真核生物基因表達(dá)的調(diào)控.ppt

真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression ),7.1 DNA水平的調(diào)控 7.2 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptional regulation) 7.3 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控(post transcriptional regulation) 7.4 翻譯水平的調(diào)控(translational regulation) 7.5 翻譯后水平的調(diào)控(protein maturation),真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp、染色質(zhì)、染色體、核膜 單順反子(monocistron) 含有大量重復(fù)序列 基因不連續(xù)性 斷裂基因（interrupted gene）、內(nèi)含子(intron)、 外顯子(exon) 非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1) 原核生物：生長(zhǎng)調(diào)控；真核生物：分化調(diào)控,RNA聚合酶 TATA盒結(jié)合蛋白 活性染色體結(jié)構(gòu)變化 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo) 轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進(jìn)行 轉(zhuǎn)錄后修飾、加工,真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn),多層次調(diào)控,失活,7.1 DNA水平的調(diào)控,染色質(zhì)的丟失：不可逆 核的全能性（totipotency）：細(xì)胞核內(nèi)保存了個(gè)體發(fā)育所必需的全部基因 基因擴(kuò)增(gene amplification)：增加基因的拷貝數(shù) 非洲爪蟾卵母細(xì)胞rRNA基因卵裂時(shí)，擴(kuò)增2000倍，達(dá)1012個(gè)核糖體 藥物：誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增；腫瘤細(xì)胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加 基因重排(gene rearrangement)： 如免疫球蛋白基因重排，多樣性,DNA水平的調(diào)控,DNA甲基化(DNA methylation)： mCpG，即“CpG島(CpG-rich islands)” 甲基化(methylated)程度高，基因表達(dá)降低； 去甲基化(undermethylated)：基因表達(dá)增加 染色質(zhì)(chromatin)或染色體(chromosome)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控：,DNA甲基化與X染色體失活,雌性胎生哺乳動(dòng)物細(xì)胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機(jī)失活 X染色體失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic):Xist基因(Xi-specific transcript),常染色質(zhì):結(jié)構(gòu)松散，基因表達(dá) 異染色質(zhì):結(jié)構(gòu)緊密，基因不表達(dá) 有基因表達(dá)活性的染色質(zhì)DNA對(duì) DNase更敏感，即Dnase的敏感性可作為該基因的轉(zhuǎn)錄活性的標(biāo)志。,7.2 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,7.2.1 順式作用元件(cis-acting element) 7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor) 7.2.3 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控,7.2.1 順式作用元件(cis-acting element),影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列 非編碼序列 分啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子,啟動(dòng)子是一段特定的直接與RNA聚合酶及其轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合、決定基因轉(zhuǎn)錄起始與否的DNA序列。不同的啟動(dòng)子對(duì)RNA聚合酶的親和力不同，所結(jié)合的反式作用因子（trans-acting factors）也不同，因此，基因轉(zhuǎn)錄活性也很不相同。,順式作用元件（一） 啟動(dòng)子,典型的原核啟動(dòng)子有四大要素,1.轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn) 2.-10區(qū) 3.-35區(qū) 4.-10區(qū)與-35區(qū)之間的間隔,原核基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)通常是嘌呤，其序列為CAT（A為起始位點(diǎn)）。 -10區(qū)是一個(gè)6堿基保守序列（常以-10為中心）。T80A95T45A60A50T96，有助于DNA的解鏈。 -35區(qū)是另一個(gè)6堿基保守序列（常以-35為中心）。T82T84G78A65C54A45。 當(dāng)-10區(qū)和-35區(qū)中心位置相距16-18bp時(shí)，該啟動(dòng)子的功能較強(qiáng)；相距較近或較遠(yuǎn)時(shí)，起始轉(zhuǎn)錄的功能都相應(yīng)減弱。,真核基因啟動(dòng)子,真核生物有3類RNA聚合酶，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄3類不同的啟動(dòng)子，分別為：類、類和類。,類啟動(dòng)子,由RNA聚合酶I負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的rRNA基因，啟動(dòng)子（I類）比較單一，由轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的兩部分序列構(gòu)成。第一部分是核心啟動(dòng)子（core promoter），由-45+20位核苷酸組成，單獨(dú)存在時(shí)就足以起始轉(zhuǎn)錄。另一部分由-170-107位序列組成，稱為上游調(diào)控元件，能有效地增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率。,類啟動(dòng)子,由RNA聚合酶負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的是5SrRNA、tRNA和某些核內(nèi)小分子RNA（snRNA），其啟動(dòng)子（類）組成較復(fù)雜，又可被分為三個(gè)亞類。兩亞類5S rRNA和tRNA基因的啟動(dòng)子是內(nèi)部啟動(dòng)子（internal promoter），位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游，都由兩部分組成。第三亞類啟動(dòng)子由三個(gè)部分組成，位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游。,類啟動(dòng)子,由RNA聚合酶II負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的II類基因包括所有蛋白質(zhì)編碼基因和部分snRNA基因。后者的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)與III類基因啟動(dòng)子中的第三種類型相似，編碼蛋白質(zhì)的II類基因啟動(dòng)子在結(jié)構(gòu)上有共同的保守序列。 II啟動(dòng)子： 核心啟動(dòng)子(core promoter)TATA盒，-25-30bp 上游啟動(dòng)子元件(upstream promotor elements,UPE)：CAAT 盒，-70bp；GC盒等，通過TF II復(fù)合物來提高轉(zhuǎn)錄效率。,增強(qiáng)子是指能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（130kb），增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性DNA序列。,順式作用元件（二） 增強(qiáng)子,增強(qiáng)子的性質(zhì),1、增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯。 2、增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)。 3、大多為重復(fù)序列，一般長(zhǎng)約50bp。 4、 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性。 5、 沒有基因?qū)Ｒ恍浴?6、 許多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控。,增強(qiáng)子的作用原理,一種觀點(diǎn)認(rèn)為，增強(qiáng)子為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)的位點(diǎn)。 第二種認(rèn)為，增強(qiáng)子能改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)象。因?yàn)樵鰪?qiáng)子區(qū)域容易發(fā)生從B-DNA到Z-DNA的構(gòu)象變化。 增強(qiáng)子的功能是可以累加的。,增強(qiáng)子,感染真核細(xì)胞的病毒DNA，大多具有可被寄主細(xì)胞蛋白質(zhì)激活的增強(qiáng)子。 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮質(zhì)激素基因的增強(qiáng)子。在能被類固醇激活的細(xì)胞（如乳腺上皮細(xì)胞）中，MMTV病毒能旺盛生長(zhǎng)。 病毒有寄主范圍，因它有組織特異和物種特異的增強(qiáng)子。,順式作用元件（三） 沉默子,沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor),概念：為DNA結(jié)合蛋白，核內(nèi)蛋白，可使鄰近基因開放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控） 通用或基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors)RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子。 TFA、 TFB、 TFD、 TFE等 特異轉(zhuǎn)錄因子( special transcription factors)個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子. OCT-2：在淋巴細(xì)胞中特異性表達(dá)，識(shí)別Ig基因的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子。,反式作用因子特點(diǎn),三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA識(shí)別結(jié)合域(DNA-binding domain)；轉(zhuǎn)錄活性域(transcriptional activation domain)；結(jié)合其他蛋白的結(jié)合域。 能識(shí)別并結(jié)合順式作用元件(cis-acting element) 正調(diào)控與負(fù)調(diào)控,功能 結(jié)構(gòu)域,反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式,DNA結(jié)合域(DNA- banding domain) 鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger motif) 同源結(jié)構(gòu)域(homodomain,HD)：螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋(helix-turn-helix) 亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu) (leucine zipper) 螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH) 堿性螺旋(alkaline -helix),鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger motif),長(zhǎng)約30個(gè)aa，其中4個(gè)氨基酸（Cys或2個(gè)Cys，兩個(gè)His）與一個(gè)Zinc原子相結(jié)合。與Zinc結(jié)合后鋅指結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix),是最早發(fā)現(xiàn)于原核生物中的一個(gè)關(guān)鍵因子，該結(jié)構(gòu)域長(zhǎng)約20個(gè)aa，主要是兩個(gè)-螺旋區(qū)和將其隔開的轉(zhuǎn)角。其中的一個(gè)被稱為識(shí)別螺旋區(qū)，因?yàn)樗３в袛?shù)個(gè)直接與DNA序列相識(shí)別的氨基酸。,堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper),是親脂性（amphipathic）的螺旋，包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體。每隔6個(gè)殘基出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸。由賴氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）組成DNA結(jié)合區(qū)。,堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄激活因子,螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH),該調(diào)控區(qū)長(zhǎng)約50個(gè)aa殘基，同時(shí)具有DNA結(jié)合和形成蛋白質(zhì)二聚體的功能，其主要特點(diǎn)是可形成兩個(gè)親脂性-螺旋，兩個(gè)螺旋之間由環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連，其DNA結(jié)合功能是由一個(gè)較短的富堿性氨基酸區(qū)所決定的。,螺旋-環(huán)-螺旋,反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式,轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域(transcriptional activation domain) 酸性-螺旋結(jié)構(gòu)域(acidic helix domain) 富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域(glutamine-rich domain) 富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域(proline-rich domain),7.2.3 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控,轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成 關(guān)鍵： 轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor,TF)； 啟動(dòng)子與TF結(jié)合后，才能被RNA pol識(shí)別與結(jié)合； -25-30區(qū)：TATA盒,轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控,TBP:TATA-binding protein TAFs:TBP associated factors,轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控,反式作用因子的活性調(diào)節(jié) 合成后即有活性：需要時(shí)合成，可迅速降解 共價(jià)修飾：磷酸化-去磷酸化，糖基化 配體結(jié)合：如激素與受體的結(jié)合 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用：二聚體 反式作用因子與順式作用元件的結(jié)合,轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控,反式作用因子的作用方式 成環(huán)、扭曲、滑動(dòng)、Oozing等 反式作用因子的組合式調(diào)控作用(conbinatorial gene regulation) 使有限的反式作用因子可以調(diào)控不同基因的表達(dá),成環(huán),反式作用因子與順式作用元件的結(jié)合,組合式調(diào)控作用,7.3 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控,5端加帽(cap)和3端多聚腺苷酸化(polyA)的調(diào)控意義 使mRNA穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)錄過程中不被降解 mRNA的選擇剪接(alternative splicing)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 外顯子選擇(optional exon)、內(nèi)含子選擇(optional intron)、互斥外顯子、內(nèi)部剪接位點(diǎn) mRNA 運(yùn)輸?shù)目刂?G蛋白 受體與配體結(jié)合后即與膜上的偶聯(lián)蛋白結(jié)合，使其釋放活性因子，再與效應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)。由于這些偶聯(lián)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能極為類似，且都能結(jié)合并水解GTP，所以通常稱G蛋白，即鳥苷酸調(diào)節(jié)蛋白（guanine nucleotide regulatory protein）。 反義RNA(anti sense RNA) 是指mRNA互補(bǔ)的RNA分子。這種反義RNA能與mRNA分子特異性地互補(bǔ)結(jié)合，從而抑制該mRNA的加工與翻譯，是原核細(xì)胞中基因表達(dá)的調(diào)控的一種方式。然而，許多實(shí)驗(yàn)證明，在真核細(xì)胞中亦存在反義RNA，但其功能尚未全部明了。,cAMP response element,CRE binding protein,7.4 翻譯水平的調(diào)控,翻譯起始的調(diào)控 未受精卵：隱蔽mRNA(masked mRNA)；受精：招募因子(recruitment factor)，激活隱蔽mRNA 阻遏蛋白的調(diào)控：鐵結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白(regulatory iron-binding protein) 翻譯起始因子的調(diào)控：eIF-2，血紅素對(duì)珠蛋白合成的調(diào)節(jié) 5AUG對(duì)翻譯的調(diào)控作用：減少正常AUG啟動(dòng)翻譯的作用，使翻譯維持在較低水平 mRNA5 端非編碼區(qū)長(zhǎng)度對(duì)翻譯的影響。,鐵結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白,3,3,翻譯起始因子(eIF2)的調(diào)控,翻譯水平的調(diào)控,mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié) 3端非編碼區(qū)結(jié)構(gòu)影響其穩(wěn)定性：3端富含A和U的結(jié)構(gòu)，引起mRNA 不穩(wěn)定 蠶蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蠶絲蛋白，mRNA半衰期達(dá)100小時(shí)，其他僅2.5小時(shí) 小分子RNA對(duì)翻譯水平的影響,7.5 翻譯后水平的調(diào)控,新生肽鏈的水解：酶解 肽鏈N端的第一個(gè)氨基酸：穩(wěn)定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）與去穩(wěn)定氨基酸 肽鏈中氨基酸的共價(jià)修飾：磷酸化、甲基化、酰基化 通過信號(hào)肽(signal peptide)分揀、運(yùn)輸、定