分子生物学-基因表达调控课件

1基因表达的调控RegulationofGeneExpression2内容基因表达的特点及调控的意义真核基因的表达调控

转录前调控：基因丢失、基因扩增、基因重排、基因修饰、组蛋白修饰

转录水平的调控：

转录后调控

：

hnRNA的选择性加工运输、mRNA前体的选择性剪接、RNA编辑、RNAi

翻译水平的调控：翻译因子的磷酸化、mRNA稳定性

翻译后调控：蛋白质修饰3复习思考题什么是基因表达?试述基因表达的特点及其调控对生物体的重要性。2.真核生物中，基因的表达受不同水平的调控，请列举其中三种。3.为什么说转录起始的调控是基因表达调控的中心环节?4.举例说明DNA甲基化与肿瘤的关系。4基因表达(geneexpression)

从DNA到蛋白质的过程。对这个过程的调节即为基因表达调控(regulationofgeneexpressionorgenecontrol)。5基因表达(geneexpression)6基因表达的特点

组织特异性（tissuespecificity）7基因表达的特点

组织特异性（tissuespecificity）阶段特异性（stagespecificity）8人类珠蛋白基因表达的阶段特异性9基因表达的特点

组织特异性（tissuespecificity）阶段特异性（stagespecificity）与环境相适应

10

综上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的。尽管现在我们对调控机理的奥妙所知还不多，但已经可以认识到，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。11基因表达调控的生物学意义(一)适应环境、维持生长和增殖(二)维持个体发育与分化12基因表达调控的指挥系统

基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物：营养状况、环境因素真核生物：激素水平、发育阶段1314

跟据其性质，真核生物基因表达调控可分为两大类：瞬时调控（或可逆调控）发育调节（或不可逆调控）

跟据基因调控发生的先后次序，又可将其分为：转录前调控转录调控转录后调控翻译调控翻译后调控15

基因表达的调控是多级调控系统（如图）16一、转录前调控

基因丢失（原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物）基因扩增（geneamplification）基因重排（generearrangement）

DNA的甲基化（DNAmethylation）组蛋白修饰（Histonemodification）17基因扩增（geneamplification）

是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。

例如，非洲爪蟾的卵母细胞，rRNA基因，约500个拷贝卵裂期和胚胎期，rRNA基因，约200万拷贝数18基因重排（generearrangement）

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。19DNA甲基化（DNAMethylation

）

DNA甲基化是最早发现的基因表观修饰方式之一,存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切相关。大量研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因的活性。20

甲基化转移酶（DNMTs）催化CpG二核苷酸的胞嘧啶转变为5’甲基胞嘧啶。DNA甲基化（DNAMethylation

）21DNAMethylationReactionCNNHNCOCHCH+CNNHNCOCCHCH3+NNNH2NNHOHOCH2SCH2CH2CH(NH2)+COOHS-Adenosylhomocystein(SAH)NNNH2NNHOHOCH2SCH2CH2CH(NH2)+CH3COOHS-Adenosylmethionine(SAM)DNAmethyltransferase(DNMT)5-甲基胞嘧啶(5-mC)22

在基因组的某些区域中，CpG序列密度很高，可以达均值的5倍以上，成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区，形成所谓的CpG岛。哺乳类基因组中约存在4万个CGislands，大多位于基因的启动子区或是第一个外显子区。

CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3MaintenanceDNAmethyltransferaseDNAreplicationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DenovomethyltransferaseDemethylaseCH3CH(DNMT3a,3b)(DNMT1)DNAmethylationreactions

从头合成甲基转移酶日常型24

DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

证据举例：转基因实验中，被转化基因在进入细胞前如已甲基化则不能表达；甲基化阻断药物5-氮胞苷对基因表达有诱导作用;

DNAMethylationandGeneExpression25GoodmanJ.I.WatsonR.E.Ann.Rev.Pharmacol.Toxicol.42:501-25,200226

DNA的甲基化修饰通过改变基因的表达，参与了细胞的生长、发育过程及X染色体失活等的调控。在细胞正常发育基因表达模式以及基因组稳定性中起着至关重要的作用。

TheKnock-outofanyofthemethyltransferasegenesislethalduringdevelopment(Dnmt1or3B)orshortlythereafter(3A;about4weeksofage).

MutationsinDnmt3BcauseICFsyndrome(Imunodeficiency,Centromericinstability(着丝粒不稳定),Facialanomalies（面部异常）).27

甲基化模式的混乱与异常发育和癌症有关.

DNA甲基化模式是动态的。例如在早期发育阶段（受精后发育），全基因组范围内是低甲基化状态，随着发育，发生区域性的甲基化，建立起甲基化模式。28

肿瘤的甲基化状态改变包括基因组整体甲基化水平降低、正常非甲基化CpG岛的高甲基化和维持甲基化模式酶的调节失控。从而导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)和抑癌基因的不表达。29HistoneModifications

组蛋白修饰Differentcombinationsofhistonemodifications,especiallylocatednearorwithinagene’spromoter,maybeVERYSPECIFICtothetranscriptionalstateofthegenePetersonCLetal,CurrentBiology,2004HistoneModifications31

EnzymesprovidinghistonemodificationsAcetylation:HATs-CBP,p300,GCN5,ATF2,Tip60…Deacethylation:HDACs-classIandIIMethyaltion:Lysine:SET-domainHMTaseandnon-SETdomainHMTase(Dot1)Arginine:PRMTfamily,CARM1Demethylation:LSD1Ubiquitination:ubiquitinconjugaseRad6/ligaseBre1forH2BDe-Ubiquitination:SAGA-associatedUbp103233ChromatinmodificationswithimpactongeneexpressionK9histoneH3andK8histoneH4acetylationSer10H3phosphorylation34ChromatinmodificationswithimpactongeneexpressionK4H3methylationK9H3methylation35二、转录水平的调控36

基因调控主要发生在转录阶段，尤其是转录起始阶段。因为这是表达的初始阶段，可以避免那些不需要的转录所造成的资源浪费。转录调控是通过各种调控元件相互作用来实现的，调控元件主要包括顺式作用元件和反式作用因子。37顺式作用元件（cis-actingelement）与受调控基因处在同一染色体（DNA分子）上的DNA序列，能调控该基因的表达。通常不编码蛋白质，位于基因的侧翼序列或内含子中。

包括：启动子（promoter）增强子（enhancer）沉默子（silencer）绝缘子（insulator）应答元件（responseelement）

3839SV40增强子核心序列是5’-GGTGTGGAAAG-3’，可以单拷贝或多拷贝串联的形式存在（如图）。

SV40基因表达调控区结构示意图40反式作用因子（trans-actingfactor）

能与顺式作用元件结合的，调控基因表达的蛋白质或RNA（tRNA、rRNA等）。编码反式作用因子的基因与被调控的基因多半不在同一条染色体上。又称转录激活蛋白（transcriptionactivator）、DNA结合蛋白（DNAbindingprotein）或转录因子（transcriptionfactor，TF）。41Thereareseveralclassesoftranscriptionfactors,including:

Leucinezippers

（亮氨酸拉链）

Zincfingers（锌指）

Helix-turn-helixtranscriptionfactors（螺旋-转角-螺旋）42helix-turn-helix43

顺式作用元件与反式作用因子间相互作用，调控基因转录。两种作用方式：转录因子与DNA结合，调控基因转录；蛋白质-蛋白质间作用与DNA序列联系影响转录效率。44三、转录后调控hnRNA的选择性加工运输mRNA前体的选择性剪接RNA编辑RNAi45hnRNA的选择性加工运输指细胞可以在不同情况下有选择地将不同的hnRNA加工成mRNA，并把它们运输进入细胞质。例海胆

目前对hnRNA选择性加工运输的机制了解得很少。46三、转录后调控hnRNA的选择性加工运输mRNA前体的选择性剪接RNA编辑RNAi47

ManygenesinhighereukaryotesencodeRNAsthatcanbesplicedinalternativewaystogeneratetwoormoredifferentmRNAsand,thus,differentproteinproducts.Singlegenescanproducemultipleproductsbyalternativesplicing

。mRNA前体的选择性剪接(alternativesplicingofmRNA)48Anexampleofconstitutivealternativesplicing:

SplicingoftheSV40TantigenRNA49Therearefivedifferentwaystoalternativelyspliceapre-mRNA50DrosophilaDSCAMgenecanbesplicedin38,000alternativeways51Theoutcomeofalternativesplicing1.Producingmultipleproteinproducts,calledisoforms.2.Switchingonandofftheexpressionofagivengene.Inthiscase,onefunctionalproteinisproducedbyasplicingpattern,andthenon-functionalproteinsareresultedfromothersplicingpatterns.52三、转录后调控hnRNA的选择性加工运输mRNA前体的选择性剪接RNA编辑RNAi53RNA编辑（RNAediting）

我们把在RNA翻译为蛋白质之前，通过特殊的机制增减其碱基的数目或对已有的碱基进行修饰或替换叫做RNA编辑。RNA编辑的意义：１）对分子生物学中心法则理论作出的重要补充；２）自然界产生功能多样性的手段之一。54RNAeditingisanotherwayofchangingthesequenceofanmRNA.Sitespecific

deamination

1)

C→UAspecificallytargeted

C

residuewithinmRNAisconvertedinto

Ubythedeaminase.Theprocessoccursonlyincertaintissuesorcelltypesandinaregulatedmanner.5556ThehumanapolipoproteingeneStopcodeInliverInintestines57Bass,B.Annu.Rev.Biochem.

71,817-846(2002)ADARs(adenosinedeaminaseactingonRNA)convertadenosinestoinosinesbyhydrolyticdeamination2)A→I

582)A→IInsinecanbase-pairwithC,andthischangecanalterthesequenceoftheprotein.AnionchannelexpressedinmammalianbrainsisthetargetofAdenosinedeamination.59InosineistranslatedasaguanosineAtoIconversioncanchangeacodon

Q R(CAA CIA) N S N D D G S G Y C E G R G T A K E K R K G stop WAtoIconversioncanchangea3’splicesite

5’/GU-AG/3’to5’/GU-IG/3’ 5’/AU-AG/3’to5’/IU-AG/3’AtoIconversioncanchangeRNAstructure

A-UbasepairstoI-Umismatches

60A至IRNA编辑(A-to-IRNAediting)的特点：对内源性底物具有高度的位点选择性，只有位于特殊双链结构中特殊位点的A才接受编辑。举例：离子通道型谷氨酸受体AMPA亚型（AMPAR）的A至IRNA编辑。61AMPAR的编辑位点：

GluR-2的第二跨膜区（M2）第586位谷氨酸（Q）密码子（CAG）转变为精氨酸（R）密码子（CIG）。

AsinglesiteinGluR-2mRNAisA-to-Iedited100%。62该位点编辑的主要作用有：⑴决定AMAP受体的Ca2+通透性和电导特性，GluR-2（Q）对Ca2+通透，而GluR-2（R）对Ca2+不通透；⑵控制GluR-2向细胞膜转移以聚合形成AMPARs；⑶与受体的表达密切相关，这一位点的编辑丧失时，神经细胞膜GluR-2的表达迅速增加。

MutationsinGluR-2thatmakethesiteuneditableresultinearlyonsetepilepsyandprematuredeath(i.e.editingisessential)63II

GuideRNA-directeduridineinsertionordeletion.ThisformofRNAeditingisfoundinthemitochondriaoftrypanosomes(锥体虫).MultipleUsareinsertedintospecificregionofmRNAsaftertranscription(orUSmaybedeleted).64TheadditionofUstothemessagechangescodonsandreadingframes,completelyalteringthe“meaning”ofthemessage.Usareinsertedintothe

messageby

guideRNAs(gRNAs).65

Havingthreeregions:

anchor（5’）–directingthegRNAstotheregionofmRNAsitwilledit.

editingregion–determiningwheretheUswillbeinserted

poly-Ustretch

（3’）gRNAs6667RNA编辑与疾病在精神分裂症患者的前叶皮质，非编辑状态的5－HT2CR表达增多，可能由于RNA编辑酶的活性降低所致。非编辑状态的5－HT2CR与G蛋白的偶联效率高于编辑状态，导致5－HT2CR介导的效应增强，可能与精神分裂症的发病或症状有关。

68RNA编辑与疾病

2002年初，麻省理工学院的研究人员（StefanMaas,AlexanderRich等）发现，在人多形性神经胶质细胞瘤（GBM）组织中存在大量未经编辑的RNA，同时ADAR2的表达与活性都大大降低，这是人类首次发现RNA编辑与肿瘤相关。

69

华盛顿大学医学院的NicholasO.Davidson博士带领他的研究小组发现在该研究检查的多发性神经纤维瘤(neurofibromatosis,NF)中，有将近25％发生RNA编辑（C->U编辑），发生变化的细胞似乎趋向于发展成肿瘤，且相当一部分是恶性肿瘤。另外Davidson和他的同事在多发性神经纤维瘤病人的神经鞘肿瘤样品中发现