真核基因表达调控.ppt

1、第12章真核生物基因表达调控，1 .真核生物基因表达调控的特点，1 .真核生物基因组结构的特点，(1)结构庞大，(2)单顺逆子、单顺逆子即一个编码基因转录生成一个mRNA分子(3)重复配位与染色体水平的变化有关，2 .真核基因表达调控的特点，(1)染色质结构对基因表达的调控作用，(2) DNA拓扑结构变化天然双链DNA几乎在负超基因活化时，转录区前方的DNA拓扑结构呈正性超螺旋，RNA波(3) DNA甲基化甲基化影响DNA与蛋白质的相互作用。 (4)染色体结构改变组蛋白被修饰，碱暴露等原因引起核小体结构的改变，增加核小体的不稳定性。 2)rna聚合酶调节mRNA转录的真核生物有RNA pol、

2、3种RNA聚合酶。 各RNA聚合酶约由10个亚基组成，其中TATA盒结合蛋白(TBP )由3种酶共享。 RNA pol在催化剂mRNA的生成中发挥主要作用。 转录前RNA pol与TBP、TFD等各种通用转录因子形成转录前复合体(PIC )，必须激活或抑制RNA的转录。 3 )正性调节主导的真核基因一般处于抑制状态，RNA聚合酶对启动子亲和力低。 利用各种转录因子积极激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。 采用正性调节机制更为有效、经济、特异的负性调节不经济4 )转录和翻译过程分别进行转录和翻译过程存在于不同的亚细胞部位(细胞核和细胞质)，可以分别进行调控。 5 )真核基因的表达调控可以在

3、特定的时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现预期、有序、不可逆的分化、发育过程，并使生物组织和器官在一定的环境条件下维持正常的功能。 二、真核生物基因表达调控的不同水平、真核生物与原核生物的调控差异、细胞分裂期细胞核染色质形态不均匀。 根据其形态和染色的特征，可分为常染色质和异染色质2种。 常染色质：折叠稀疏，凝结程度低，呈伸展状态，碱性染料染色时着色浅。 异染色质：折叠压缩程度高，处于凝聚状态，用碱性染料染色着色深。 1 )结构不同的染色质：各种细胞在整个细胞周期处于凝集状态，多位于着丝粒区、端粒区等含高度重复序列的DNA中。 2 )兼性异染色质：仅在一定的发育阶段或生理条件下常染色质凝

4、聚的物质。 真核基因的活跃转录在常染色质上进行，1 .异染色质化对基因活性的影响，3 .染色体水平的调控，异染色质(核内深染部分)和常染色质(核内浅染部分)，电镜观察细胞分裂期的染色质状况，异染色质的紧密压缩堆积，将控制蛋白和转录因子转录到DNA 由此可见，密集的染色质结构阻止了基因表达。 1 )染色体结构复杂，由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。 核小体是染色质的基本单位。组蛋白对基因活性的影响，染色质结构，组蛋白是碱性蛋白，可能与带正电荷、DNA链带负电荷的磷酸基结合，屏蔽DNA分子，阻碍转录，发挥非特异性抑制蛋白的作用。 进行活跃基因转录的色素段可以降低富赖氨酸组蛋白(H1组蛋白)水

5、平，增加H2A、H2B组蛋白二聚体的不稳定性，组蛋白乙酰化和泛素化，H3组蛋白这些都在早期体外实验中观察到组蛋白与DNA结合可以阻止DNA上的基因转录，去除组蛋白基因进行转录。 转录活跃的区域也常常缺乏核小体结构核小体的结构消除和改变，使DNA结构从右向左变化，导致结构基因暴露，促进转录因子与起始区的结合，诱发转录。 这些表明核小体结构会影响基因转录。 染色体重建实验发现组蛋白H1比核组蛋白(H2A H2B H3 H4)转录抑制作用强。 染色质中的非组蛋白组分具有组织细胞特异性，可以消除组蛋白的阻碍，发挥特异的脱阻转录促进作用。 (1)组蛋白对基因活性的影响；(1)染色质重建(chromati

6、n remodeling )，启动子区域中，由于组蛋白结合，染色质处于非活性状态，只要解除对转录模板的限制，基因就开始表达， 染色质在染色质中的转录相关结构变化称为染色质重塑涉及许多蛋白复合物，它们可以与核小体相互作用，影响核小体的结构，改变核小体和DNA的结合位置。 染色质重建复合体中的多种蛋白质对基因的转录起始非常重要，它们可以与转录调控因子相互作用，也可以与转录因子一起作用。 例如： SWI/SNF复合体。 酵母交换型转化/蔗糖不发酵复合物(yeast mating-type switching/sucrose non-fermenting，SWI/SNF复合物)首次用酵母鉴定，用酵母、

7、果蝇、哺乳动物鉴定的SWI/SNF复合物分子量为2103 含有多个亚基的DNA依赖性ATP酶，可利用ATP水解的能量调动核小体，重构染色质，调节靶基因转录。 SWI/SNF复合物与基因激活和细胞增殖的多个调控因子密切相关，这些调控因子分别是糖皮质激素激素受体、雌激素受体和Rb，C-myc原癌基因和HpvE1蛋白与SWI/SNF复合物相互作用，该复合物参与细胞生长调控、the swi/snfcomplexinsaccharomycescerevisiae，越来越多的研究证实了swi/snf复合物在肿瘤发生中的作用，其中一些亚基具有内在的抑瘤活性。 染色质重建复合物在肿瘤的发生、发育、核受体介导的

8、激素应答、DNA复制、修复及重组等方面发挥着重要作用。 染色质修饰复合体类型：依存于ATP的染色质修饰复合体(ATP-dependentchromatinremodelingcomplex )利用水解ATP得到的能量， 改变组蛋白和DNA之间的相互作用共有修饰组蛋白的组蛋白修饰酶复合体(Histone-modifying complex )共有修饰组蛋白的尾部，包括赖氨酸的乙酰化、赖氨酸和精氨酸的甲基化、丝氨酸和苏氨酸的磷酸化、赖氨酸的泛素化等破坏核小体间及组蛋白尾部与基因组DNA之间的相互作用，引起染色质的重塑，重塑因子调节基因表达机制假设： 1) 1 )一个转录因子与核小体DNA独立结合，

9、然后该转录因子再结合一个重塑因子，邻近核小体的结构稳定引起其他转录因子的2 )重塑因子首先独立地与核小体结合，这些复合体均具有ATP酶活性，通过水解ATP改变核小体的相对位置，但松弛地滑动，暴露DNA序列，使转录因子能够结合。这是在物理过程中，染色质本身的结构不变，只改变核小体的相对位置。 在染色质重建过程中，核小体的滑动可能是重要机制，不改变核小体的结构，但改变核小体与DNA的结合位置。 染色质结构的重建存在于基因启动子中，转录因子TF和染色质重建因子与启动子上的特定部位结合，引起特定核小体位置的变化(滑动)和/或核小体三维结构的变化，它们对染色质核酶的基因组不同区域染色质被不同浓度酶水解的

10、特性定义为基因组DNA对酶的敏感性。 用DNA酶I处理各种组织的染色质，发现处于活性状态的基因比处于非活性状态的DNA更容易被DNA酶I分解。 原因：存在活跃表达基因的染色质中含有一个或多个DNase超敏感部位，常出现在转录基因的5端启动区，多位于调控蛋白结合部位附近，在此DNA外露，易分解为核酸酶，在鸡成熟红细胞(erythroblast )染色质中， 血红蛋白基因在比蛋白基因更容易的鸡输卵管细胞的染色质中，被DNA酶I优先分解的是蛋白基因，而不是血红蛋白基因。 (2)组蛋白的修饰、组蛋白是染色质中核小体的主要构成要素。 组蛋白修饰(乙酰化、磷酸化和甲基化)引起的结构变化影响基因转换，且这种

11、变化同样调控基因转录，影响基因表达，是当前表观遗传学研究的重要组成部分。 组蛋白乙酰化过程被组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase，HAT )催化，目前有4种组蛋白乙酰转移酶和5种去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC )、 组蛋白乙酰化去乙酰化被发现乙酰化后的组蛋白侧链将失去正电荷，失去与DNA的结合能力，相邻核小体的结合也被阻碍，同时泛素与组蛋白H2A的结合也被促进，引起组蛋白选择性分解。 组蛋白H3和H4的Arg、Lys的NH2是修饰的主要部位。 例如，乙内酰化的缺乏可以关闭雌性个体x染色体的转录，提高染色质的凝集度。 (2)组蛋白的乙

12、酰化和转录起始复合体组装组蛋白的乙酰化作用减少组蛋白的正电荷，减弱其与DNA结合的能力，引起核小体的解聚，使转录因子和RNA聚合酶顺利结合基因DNA。 组蛋白的乙酰化作用可阻止核小体的组装，使染色质处于较松弛状态的组蛋白乙酰化作用也与细胞周期和细胞分裂的调控有关。 (3)组蛋白的脱乙酰化和基因沉默组蛋白的低乙酰化或脱乙酰化伴随转录沉默或转录抑制。 失活的x染色体中H4群的白完全未被乙酰化的H4的Lys16残基的去乙酰化作用对于维持基因沉默很重要。 组蛋白乙酰化转录调控中的作用形象，3 .非组蛋白对基因活性的影响，真核生物的细胞核除了构成染色质的组蛋白成分外，与染色质疏键或在某种条件下结合的非组

13、蛋白(non-histone protein，NHP )成分大部分是酸性蛋白质，发挥蛋白质和酶的作用。属种和组织特异性多为磷蛋白质，通过磷酸化/去磷酸化方式调节细胞的代谢、生长、增殖等。 大多数蛋白质对染色质中基因的转录开始非常重要。高迁移率蛋白(high mobility group，HMG ) :以相对分子量小、聚丙烯酰胺凝胶电泳高迁移率而命名的HMGA广泛参与细胞的各种生理活动，调控诱导性基因转录，将逆转录病毒调整为染色体，诱导转化，研究癌细胞HMGB发现最早，研究最多，细胞中含量也最丰富。 不仅存在于细胞核内，也存在于细胞内或分泌到细胞外，近年来还发现了与膜相关的HMGB。 最新研究(

14、nature，2009 )表明，染色体HMGB蛋白HMGB1、HMGB2和HMGB3都是激发核酸受体调控的先天性免疫反应所必不可少的，包括编码免疫球蛋白可变区的v、d、j基因片段的重组、分化和发展等。 HMGN是与核小体结合的核蛋白，可改变染色质的结构，增强染色质模板的转录和复制，HMGN家族含有HMGN1和HMGN2 (原HMG-14和HMG-17 )，广泛存在于大多数哺乳动物和多种脊椎动物的细胞核中4、核基质对基因活性的影响，在真核生物的细胞核内存在主要由非组蛋白的纤维蛋白和大分子RNA组成的三维网架系统，这就是核基质。 真核基因组的DNA序列中，能够与核基质特异性密合的区域是核基质结合区

15、域(MAR )。 广泛存在于从酵母到人类的所有真核生物基因组中。 MAR位于DNA上各转录单位的边界，是DNA向核基质或染色体支架的附着点。 这是由于特异的MAR结合蛋白与核基质结合，将染色质固定在核基质上，使其不能自由旋转，解锁DNA。 同时，将DNA隔离许多拓扑学上受限制的功能区，各功能区形成拓扑学上解旋的环境，各环境为转录单位。 核基质结合区约为200个富AT核苷酸段，保守。 通过氢键、疏水作用或共价键与核基质结合。 核基质蛋白含有不溶性的纤维蛋白网状结构核纤维层核孔复合体核非组蛋白，核基质特征1限定DNA环状结构域的大小，使环状结构域成为相对独立的结构域和功能域，该功能域包含一系列转录

16、单位和各种特异的顺式作用元件。 例如限定子或绝缘子； 绝缘体是最近发现的边界序列，阻止相邻的控制元件对定义的基因启动子发挥增强和抑制作用。 2、控制各种核基质蛋白质之间的相互作用、染色质组装的疏密度，调节DNA的复制和转录。 3 .可能存在有基因的增强子元件4 .可能存在DNA复制的起始位点识别子元件5 .在遗传基因丢失、细胞分化过程中，通过丢失某些基因去除其活性。 例如，某些原生动物、线虫、昆虫、甲壳类动物，身体细胞往往丢弃染色体的一部分或全部，只留下将来分化而产生生殖细胞的染色体。 例如蛔虫胚胎发育过程中，失去了27DNA。 在高等动植物中，没有发现类似现象。 很多生物的细胞和细胞核都是万能的。 6 .基因扩增、基因扩增(gene amplification) :是一种在不发生细胞分裂，染色体整体几乎不被复制的情况下，细胞内某一特定基因的复制数特异性增加的现象。 1 )两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增：卵母细胞中的rDNA拷贝数增加到体细胞中的4000倍，以满