【教学】第七章 真核生物基因的表达调控

基因的表达调控GeneRegulationPartII:Eukaryotes整理课件第七章真核生物基因的表达调控（GeneRegulationinEukaryotes）整理课件主要内容第一节真核生物基因表达调控概述第二节DNA水平的表达调控第三节转录水平的表达调控第四节其他水平上的表达调控整理课件第一节真核生物基因表达调控概述（IntroductionofGeneRegulationinEukaryotes）整理课件一、调控的细胞学基础

原核生物一般为自由生活的单细胞有机体。直接暴露在变化莫测的环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件的变化而改变其代谢途径，才能维持自身的生存和繁衍。因而，营养条件和环境因素是其基因表达调控的主要信号。真核生物主要由多细胞组成。食物来源和代谢途径相对比较稳定。但是由于它们多为多细胞有机体，在个体发育中出现细胞分化，而不同类型的细胞在质和量上对蛋白质的需求是不同的。因而，激素水平和发育阶段是其基因表达调控的主要信号。原核生物真核生物整理课件真核生物和原核生物细胞结构的不同，导致其基本生活方式完全不同，所以在基因表达调控上各具特点。

对于原核生物而言，既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领，也不能象动物一样主动获取食物。因此，调控是为了适应环境，获取营养，达到生存最优化。调控特点体现一个“快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。-------适应环境获取营养、解决“温饱”问题整理课件

真核基因表达调控的最显著特征是程序调控、按“既定方针办”。在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”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件范围内保持正常生理功能，期间仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能。------“处世不惊”整理课件二、真核生物基因表达调控的种类1、根据基因表达调控的性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称为可逆调控，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，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。整理课件2、根据基因表达调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平的调控

GeneRegulationatDNAlevel转录水平的调控

TranscriptionalRegulation转录后水平的调控

PosttranscriptionalRegulation翻译水平的调控

TranslationalRegulation蛋白质加工水平的调控

ProteinmaturationandProcessing整理课件第二节DNA水平的基因表达调控（GeneRegulationatDNAlevel）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整理课件一、基因丢失（Geneloss）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。例如：在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。

整理课件二、基因扩增（Geneamplification）

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。例如：非洲爪蟾的卵母细胞中原有rDNA约500个拷贝，在减数分裂Ⅰ的粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。整理课件三、基因重排（genere-arrangement）

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。整理课件免疫球蛋白由B-淋巴细胞合成，其肽链主要由可变区（V区）、恒定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成。整理课件人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数量比较所有Ig分子都含有两类轻链中的一类，即κ型或λ型。整理课件V、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。整理课件四、DNA的甲基化与基因活性调控DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，存在于所有高等生物中。DNA甲基化能关闭某些基因的活性，而去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。

DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。整理课件1．DNA甲基化的主要形式DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。整理课件真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。其中，CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，因而被称为CpG岛（CpGisland）。它们大多位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60~90%的CpG被甲基化，。整理课件2、真核生物甲基化酶的分类真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：日常型（maintenance）甲基转移酶：在甲基化母链指导下可使半甲基化的DNA甲基化。例如:DNA复制之后新链的甲基化。从头合成（denovosynthesis）甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG，不需要母链指导，但速度很慢。整理课件日常型甲基转移酶引起的半甲基化DNA的甲基化整理课件3、甲基化抑制基因转录的机制DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，使染色质高度螺旋化,凝缩成团,直接影响了转录因子与启动子区DNA的结合效率。DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，从而降低转录活性。甲基化的CpG可以通过与甲基化CpG结合蛋白1（MethylCpG-bindingprotein1,MeCP1）的结合间接影响转录因子与DNA的结合。整理课件甲基化对基因转录的影响整理课件4、DNA甲基化程度与转录启动子的关系对弱启动子来说，少量甲基化就能使其完全失去转录活性。当这类启动子被增强时，即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。甲基化密度较高时，即使增强后的启动子仍无转录活性。

甲基化对转录的抑制强度与甲基化CpG结合蛋白因子MeCP1结合DNA的能力成正相关，甲基化的密度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性。整理课件甲基化对基因转录影响模式图整理课件5、DNA甲基化对基因表达的其他影响DNA甲基化通过对基因转录的抑制，可直接参与细胞分化和个体发育。随着细胞的分化和个体发育，当需要某些基因保持“沉默”时，它们将迅速被甲基化，若需要恢复转录活性，则去甲基化。DNA去甲基化有两种方式:被动途径:一种核因子可以粘附于上DNA,使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化,从而阻断甲基化酶的作用。主动途径:是由去甲基酶的作用,将DNA的甲基基团移去。整理课件五、染色质结构与基因表达调控1、染色质结构对基因转录的影响在细胞分裂间期的染色质的形态不均匀，根据其形态及染色特点可分为2类：常染色质：呈疏松的环状，电镜下表现为浅染；

异染色质：呈现凝缩状态，电镜下表现为深染。整理课件

转录发生时，染色质需要在特定的区域解旋或松弛，导致基因暴露，转录因子与启动子区DNA结合，起始基因转录。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。整理课件2、组蛋白和核小体对基因转录的影响组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够恢复转录;核小体结构影响基因转录，转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。整理课件第三节转录水平的基因表达调控（TranscriptionalRegulation）整理课件真核基因表达调控主要也是在转录水平上进行的，受大量特定的顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor）的调控。真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。引言整理课件一、真核生物的顺式作用元件定义：指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。例如：启动子、增强子、沉默子等整理课件1、启动子定义：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。核心启动子和上游启动子元件（Ⅱ类）整理课件2、增强子（Enhancer）定义：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA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：①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；整理课件③大多为重复序列，一般长约50bp，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；⑤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。整理课件增强子的作用原理是什么呢？增强子可能有如下3种作用机制：①影响模板附近的DNA双螺旋结构，导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接，活化基因转录；整理课件②将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在核基质上，有利于DNA拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力，促进RNA聚合酶在DNA链上的结合和滑动；③增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶进入染色质结构的“入口”。整理课件3、沉默子（Silencer）为负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。最早在酵母中发现，可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用。整理课件4、应答元件（ResponseElement）能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列称为应答元件（ResponseElement）。含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝；与转录起点距离不固定，一般位于上游元件或增强子内；热激应答元件（heatshockresponseelement，HSE）糖皮质应答元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）金属应答元件（metalresponseelement，MRE)常见的应答元件有：整理课件二、真核生物的反式作用因子反式作用因子是参与转录调控的蛋白因子，能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元件上，与顺式作用元件一起对转录起调控作用。通过蛋白质-DNA，蛋白质-蛋白质相互作用是其发挥功能的基础。整理课件1、反式作用因子的分类（1）通用反式作用因子：在一般细胞中普遍存在，主要识别启动子的核心成分。如识别TATA框的TBP；识别GC框的SP1；识别八聚体核苷酸的Oct-1等；（2）特异反式作用因子：存在于特殊组织与细胞中的反式作用因子。如：淋巴细胞中的Oct-2；（3）诱导型因子：与应答元件相结合的反式作用因子。如：与激素应答元件GRE结合的糖皮质激素；与热激应答元件特异性结合的热激因子（HSF）等。整理课件2、反式作用因子中的功能结构域3个主要的功能结构域：（1）DNA识别结合域（DNA-bindingdomain）与顺式作用元件结合的结构区域，主要起与DNA结合的作用。（2）转录活化结构域(transcriptionalactivationdomain）

与其他蛋白因子结合，参与募集启动子结合蛋白和转录起始复合体，控制基因转录活化的结构区域。（3）联结区域（connector）整理课件

反式作用因子的“DNA结合域”和“活化结构域”是独立发挥作用的。DNA结合域的功能是把活化结构域“拴在”起始复合体附近，使之能够发挥活化转录的作用。DNA结合域和活化结构域之间的“联结区域”是具有足够柔性的，这样无论DNA结合域所结合的具体位点在哪里，都能使活化结构域找到其靶蛋白。整理课件整理课件3、反式作用因子中的DNA识别结合域反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。螺旋-转角-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）锌指（Zincfinger）结构碱性-亮氨酸拉链（basic-Leucinezippers）碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix-loop-helix）整理课件螺旋-转角-螺旋(H-T-H)结构该结构域主要包含两个或以上α-螺旋区和螺旋区中间的转折区。主要通过一个靠C端的α-螺旋与DNA双螺旋大沟结合。整理课件锌指（Zincfinger）结构是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构。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与2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。整理课件Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指甾体激素受体SP1，TFⅢA整理课件具有Cys2/Cys2锌指区的转录因子整理课件典型的类固醇激素受体结构示意图整理课件一些具有Cys2/His2锌指区的转录因子和蛋白质整理课件转录因子SP1（GC盒）、连续的3个锌指重复结构。整理课件TFIIIA结构域示意图整理课件碱性-亮氨酸拉链α-螺旋结构上每6个氨基酸就有1个亮氨酸残基，这些亮氨酸出现在-螺旋的一个方向，每两个蛋白组成一个二聚体，使亮氨酸相对排列，形成拉链样结构；在拉链区的氨基端有约30个氨基酸残基的碱性区(富含赖氨酸和精氨酸)。此区的作用是与DNA结合，它也形成-螺旋。整理课件不同转录因子的亮氨酸拉链结构氨基酸组成图整理课件碱性-螺旋-环-螺旋（bHLH）蛋白质的C端的氨基酸残基形成两个α-螺旋，中间被非螺旋的环状结构隔开，蛋白质的N端是碱性区，为DNA结合区。碱性-螺旋-环-螺旋类蛋白通常也是组成二聚体的形式，这才具有结合DNA的能力。整理课件二聚体bHLH蛋白与DNA结合模式图整理课件4、常见的转录活化结构域酸性α-螺旋结构域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺结构域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）一般是DNA结合结构域以外的30-100氨基酸残基组成，主要包括以下几种特征性结构：整理课件（1）酸性α-螺旋(acidicα-helix)/带负电荷的螺旋结构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α-螺旋。包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4和糖皮质激素受体等。（2）谷氨酰胺丰富区（glutamine-richdomain）SP1是启动子GC盒的结合蛋白，共有4个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域含25%左右的谷氨酰胺。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有这种结构域。（3）脯氨酸丰富区（proline-richdomain）CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端与其转录激活功能有关，含有20-30%的脯氨酸残基，其它如Oct2、哺乳动物转录因子中也富含这种结构。整理课件几种常见的转录活化结构域整理课件三、真核基因转录调控的模式细胞是生命活动的基本单位。细胞通过DNA的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传信息由亲代传至子代，实现增殖繁衍。同时，它们还不断地“感知”环境变化，并对环境变化作出特定的应答。整理课件

细胞应答可以分为3个阶段：感知外界信息（信息由细胞膜至核内）

染色质结构的改变，相应转录因子的活化

特定基因的表达过程问题1：信号是如何顺利通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内，从而影响基因表达的特定区域？整理课件目前认为，细胞表面受体与配体分子的高亲和力特异性结合，能诱导受体蛋白构象变化，使细胞胞外信号顺利通过质膜进入细胞内。受体（Receptor）：是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分。它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。能与受体呈专一性结合的生物活性分子则称为配体。配体（Ligand）：整理课件真核细胞主要跨膜信号传导途径整理课件细胞表面的三类受体示意图整理课件胞外信号通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内后，反式作用因子被活化而特异性的结合到特定DNA序列（顺式作用元件）上。同时，通过自身具有的转录活化结构域活化其他相关因子，从而发挥转录调控作用。问题2：反式作用因子是如何被活化呢？整理课件真核生物反式作用因子活性调节的主要方式整理课件1、蛋白质磷酸化介导的信号传导及基因转录的调控2、蛋白质乙酰化对基因转录的影响3、激素对基因转录的影响4、热激蛋白对基因表达的影响5、金属硫蛋白基因的多重调控转录调控实例：整理课件第四节其他水平上的调控（GeneRegulationontheotherlevels）整理课件在真核生物基因表达的调控中，DNA水平和转录水平上的调控占有十分重要的地位，但其他水平上的调控也不能忽视。这些调控包括：RNA的加工成熟、翻译水平的调控以及翻译后水平的调节等多个环节的调控。引言整理课件一、转录后加工的多样性真核生物的基因可以按其转录后的加工方式分为两大类：简单转录单位和复杂转录单位。1、简单转录单位：这类基因只编码产生一个多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。整理课件第一种简单转录单位：基因没有内含子，mRNA3´末端没有ploy(A)，基本不存在转录后加工问题。如：组蛋白基因。第二种简单转录单位：基因没有内含子，mRNA不需要剪接，但需要加ploy(A)。如：α-干扰素和许多酵母蛋白质基因。第三种简单转录单位：这类基因都有内含子，也需要加ploy(A)，但加工剪接后只产生一种有功能的mRNA，所以仍然是简单转录单位。如：大多数核基因。简单转录单位又可以分为3个亚类：整理课件简单转录单位转录后加工的3种主要形式整理课件组成型剪接:一个基因的mRNA前体按一种方式剪接，产生一种mRNA，翻译成一种蛋白质。整理课件2、复杂转录单位：其原始转录产物能通过多种不同方式，加工成两种或两种以上的mRNA。主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质/多肽的基因。整理课件（1）利用多个5´端转录起始位点产生不同的蛋白质整理课件（2）选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质可变剪接（选择性剪接，alternativesplicing）：有些基因的mRNA前体，按不同方式剪接，产生两种以上mRNA，翻译产生多种蛋白质。其实质是5´供体与3´受体剪接点的选择搭配问题。整理课件大鼠肌钙蛋白（Torponin）基因在不同的发育阶段以及在不同横纺肌种类中，由于不同的选择性剪接产生不同的肌钙蛋白。整理课件（3）既利用多个5´端转录起始位点，又选用不同的剪接位点，产生不同的蛋白质。整理课件（4）利用多个ploy(A)位点和不同的剪接位点，产生不同的蛋质。整理课件（5）无剪接，有多个转录起始位点和/或加poly(A)位点的基因。例如：二氢叶酸还原酶基因和酵母乙醇脱氢酶基因都具有不同的5´端和ploy(A)位点。大鼠α-2μ-珠蛋白基因、鸡波形蛋白基因和人N-ras基因均含有多个ploy(A)位点，而鸡溶菌酶基因和酵母蔗糖酶基因则拥有多个5´端。整理课件二、翻译水平的调控1、mRNA运输控制2、mRNA稳定性的调控3、mRNA结构4、翻译的起始调节5、选择性翻译6、翻译的自我调节整理课件1、mRNA运输控制一般来说，合成的mRNA只有大约1/12能被转运出核进入细胞质，50％左右的在核内降解，还有一些留在核内。换句话说，真核生物可以对从细胞核转运到细胞质中的转录产物数量进行调节，这种调节方式被称为运输控制（TransportControl）。整理课件2、mRNA的稳定性与基因表达调控真核生物能否长时间、及时利用成熟的mRNA分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是与mRNA的稳定性密切相关的。高等真核生物细胞质中所有的RNA都要受到降解控制（DegradationControl），不同mRNA降解效率不同。mRNA的选择性降解主要由于核酸酶和mRNA内部结构相互作用的结果。有时，加入调节物可以增加mRNA稳定性。整理课件不加入催乳素时，体系中的酪蛋白mRNA在1-2小时内降解50%；而加入催乳素40小时后，酪蛋白mRNA才降解50%。例子1：催乳素延缓酪蛋白（casein）mRNA的降解整理课件例子2：人铁蛋白及转运铁蛋白受体mRNA翻译调控转铁蛋白受体（TfR）和铁蛋白分别负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在铁应答元件（Ironresponseelement,IRE）。IRE与IRE结合蛋白（IRE-BP）相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。整理课件当细胞缺铁时，IRE-BP与IRE具有高亲和力。IRE-BP与铁蛋白mRNA的5´非翻译区中的IRE结合，有效地阻止铁蛋白mRNA的翻译。与此同时，转铁蛋白受体mRNA上3´非翻译区中的IRE也与IREBP特异结合，有效地阻止转铁蛋白受体mRNA的降解，促进转铁蛋白受体蛋白的合成。细胞高铁时细胞缺铁时铁吸收铁解毒整理课件3、mRNA的结构（1）mRNA的5´非编码序列对翻译水平的影响5´帽结构是否存在和易于接近eIF-4F的程度对翻译效率有着明显的影响。起始密码子AUG的位置和其侧翼的序列对翻译的效率也有影响。

5´端非翻译区的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性，当此区长度在17-80nt之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。在5´UTR中存在碱基配对