生物化学与分子生物学八年制课件22市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件

RegulationofGeneExpressioninEukaryotes第二十一章真核基因表示调控1/751970年，猿猴病毒40(simianvirus40,SV40）生命周期被确定为早、晚两个阶段，使它们成为基因表示调控经典模型。1975年D.Pribonow发觉T7开启子序列。1982年C.Benoist和P.Chambon揭示了SV40早期开启子序列。1983年，W.S.Dynan和R.Tjian分离、判定了真核转录因子AP1。1986年，J.Clarke和Chambon两个试验室同时汇报了SV40增强子多功效元件组成。1990年代，信号转导-基因转录偶联机制成为热点课题。2/753/754/75第一节真核基因表示调控特征FeaturesofEukaryoticGeneRegulation5/75一、顺式作用元件是决定真核基因

转录活性关键原因之一exon1intron1exonnintronn上游下游转录起始点增强子缄默子开启子TATA盒GC盒CAAT盒增强子6/75（一）开启子是RNA聚合酶结合并开启

基因转录特异DNA序列

真核基因开启子指是RNA聚合酶（RNApolymerase，RNAPol）识别、结合基因转录调控区中开启基因转录一段特异DNA序列，包含一组转录调控功效组件，其中每一个功效组件DNA序列约7~20bp。7/75TATA盒CAAT盒GC盒

增强子

顺式作用元件

结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物开启子保守序列8/751.近起始点TATA盒/起始子及CpG岛是真核生物开启子关键序列真核细胞开启子是包含转录起始点（transcriptioninitiationsite或transcriptionstartsite）在内、有通用转录因子及RNA聚合酶组装、结合一段DNA序列。经典开启子关键序列（coresequences）是在转录起始位点上游25~35bp处，有一保守TATA序列，被称为TATA盒（TATAbox），真核细胞TATA盒多为TATAAAA序列。TATA盒与原核细胞开启子一样，对RNA聚合酶II转录起始位点起定位作用。9/75一些真核细胞基因含有另一个开启子元件，称为起始子(initiator,Inr)，决定开启子强度。起始子共有序列为：（5

）Y-Y-A+1-N-T/A-Y-Y-Y（3）；Y代表胞嘧啶C或胸腺嘧啶T，N代表任意碱基，T/A代表T或A。10/75有一些编码蛋白质基因转录可有多个起始点，可产生含不一样5末端mRNA。它们不含TATA盒或起始子，多在起始位点上游约100bp内含有2050个核苷酸CG序列，被称做CpG岛（CpGisland）。这些基因大多为低转录基因，编码中间代谢酶管家基因。11/75

2.开启子中上游元件帮助真核基因调整GC盒(GCbox)(GGGCGG)CAAT盒(CAATbox)(GCCAAT)开启子上游元件（promoter-proximalelements,或upstreampromoterelements）是一些位于TATA盒上游DNA序列，与调整蛋白结合，调整通用转录因子与TATA盒结合、RNA聚合酶与开启子结合，以及转录起始复合物形成，从而决定基因转录效率与专一性。常见序列是：12/75(二）增强子决定基因时空特异性表示增强子（enhancer）是能够结合特异基因调整蛋白，促进邻近或远隔特定基因表示DNA序列；在酵母中，被称为上游活化序列（upstreamactivatorsequences,UASs）。增强子作用通常与其所处位置和方向无关。13/75增强子距转录起始位点距离改变很大，从100nt到50,000nt，甚至更大。但总是作用于最近开启子。增强子所处位置在所调控基因上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，乃至下游最终外显子以外序列也可含有增强子。很多哺乳动物基因受一个以上增强子调控。14/75（三）缄默子阻遏基因转录缄默子(silencer)是指一些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录一段（数百bp）DNA序列。缄默序列促进局部DNA染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合DNA，是基因转录负性调整原因。15/75二、反式作用因子和顺式作用蛋白

是真核基因转录调整蛋白在真核细胞核中，有许多蛋白质能够帮助RNA聚合酶转录RNA。这类蛋白质统称转录因子（transcriptionfactors，TF）或转录调整蛋白（transcriptionregulatoryprotein）。以反式作用方式调整基因转录转录因子称为反式作用因子（trans-actingfactor），以顺式作用方式调整基因转录转录因子称为顺式作用蛋白（cis-actingprotein）。16/75cDNAaDNA反式调整C顺式调整mRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA17/75（一）PolⅡ转录需要基本转录因子和特异转录因子

*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合开启子所必需一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录类别。18/75*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因时间、空间特异性表示。转录激活因子转录抑制因子19/75

转录调整因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域20/75（二）转录因子含有不一样DNA结合域螺旋-转角-螺旋是转录因子中常见DNA结合域同源异型域结构与HTH结构域类似锌指结构是一类含锌离子转录因子DNA结合域亮氨酸拉链结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白质二聚体化碱性螺旋-环-螺旋结构域也可同时介导结合DNA和蛋白质二聚体化21/75螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）同源异型域（homeodomain，HD）识别螺旋DNA大沟DNA小沟螺旋1N－端DNA大沟螺旋322/75

锌指结构是一类含锌DNA结合蛋白质模体C2H2型锌指（Zincfinger）23/75反向平行β片层DNA大沟α螺旋Zn2＋24/75

亮氨酸拉链同时调整DNA结合与蛋白质二聚体化LeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuDNA大沟DNA大沟亮氨酸拉链（leucinezipper）25/75

碱性螺旋-环-螺旋结构也可调整DNA结合及蛋白质二聚体化碱性螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix，bHLH）bHLH双体DNA大沟螺旋螺旋环26/75（三）转录因子含有不一样转录激活域富含谷氨酰胺转录激活域富含脯氨酸转录激活域酸性氨基酸转录激活域27/75三、正性调整占主导真核基因表示

调控机制愈加复杂*不一样DNA元件组合可产生各种类型转录调整方式；*各种转录因子又可结合相同或不一样DNA元件；*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生效果各异，有正性调整或负性调整之分。28/75第二节真核基因表示染色质水平调控ChromosomalRegulationofEukaryoticGeneExpression29/75

基因活化蛋白质改变局部染色质结构异染色质（heterochromatin）是转录非活性。常染色质（euchromatin）中转录活性区域对核酸酶敏感，尤其是转录基因5’-侧翼区1000nt以内是高敏感位点(hypersensitivesites)。很多高敏感位点是调整蛋白质结合序列，而这些区域核小体相对缺乏也使得这些蛋白质易于与之结合。转录活化染色质与非活化染色质在结构上有很大不一样。

30/75转录活化染色质与非活化染色质组蛋白共价修饰方式也不相同。核小体关键组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）中赖氨酸残基非可逆性甲基化，丝氨酸与苏氨酸残基磷酸化，乙酰化以及泛素化多是转录活性染色质特点。真核细胞DNACpG序列（CpG岛）中胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶是常见现象，但转录活性染色质区域胞嘧啶被甲基化程度降低。31/75染色质重塑（chromatinremodeling）基因活化蛋白质能够经过改变基因开启子和调整序列区域染色质结构来促进转录开始。这种改变局部染色质结构过程被称为染色质重塑

。最主要两种方式：

组蛋白共价修饰核小体重塑（nucleosomeremodeling）32/75染色质重塑33/75组蛋白乙酰化位点：组蛋白乙酰化转移酶（histoneacetyltransferases,HATs），也称组蛋白乙酰化酶（histoneacetylase）主要作用于核小体关键组蛋白所富含赖氨酸残基，降低整个核小体对DNA亲和性。时间：基因活化蛋白质结合在转录调整区域后。34/75作用：使染色质进入转录活性状态乙；还可能促进或预防与其它转录或调整相关蛋白相互作用。逆转：组蛋白脱乙酰化酶(histonedeacetylase)降低核小体乙酰化，使染色质恢复转录非活性状态。35/75第三节真核基因表示转录水平调控TranscriptionalRegulationofEukaryoticGeneExpression36/75基因表示多级调控:基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰37/75基因转录激活调整基本要素:基因结构、性质细胞内所存在转录调整蛋白生物个体或细胞所处内、外环境38/75

真核细胞基因开关分子机制比原核复杂基本共同点：转录起始调整是关键点根本不一样点：原核生物：开启子在缺乏转录因子情况下就含有天然活性真核生物：强力开启子在缺乏调整蛋白情况下往往没有活性

39/75真核细胞基因及其调控区域受到染色质结构限制，转录活化与转录调控区域、转录区域内染色质结构很多改变相关；正性调整是主要形式。所以，在转录基本状态受到制约情况下，使得每个真核细胞基因需要活化才能被转录；真核细胞有更大、更为复杂、种类更多调整蛋白。单一开启子能够被分散在DNA分子上、数量近乎无限调整序列所控制。真核细胞对基因表示起始调控最少在下面几个方面与原核细胞存在不一样：40/75

一、转录起始调控发生在转录起始复合物组装过程①基因活化蛋白质与增强子或UASs结合；②通用转录因子在开启子处组装；③辅助激活子(coactivator)和/或中介子（medicator）在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与基因活化蛋白质之间辅助和中介作用。RNA聚合酶II与开启子结合、开启转录需要很多蛋白质因子协同作用。这通常包含：41/75基因活化蛋白质与增强子结合后，经过与全酶复合体中中介子相互反应，使全酶复合体在空间上更靠近开启子并有效组装。另外，多数全酶复合体中缺乏一些通用转录因子，如TFIID与TFIIA，它们需要在开启子处罚别组装，最终形成稳定转录起始复合物（transcriptioninitiationcomplex），开启转录。42/75TATA盒TFIIDRNA聚合酶II通用转录因子转录方向中介子活化蛋白活化蛋白增强子增强子DNATFIIA43/75基因活化蛋白与增强子结合后怎样影响到远距离RNA聚合酶结合位点，有以下几个模式：经过扭曲作用使DNA链发生构型改变，更适合于通用转录因子与RNA聚合酶结合,并经过直接接触或经过辅活化子/中介子而影响通用转录因子和RNA聚合酶组装。①扭曲（twisting）44/75沿DNA滑动，直到接触另一个特异DNA序列结合转录因子，发挥作用。利用DNA分子柔曲性弯曲成环，使增强子区域与RNA聚合酶结合位点靠近，直接接触或经过辅活化子/中介子而发挥作用。②滑动（sliding）③成环（looping）45/75固醇类激素、甲状腺激素、维甲酸类激素等激素与细胞核内特异性受体，即特异基因调整蛋白结合，形成激素-受体复合物结合到DNA特定基因调整序列——激素反应元件(hormoneresponseelements,HREs)，再经过与其它调整因子相互作用，活化或抑制相邻基因表示。46/75几个不一样激素反应元件受体共同结合序列*男性激素（Androgen）GG(A/T)ACAN2TGTTCT糖皮质激素(Glucocorticoid)GGTACAN3TGTTCT维甲酸(Retinoicacid)AGGTCAN5AGGTCA维生素D(VitaminD)AGGTCAN3AGGTCA甲状腺激素(Thyroidhormone)AGGTCAN3AGGTCA类维生素A（RetinoidX＋）AGGTCANAGGTCANAGGTCANAGGTCA47/75（一）mRNA5′端加帽和3′端加尾修饰利于mRNA稳定性和转运除组蛋白外，全部真核细胞mRNA都有5

端“帽”和3

端Poly(A)尾结构。5

端“帽”和3

端Poly(A)尾都有其特有作用。二、转录后调控包括修饰、剪接、

编辑、定向转运多个步骤48/755

加帽作用在于：①有利于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；④5

帽结合蛋白复合体参加mRNA和核糖体结合来起始翻译。③促进mRNA从细胞核运输到细胞浆；②帮助mRNA剪接。在剪接第一个外显子时，剪接体形成需要帽结合蛋白参加；49/75poly(A)尾可结合一个或各种特殊蛋白，防止mRNA被酶降解，并在翻译过程中含有主要作用。许多原核mRNA也含有Poly(A)尾，不过此尾功效是促进mRNA降解，而不是保护mRNA免于被降解。poly(A)尾作用：50/75（二）可变性剪接可使初始转录本产生不一样成熟mRNA许多初始转录本能够经过一个以上选择性剪接（alternativeRNAsplicing）方式，去除不一样内含子而被加工形成不一样mRNAs，因而形成不一样多肽。51/75人视黄醛还原酶mRNA选择性剪接mRNAPre-mRNA同种异型mRNA52/75初始转录本含有全部选择性加工路径所需要分子信号。一个细胞偏好何种选择性加工路径取决于加工因子——RNA结合蛋白特异性。负调整：抑制蛋白质能够经过与原始转录本结合来预防剪接复合体切除内含子序列。选择性剪接能够被正负调整分子调整：正调整：而不能正常剪接剪接复合体能够在活化蛋白帮助下发挥剪接功效。53/75（三）编辑加工可增加mRNA分子信息内涵一些mRNAs在翻译前被编辑(editing)。结果：转录后编辑过程插入了4个U残基，从而改变了转录本翻译读码框。机制：尚不清楚。研究人员已经发觉线粒体转录一类特殊RNA分子，其3

端有一段poly(U),其5

端序列与mRNAs被编辑区域互补，被称为引导RNA（guideRNA）。引导RNA可能作为编辑过程模板，并将其3

端U转移给被编辑mRNAs。54/75

（四）调解成熟mRNA核外输出也会影响基因表示现象：预计有1/5核内成熟mRNAs能进入细胞浆。留在核内mRNAs约在1小时内降解。mRNA经过核膜过程是一个主动运输过程，经常需要借助于核输出受体(nuclearexportreceptors)才可穿过9nm核孔通道。机制：调控RNA从核运输至细胞浆机制还不很清楚。55/75（五）一些mRNA定位于细胞质特殊区域现象：一些mRNA分子携带有信息，能够在翻译开始前自我导向定位于细胞内特定位置。作用：在细胞特定部位集中产生所需要大量蛋白质。56/75机制：导向信号存在于mRNA3

端非翻译区（3

untranslatedregion,3

UTR）。mRNA被连接在附着于细胞骨架上动力蛋白（motorproteins）上，利用其水解ATP所提供能量沿着骨架成份朝目标方向移动，最终在目标地被锚蛋白（anchorproteins）固定。mRNA在细胞浆中随机扩散并被不停地降解，只有碰上锚蛋白才能得到保护。mRNA经过在细胞浆中随机扩散，在其定位处被锚蛋白捕捉、固定。第二种情况第三种情况第一个情况57/75mRNA分子3种不一样定位过程58/75（六）经过改变mRNA分子稳定性调控基因表示意义：降解路径确保mRNA不在细胞中累积并防止合成过多蛋白质。不一样真核基因mRNA降解速率大不相同。暂时需要基因产物：半衰期可能仅为几分钟、甚至几秒钟。经常需要基因产物：其mRNA可在多代细胞中稳定存在。59/75真核细胞mRNA降解有两种路径，是由每种mRNA分子序列所决定。Poly(A)逐步短缩：最常见路径mRNA分子一旦进入细胞浆中，核酸外切酶会使Poly(A)末端逐步短缩，当剩下约30个A时，5

端发生脱帽，mRNA分子被快速降解。一些mRNA分子3

UTR特殊序列有利于特殊蛋白质结合，增加或降低Poly(A)短缩速度。60/75可将Poly(A)直接从mRNA分子上切除。这种切除也有赖于mRNA分子3

UTR特殊序列能够被内切酶识别。另一个路径始于特殊内切酶作用转铁蛋白受体(transferrinreceptor,TfR)mRNA分子3

UTR柄环（stem-loop）结构——铁反应元件(iron-responseelement，IRE)。比如：61/75IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性调整低铁状态转铁蛋白受体mRNA5’编码区活化IRE-BP3’Poly(A)n翻译TfR蛋白IRE高铁状态转铁蛋白受体mRNA5’编码区铁失活IRE-BP3’Poly(A)nmRNA降解IRE62/75（七）mRNA分子细胞质中添加Poly(A)

控制蛋白翻译在一些情况下，特殊Poly(A)尾端能够在细胞浆得以延伸。例：正在成熟中卵母细胞与卵细胞一些存在于细胞浆mRNA分子3′末端只有10~30个腺苷酸（A），它们并不翻译。在卵母细胞成熟和受精后一个特定时段，当需要这些mRNA所编码蛋白质时，Poly(A)被添加到这些选定mRNA分子，大大促进它们翻译开始。63/75（八）无义改变介导mRNA降解是真核mRNA监视系统无义改变介导mRNA降解

(Nonsense-mediatedmRNAdecay,NMD）当在同一阅读框架内翻译终止密码子UAA、UAG或UGA提前出现在最终两个外显子交界处上游约50nt处时，mRNA被快速降解。这些错位终止密码子被称为成熟前终止密码子（prematureterminationcodons,PTC），能够来自突变、重组、不完全或不正确剪接。64/75无义改变介导mRNA降解65/75意义：能够使一些异常mRNA在被有效地翻译成蛋白质前得到去除，这个mRNA监视系统能够预防非正常截短蛋白质合成。NMD在进化过程中发挥了主要作用，使真核细胞更轻易探究因为DNA重排、突变或不一样剪接方式所形成新基因。免疫系统细胞发育过程中也很主要，重排基因产生这类mRNA被NMD系统快速降解，防止了截短蛋白质细胞毒作用。66/75（九）RNA干涉是一个基因转录后缄默机制RNA干涉在高等真核生物中发觉有一类小RNAs(smallRNAs)介导特殊基因缄默。这是因为这类小RNAs与mRNAs（经常是3

UTR）相互作用，造成mRNA降解或者翻译抑制，使mRNA及其对应基因无法表示而缄默（silence）。控制最少一些生物体适时发育。它也是一个保护生物体免受RNA病毒侵袭和控制转座子活性机制。意义：67/75700bp左右RNA前体