3、真核基因表达调控.ppt

1、第三节 真核基因表达调控,真核细胞基因组全能性的实验证据,不同组织器官中表达不同的蛋白质组 （2D-gel）,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。,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水平调控蛋白质加工水平的调控,真核生物基因表达调控的种类：,从DNA到蛋白质的可能的调控步骤,真核基因表达的多级控制

2、,主要调控水平： *转录水平调控（transcriptional control） *转录后水平调控（post-transcriptional control） RNA加工水平调控（RNA processing control） 翻译水平调控（translational control） 蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）,一、转录水平的调控 基本概念： 事件：DNA/protein, protein/protein 相互作用； 顺式作用元件（cis-acting element）：与转录调控蛋白特异 结合的DNA序列； 反式作用因子（tran

3、s-acting factor）：与特定DNA序列结 合的调控蛋白因子； “模体”结构（motif）：蛋白质中的小结构域，由一小段保 守的氨基酸构成，用以识别特定的DNA序列或其他蛋白质； e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, -sheet, leucin-zip, etc.,共有序列（consensus sequence）：DNA中一小段保守序列（有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构域所识别，在转录起始调控中起重要作用；e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc. 通用转录因子（general transcr

4、iption factor）：与核心启动子元件相结合（如TATA-box），启动转录； 特异转录因子（specific transcription factor ）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；,（一）、转录的激活（transcriptional activation） 1，转录的起始 涉及一系列的DNA/protein, protein/protein 相互作用；转录起始复合体（pre-initiation complex）的形成，etc.,RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:

5、1844-46,真核基因的结构,转录的起始,2，激活因子（activator）和辅激活因子（co-activator） 特异性的转录因子，能在DNA序列上形成复合体，激活转录；e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用：glucocorticoid/GRE,辅激活因子在特定的DNA元件上形成复合体，激活转录,转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域： - DNA结合结构域（DNA-binding domain）：与基因的 调控区域的特定DNA序列识别并结合 - 激活结构域（activation domain）：招募其他激活因子 和蛋白质，共同启动或激活转录,真核基因转录的调控（gene

6、control regions）,3，基因远端的调控元件 增强子（enhancer） 特点： 距离基因的起始点较远 位置不定：上游、下游、内含子内部 方向性：正反方向均有作用 作用机制： 间隔DNA可以形成环状 通过与enhancer结合的特异因子起作用 染色质构型的改变（重塑）,基因远端的增强子促进转录复合体的装配,（二）、转录的阻抑（transcriptional repression） 1，顺式作用元件反式作用因子 阻抑物（repressor）：负调控的特异性转录因子 沉默子（silencer）：负调控的DNA元件 作用机制： 阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用） 与转录激活因

7、子竞争结合DNA 与转录激活因子相互作用，影响其活性 改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）,阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制,2，DNA甲基化（DNA methylation） CG岛（CG island）：基因组DNA中富含GC碱基的区域， 其中一些对称序列中的 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（C） 常被甲基化修饰；与基因的失活有关。 DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase, DNMT） 维持性DNMT（maintenance DNMT）：使DNA甲基化 的模式（pattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性） 构建性DNMT（establ

8、ishment DNMT; de novo DNMT）： 使非甲基化的DNA模板甲基化 DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。,胞嘧啶C的甲基化修饰,DNA甲基化 pattern 维持的方式（维持性DNMT的作用）,DNA甲基化抑制基因转录的机制： 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合 将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列 DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 DNA甲基化的普遍性： 脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等 生物（果蝇、酵母等）中未发现。,DNA甲基化抑制基因转录的机制,基因组印记（

9、genomic imprinting）和甲基化 现象： 在二倍体动物中，有些基因（100个）的表达，依赖于其是来自于父本还是母本染色体，如同印上了“印记”； 印记是由DNA甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受精后不受“去甲基化波”的影响，从而“记忆”住了亲本所标记的表达方式（阻抑或促进）。e.g., 鼠的 Igf2 基因。 这是DNA的“状态”，而不是其序列决定可遗传性状的证据（表观遗传）。,鼠中基因“印记”的传递方式,转录后调控的步骤和方式,基因的转录后调控 （post-transcriptional control ）,选择性剪接的不同形式 深蓝：均保留的exon; 浅蓝：仅在一个mRN

10、A 中 保留的exon; 黄色：intron; 红线：被剪切去的区域。,选择性剪接的实际例子： - 原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin),剪接位点的选择和识别： 剪接增强子（splicing enhancer） 剪接因子（splicing factors） 形成“剪接子”（spliceosome）,RNA剪接的机制,2，RNA 编辑（RNA editing） 改变成熟的 mRNA 的序列，从而改变其“含义”（meaning）的机制；如：插入一个或多个 “U”。 由 “guide RNA” 引导编辑过程。,三、翻译水平的调控（translational control） 成熟mRN

11、A 的结构： 5帽子（5-cap, metG），5UTR，编码区，3UTR，多聚（A）尾部。,（一）、mRNA 的细胞定位 mRNA 在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？ 决定：3-UTR 中的信息，可能涉及蛋白质的参与； 转运：微管（microtubule）的作用； 锚定：微丝（microfilaments）的作用。,mRNA 定位的几种方式: Left: travel by associateion with cytoskeleton motor; Center: random diffusion; Right: degradation of unanchored mRNAs; Bla

12、ck open circus: anchor complex,（二）、mRNA 的翻译调控 翻译的负调控（negative translational control） 翻译阻抑蛋白（translational repressor）：与 mRNA 的 5-UTR 和 3-UTR 中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译水平。,翻译的负调控机制 e.g., ferritin,翻译起始点的调控 翻译通常从第一个AUG起始，但有时会因第一个AUG周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过，从而由以下的AUG开始翻译（“leaky scanning”）,（三）、mRNA 的稳定性（mRNA st

13、ability） mRNA的半衰期（half-life）：从几分钟到十几个小时不等， 多数mRNA 的半衰期不超过30分钟； 影响mRNA稳定性的因素： 多聚（A）尾部的长短：poly(A)/PABP， 30 nt 时降解 5-帽子的解除（de-capping）引起mRNA 降解（通常与 3-poly(A) 的降解过程相伴） 3-UTR序列的不同可影响mRNA 降解，可能与poly(A) 尾部的降解速度有关，e.g., -globin mRNA 3-UTR含有 许多CCUCC repeats，可稳定mRNA，而AUUUA序列则 使mRNA 不稳定。,mRNA 降解的机制,mRNA翻译和降解的竞争：5-帽子和 3-poly(A) 在 mRNA 降解中的作用,复习思考题 1.什么是基因表达?试述基因表达变化的特点及其调控对生物体的重要性。 2.为什么说转