后水平调控蛋白质降解水平的调控07:03真核生物的RNA聚合酶种类07:03Ⅰ

ⅡⅢ转录产物rRNA的前体

45S

rRNAmRNA前体

hnRNA,

lncRNA,piRNA,miRNAtRNA,

5SrRNA

snRNA耐受敏感高浓度下敏感对鹅膏蕈碱的反应细胞内定位核仁核内核内真核生物中不同的RNA

pol需要不同的基本转录因子（TF）配合完成转录的起始和延长。相对应于RNA

pol

I、

RNA

pol

II、

RNA

pol

III，这些TF分别称为TFI、TFII、

TFIII。07:03真核生物转录的开始07:03根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译及翻译后水平调控蛋白质降解水平的调控07:03动物细胞内主要的RNA种类及功能07:03RNA种类缩写细胞内位置功能核糖体RNArRNA细胞质核糖体组成成分信使RNAmRNA细胞质蛋白质合成模板转运RNAtRNA细胞质转运氨基酸微RNAmicroRNA细胞质翻译调控胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质信号肽识别体的组成成分不均一核RNAhnRNA细胞核成熟mRNA的前体核小RNAsnRNA细胞核参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA的加工和修饰线粒体核糖体RNAmt

rRNA线粒体核糖体组成成分线粒体信使RNAmt

mRNA线粒体蛋白质合成模板线粒体转运RNAmt

tRNA线粒体转运氨基酸信使RNA(messenger

RNA, mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。07:03mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA内含子

(intron)mRNAmRNA成熟过程外显子

(exon)07:03成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5¢-末端的帽子(cap)结构和3¢-末端的多聚A尾(poly-A

tail)结构。5'07:03m7Gppp3'AAA……An3'非翻译区5'非翻译区编码区AUGUAA成熟的真核生物mRNAN07:03NNNNH2OCH3OH

HHHHNOH2N

NNOOHH

HHHOHNCH3O-

OCH2

O

P

O

PO

O-5'3'

2'O

5'O

P

O

CH2O-

O帽子结构:m7GpppNm1.

真核生物mRNA的5¢-端有特殊帽结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap

bindingprotein，CBP)结合。2.

真核生物mRNA的3¢末端有多聚腺苷酸尾07:03真核生物的mRNA的3¢-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（poly(A)-bindingprotein，PABP）结合存在。帽子结构和多聚A尾的功能mRNA核内向胞质的转位

mRNA的稳定性维系翻译起始的调控07:03根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译及翻译后水平调控（自习）蛋白质降解水平的调控（自习）07:03真核生物翻译比原核生物更重要：（1）一些较大基因的转录及转录后加工时间太长（达数小时），可以通过调控已有的mRNA的翻译效率来满足急需。（2）有些基因的翻译调控属于微调。（3）一些无核细胞对已有的mRNA的翻译进行调控。07:03翻译水平的调控5’端UTR(非翻译区）结构与翻译起始的调节5‘帽子结构的甲基化：1）保护mRNA免遭5’外切酶的降解。2）为mRNA的从核中输出提供转运信号。3）提高翻译模板的稳定性和翻译效率。翻译起始因子的调控：eIF-2-4F的磷酸化能提高翻译速度eIF-2α的磷酸化能抑制翻译起始07:03翻译起始因子(eIF2)的调控07:033‘UTR（非翻译区）结构与mRNA稳定性多聚腺苷酸尾的调节作用poly

A尾巴的功能：稳定mRNA分子，抵抗3’-端外切酶攻击的作用。有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。3‘UTR区域具有保护5‘端帽子结构的作用。07:033‘UTR序列及结构对mRNA稳定性的调节球蛋白mRNA的3‘URT序列含有许多CCUCC重复蛋白序列，这些序列发生突变将降低mRNA的稳定性。某些不稳定的mRNA起3‘UTR含有50nt的共有序列

AUUUA，称为ARE。ARE结合蛋白可以聚集外切多聚腺苷酸酶和内切酶，加速mRNA的降解。07:03翻译后水平的调控新生肽链的水解：酶解肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）与去稳定氨基酸肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化通过信号肽(signal

peptide)分拣、运输、定位07:03翻译调控Translational

control在原核生物中,不同基因的翻译水平受下列因素的调控:原核生物自身产生的较短反义RNA与mRNA结合,抑制了翻译;多顺反子mRNA对核酸酶的相对稳定性,调节翻译的进程;mRNA的自身结合,阻止了其与核糖体附着的蛋白质结合.07:03在真核生物中，真核生物通常用改变基因的转录水平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量，但也有一些调控发生在细胞质中，如：07:03蛋白质结合掩盖了mRNA，阻碍了翻译mRNA的3‘非编码区存在5’–AUUUA—3‘的重复序列，使得mRNA不稳定，降低翻译效率。2.多蛋白Polyproteins单一翻译产物被切割形成两个或多个独立蛋白，称为多蛋白3.

蛋白质定位Protein

targeting蛋白质在细胞内的定位是取决于生物自身蛋白质的特性、相对长短以及其氨基酸的序列。这些序列可以决定蛋白质是否是被分泌、转运至核内还是转运至