真核生物的基因表達調控.ppt

真核生物的基因表達調控 真核生物與原核生物在調控機制上的主要差異 調控的原因 原核生物基因表達調節(jié)的目的是為了更有效和更經濟地對環(huán)境的變化做出反應 而多細胞真核生物基因表達調節(jié)的主要目的是細胞分化 它需要在不同的生長時期和不同的發(fā)育階段具有不同的基因表達樣式 調控的層次 原核生物基因表達調控主要集中在轉錄水平 但真核生物基因表達的轉錄后水平調節(jié)與其在轉錄水平上的調節(jié)各占 半壁江山 而某些調控層次是真核生物特有的 比如染色質水平 RNA后加工水平和mRNA運輸?shù)?調控的手段 原核生物絕大多數(shù)的基因組織成操縱子 但真核生物一般無操縱子結構 在染色質水平上的基因調控 原核生物的DNA絕大多數(shù)處于完全暴露和可接近的狀態(tài) 而真核生物DNA大部分被遮擋并組織成染色質 因此 原核生物DNA轉錄的 默認狀態(tài) 是開放 其調控機制主要是通過阻遏蛋白進行的負調控 而真核生物DNA轉錄的 默認狀態(tài) 是關閉 其調控機制主要是通過激活蛋白進行的正調控 染色質的結構是一種動態(tài)可變的結構 其結構的變化能直接影響到基因的表達 已有眾多證據(jù)表明 一個基因在表達前后 其所在位置的染色質結構會發(fā)生重塑或重建 由于染色質的組成單位是核小體 因此 染色質結構的改變是從核小體的變化開始的 而核小體的變化是從組蛋白的共價修飾和去修飾開始的 組蛋白能夠經歷的共價修飾包括乙?；?甲基化 磷酸化 泛?；虯DP 核糖基化等 其中乙?；瘜θ旧|結構的影響最大 組蛋白的乙?；揎椫辽倬哂腥齻€功能 1 中和Lys殘基上的正電荷而減弱組蛋白與DNA的親和力 2 招募其它刺激轉錄的激活蛋白和輔激活蛋白 3 啟動染色質重塑 以上三個方面均有利于基因轉錄的發(fā)生 組蛋白乙?；蛉ヒ阴；c染色質轉錄活性的關系 組蛋白乙?；c染色質重塑的關系 組蛋白的修飾與染色質構象變化的關系 在DNA水平上的基因表達調控 DNA擴增DNA重排DNA甲基化基因丟失DNA印記啟動子的選擇使用 DNA擴增 是通過增加基因的拷貝數(shù)來提高基因表達效率的一種手段 使用這種手段來進行調控的基因通常是細胞在較短的時間內或在特定的發(fā)育階段大量需要的基因 當其它調控手段已到達極限的時候 DNA擴增就顯得尤為重要 實例 果蠅的絨毛膜基因 兩棲動物的成熟卵細胞的rRNA基因 哺乳動物細胞的DHFR基因 DNA重排 B淋巴細胞在成熟過程Ig基因經歷的重排錐體蟲主要的表面抗原基因發(fā)生的重排釀酒酵母在交配類型轉換過程中發(fā)生的基因重排 抗體基因多樣性產生的分子機制 VJ和VDJ的重組連接連接的多樣性 重排過程中的連接是不精確的 這種 故意 的不精確連接可導致氨基酸的變化或缺失 從而影響到抗原結合位點的結構 實際上它是抗體上出現(xiàn)高變區(qū)的原因插入的多樣性 TdT作用導致DJ連接或V DJ連接中隨機插入若干個核苷酸到V基因 D基因或J基因的末端體細胞超突變 主要發(fā)生在V基因選擇性剪接和選擇性加尾 抗體輕鏈基因的重排機制 胚性細胞內輕鏈基因的結構 抗體重鏈基因重排 轉錄 后加工和翻譯 D基因和J基因連接的多樣性 錐體蟲主要表面抗原基因的重排 錐體蟲是由一種叫采采蠅的吸血蠅傳播的血液寄生性原生動物 它是非洲昏睡病的病原體 在應付宿主細胞的免疫系統(tǒng)方面 錐體蟲可謂是魔高一丈 它會不斷而有序地改變其表面抗原 以逃避免疫系統(tǒng)對它的攻擊 因此 一旦人被感染錐體蟲 患者極容易進入慢性感染狀態(tài) 最后可能發(fā)展到嚴重的神經損傷 昏迷或死亡 錐體蟲的表面抗原性質與其可變的表面糖蛋白 VSG 由它形成一種保護性的外被 錐體蟲基因組約有1000拷貝的VSG基因 但并不是所有的VSG基因都能表達 只有處于表達偶聯(lián)位點的拷貝 ELC 才有可能被轉錄 其它位點上的VSG被稱為基本拷貝 BC 無轉錄活性 錐體蟲主要表面抗原基因的重排 釀酒酵母在交配類型轉換過程中發(fā)生的基因重排 DNA甲基化與基因表達 DNA甲基化是一種復制后加工反應 真核生物和原核生物的甲基化位點和甲基化的功能完全不同 真核生物DNA的甲基化位點主要是CpG二核苷酸 少數(shù)是CpNpG三核苷酸序列 之中的C 甲基供體為SAM 由DNA甲基化酶催化 C甲基化后成為5 甲基胞嘧啶 CpG序列在基因組中的分布并不均一 它們通常成簇存在 形成所謂的CpG島 每一個CpG島長度在1kb 2kb左右 通常位于基因的啟動子附近或內部 并有可能延伸到基因的第一個外顯子 甲基化樣式與基因表達有關 活性基因的CpG島處于去甲基化狀態(tài) 非活性基因的CpG島處于甲基化狀態(tài) 管家基因的CpG島在所有的細胞都呈去甲基化狀態(tài) 而組織特異性基因的CpG島只是在表達它的細胞才處于去甲基化狀態(tài) DNA甲基化導致基因轉錄活性喪失的三種可能機制 DNA印記 就許多真核生物的某些基因而言 在一個發(fā)育的個體之中 兩個等位基因中只有一個才表達 而哪一個被表達是由親代決定的 有的是來自父本的基因才能表達 如IGF 2基因 有的是來自母本的基因才表達 這種由親代決定的等位基因的選擇性表達的機制被稱為印記 印記的手段是甲基化 不表達的等位基因的CpG島上的C被甲基化 表達的等位基因的CpG島上的C沒有被甲基化 在配子形成時期 許多基因就開始以性別特異性的方式進行甲基化反應 性別特異性的甲基化導致胚胎內來自不同親本的等位基因的區(qū)別表達 盡管在胚胎發(fā)育的早期 其胚性細胞內的甲基化樣式重新設定 需要經歷一波又一波的去甲基化和新甲基化反應 但這并不影響到印記基因的甲基化 在個體發(fā)育的整個階段 由于組織特異性甲基化酶的作用 不同類型的細胞其甲基化樣式會發(fā)生改變 但被印記的基因始終得到維持 這要歸功于細胞內一種維持甲基化酶的作用 DNA甲基化與印記 多個啟動子的選擇性使用 某些真核生物的基因不止一個啟動子 例如 抗肌營養(yǎng)不良蛋白有8個啟動子 通過使用不同的啟動子可轉錄出不同長度的mRNA 它們經過翻譯可產生不同性質或功能的蛋白質產物 人谷胱甘肽還原酶的基因具有兩個啟動子 這兩個啟動子分別指導定位于細胞質和線粒體的谷胱甘肽還原酶的合成 指導線粒體谷胱甘肽還原酶的啟動子在指導細胞質谷胱甘肽還原酶啟動子的上游 顯然 上游啟動子轉錄出來的mRNA要比下游啟動子轉錄出來的mRNA要長 分析它們的核苷酸序列以后發(fā)現(xiàn) 長mRNA的起始密碼子位置前移 因而會多翻譯一段指導進入線粒體的信號肽序列 在轉錄水平上的基因表達調控 真核生物的蛋白質基因的轉錄除了啟動子 RNA聚合酶II和基礎轉錄因子以外 還需要其它順式作用元件和反式作用因子的參與 參與基因表達調控的主要順式作用元件有 增強子 沉默子 絕緣子和各種反應元件 參與基因表達調控的反式作用因子也稱為轉錄因子 它們包括激活蛋白 輔激活蛋白 阻遏蛋白和輔阻遏蛋白 激活蛋白與增強子結合激活基因的表達 而阻遏蛋白與沉默子結合 抑制基因的表達 某些轉錄因子既可以作為激活蛋白也可以作為阻遏蛋白其作用 究竟是起何種作用取決于被調節(jié)的基因 輔激活蛋白缺乏DNA結合位點 但它們能夠通過蛋白質與蛋白質的相互作用而行使功能 作用方式包括 招募其它轉錄因子和攜帶修飾酶 如激酶或乙?；D移酶 到轉錄復合物而刺激激活蛋白的活性 輔阻遏蛋白也缺乏DNA結合位點 但同樣通過蛋白質與蛋白質的相互作用而起作用 作用機理包括 掩蓋激活蛋白的激活位點 作為負別構效應物和攜帶去修飾酶去中和修飾酶 如磷酸酶或組蛋白去乙?；?的活性 真核生物在轉錄水平進行基因表達調控的主要方式 激活蛋白激活基因表達的可能機制 絕緣子作用的分子模型 ICR絕緣子對小鼠Igf2和H19基因表達的控制 轉錄因子 轉錄因子是泛指除RNA聚合酶以外的一系列參與DNA轉錄和轉錄調節(jié)的蛋白質因子 分為基礎轉錄因子和調節(jié)轉錄因子 其中前者又稱為一般轉錄因子或普遍轉錄因子 專指從核心啟動子開始進行精確轉錄所必需的一組最低數(shù)量的蛋白質的總稱 其它轉錄因子參與轉錄的調節(jié) 激活或阻遏基因的轉錄 因此屬于調控轉錄因子 并不是所有的轉錄因子都能夠與DNA結合 也不是所有的轉錄因子都是激活基因的轉錄 轉錄因子的結構 絕大多數(shù)轉錄因子至少具有以下三種不同的結構域的一種 1 DNA結合結構域 直接與順式作用元件結合的轉錄因子都具有此結構域 轉錄因子通常使用此結構域之中的特殊 螺旋與順式作用元件內的大溝接觸 通過螺旋上的特殊氨基酸殘基的側鏈基團與大溝中的特殊堿基對之間的次級健 主要是氫鍵 相互識別而產生特異性 許多轉錄因子在此結構域上富含堿性氨基酸 這可能有利于它和DNA骨架上帶負電荷的磷酸根發(fā)生作用 2 效應器結構域 這是轉錄因子調節(jié)轉錄效率 激活或阻遏 產生效應的結構域 3 多聚化結構域 此結構域的存在使得轉錄因子之間能夠組裝成二聚體或多聚體 同源或異源 下面將集中介紹前兩種結構域 特別是DNA結合結構域 DNA結合結構域 DNA結合結構域一般會含有以下幾種結構基序中的一種 1 螺旋 轉角 螺旋 2 鋅指結構 3 堿性拉鏈 4 螺旋 環(huán) 螺旋 5 與小溝接觸的 支架因子 轉錄因子四種DNA結合結構域 堿性拉鏈結構域與DNA的結合 含有 螺旋 突環(huán) 螺旋結構域的MyoD與DNA的結合 激活蛋白的效應器結構域 激活蛋白的效應器結構域即是激活基因轉錄的激活結構域 轉錄因子上的DNA結合結構域只能讓轉錄因子與特定的順式作用元件結合 以 鎖定 被調節(jié)的目標基因 激活基因表達的功能由轉錄因子上專門的激活結構域承擔 已發(fā)現(xiàn)三種常見的激活結構域 1 酸性結構域 富含酸性氨基酸殘基 但常有1個疏水的氨基酸殘基鑲嵌在其中 2 富含Gln結構域 3 富含Pro結構域 阻遏蛋白與沉默子結合以后抑制基因表達的三種可能方式 轉錄水平調控的實例 酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控熱休克蛋白的基因表達調控激素誘導的基因表達調控金屬硫蛋白的基因表達調控生物發(fā)育過程中的組織特異性基因表達 酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控 酵母細胞內參與利用半乳糖代謝的3個基因GAL1 半乳糖激酶基因 GAL7 半乳糖轉移酶基因 和GAL10 半乳糖差向異構酶基因 受到半乳糖可得性的協(xié)同調節(jié) 這3個基因盡管相互靠得很近 但并不象原核生物那樣組成操縱子 在GAL1和GAL10之間有一段上游激活子序列 UAS 它為轉錄因子GAL4蛋白的結合位點 在沒有半乳糖時 GAL4蛋白二聚體與GAL80蛋白組成的復合物與UAS結合 這時GAL80作為阻遏蛋白阻止GAL4激活GAL基因的轉錄 在有半乳糖 同時無葡萄糖 時 半乳糖的代謝物與GAL80上的結合位點結合 改變了GAL80的構象 并導致GAL4的磷酸化從而激活GAL4 GAL基因因此被誘導表達 酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控 熱休克蛋白的基因表達調控 與原核生物一樣 真核生物在溫度驟然升高或其它不良因素的刺激下 體內熱激蛋白基因被誘導表達以幫助細胞度過難關 熱激蛋白的基因表達除了啟動子以外還受到HSE和熱激因子 HSF 的控制 其中HSE位于熱休克基因的上游 其一致序列是GAANNTTCNNGAA HSF是與HSE結合的轉錄因子 就哺乳動物而言 在正常的條件下 其細胞內的HSF以單體的形式存在 缺乏結合DNA的活性 在細胞受熱或受其它不良因素的刺激下 HSF從單體變成三聚體后進入細胞核 并與HSE結合 上調熱休克基因的表達 然而 HSF的三聚體化和與DNA結合還不足以誘導轉錄 因為在酵母細胞內 HSF一直以三聚體的形式存在并始終與DNA結合 因此 HSF在與DNA結合以后還應該有第二步激活步驟 已有實驗證明 酵母和果蠅HSF的第二步激活由超氧陰離子負責 金屬硫蛋白的基因表達調控 金屬硫蛋白 MT 是一種富含Cys殘基的小分子蛋白 在細胞內能夠與重金屬離子結合 以清除細胞內過量的重金屬 從而保護細胞免受重金屬毒害 此外 還發(fā)現(xiàn)它參與細胞防護活性氧以及調節(jié)體內鋅離子的穩(wěn)定 MT基因平常以較低的水平表達 但遇到過量的重金屬離子或在糖皮質激素的作用下 可大量表達 重金屬離子可誘導MT的表達是因為MT的上游存在MRE 但MRE需要金屬反應性轉錄因子 1 MTF 1 的結合 酵母細胞與MTF 1相當?shù)氖茿CE 1 該轉錄因子調節(jié)依賴于銅的MT基因的表達 ACE 1在N 端一半含有與MT相似的成簇的Cys殘基 銅與成簇的Cys殘基結合改變了ACE 1的構象 ACE 1因此被激活而與MRE結合 從而上調MT基因的表達 至于其它生物內的MTF 1如何被重金屬離子激活的機制尚不十分清楚 生物發(fā)育過程中的組織特異性基因表達 組織特異性基因表達與組織特異性轉錄因子和組織特異性順式作用元件 如組織特異性增強子 有關 其主要特征反映在以下幾個方面 1 組織特異性轉錄因子只在特定類型的細胞內表達 通常呈時空特異性的表達 2 組織特異性的轉錄因子與組織特異性的順式作用元件 主要是組織特異性的增強子 結合 與普遍表達的基礎轉錄因子一起調節(jié)基因的表達 3 某些轉錄因子專門在細胞分化的早期階段表達 作用于受阻遏的染色質上的啟動子 并招募其它蛋白質 促進染色質的重塑 以形成具有轉錄活性的染色質結構 4 轉錄激活通常還受到其它信號的調節(jié) 5 在整個個體發(fā)育階段 一種轉錄因子的表達往往受到另一種轉錄因子的調節(jié) 不同的轉錄因子會構成一種復雜的級聯(lián)網絡 肌肉形成的三個階段 轉錄因子MyoD Myf5 MRF4和肌肉生成素對肌肉細胞形成的影響 果蠅的發(fā)育 在受精卵形成以后 任何一種真核生物隨后的生長和發(fā)育都將涉及到復雜而又精妙的基因表達調控 在發(fā)育的每一個階段 受控的基因表達程序是必要的 這種程序是高度可重復的 對每一個胚胎都是相同的所有的發(fā)育都開始于一個單一的受精卵 但必須意識到合子和卵細胞的細胞質并不是均一的 一個卵細胞的內部具有非常確定的mRNA和蛋白質的分布 這種分布是在一個正在發(fā)育的卵母細胞受到它周圍的滋養(yǎng)細胞和卵泡細胞的作用下形成的 于是母系基因通過這些mRNA和蛋白質對后面的發(fā)育進程產生極為重要的影響 在果蠅的發(fā)育過程中 有三類基因控制或調節(jié)整個發(fā)育進程 1 母系基因 這些基因編碼的是貯存在卵細胞內的mRNA和蛋白質 由它們決定正在發(fā)育的胚胎的前后軸和背腹軸的形成 2 分節(jié)基因 這些基因為合子活性基因 在受精后被激活 它們決定體節(jié)的數(shù)目以及每個體節(jié)具有正確的極性 3 同源異形基因 這一類基因通過控制在體節(jié)內發(fā)育的器官的性質來決定每一體節(jié)的性質 一個同源異形基因的突變通常表現(xiàn)在一個身體的器官出現(xiàn)在錯誤的地方 果蠅不同發(fā)育階段的基因表達 果蠅的前后軸和背腹軸 分節(jié)基因對體節(jié)形成的影響 果蠅的同源異形基因的對器官形成的影響以及小鼠同源異形基因的排列 果蠅的同源異形基因的排列 選擇性剪接 選擇性剪接也稱為可變剪接 它是指一種mRNA前體在剪接反應中某些區(qū)段的序列可能被保留 也可能被排除 從而得到幾種不同成熟mRNA產物的過程 它是高等真核生物蛋白質多樣性產生的重要來源 據(jù)估計 人類基因組中的基因至少有一半經歷選擇性剪接 平均每個基因有3個 4個剪接變體 選擇性剪接可能是組成型的 也可能是受到調控的 前者是指一種mRNA的不同剪接方式發(fā)生在所有的組織細胞內 而后者是指某種剪接方式的發(fā)生是有條件的 即具有組織特異性 發(fā)育階段的特異性或生理狀態(tài)的特異性 受到調控的選擇性剪接可產生組織特異性或發(fā)育階段特異性的不同蛋白質的同工異體 選擇性剪接主要有四種方式 1 外顯子跳過 剪接反應中跳過一個或幾個外顯子 從而導致成熟的mRNA上缺失相應的外顯子 2 內含子保留 一個或幾個內含子被保留下來而出現(xiàn)在成熟的mRNA之中 3 可變的3 剪接位點的使用 3 剪接位點不止一個 使用不同的剪接位點產生不同的剪接產物 4 可變的5 剪接位點的使用 5 剪接位點不止一個 使用不同的剪接位點產生不同的剪接產物 選擇性剪接的四種方式 SV40病毒大T抗原和小t抗原的產生 原肌球蛋白mRNA前體的組織特異性選擇性剪接 降鈣素mRNA前體的組織特異性選擇性剪接 內耳內毛細胞內鉀離子通道蛋白mRNA前體的選擇性剪接 果蠅性別決定過程中的選擇性剪接 選擇性加尾 很多真核生物基因的3 端含有2個或2個以上的加尾信號 使用不同的加尾信號將導致產生不同長度或不同性質的mRNA 同一種mRNA前體在加尾反應中 對不同加尾信號的選擇而導致產生不一樣的成熟mRNA的現(xiàn)象被稱為選擇性加尾或選擇性多聚腺苷酸化 選擇性加尾可能會改變編碼區(qū)的長度 也可能會保留或去除位于3 UTR內影響mRNA穩(wěn)定性的特定信號 前一種情形是導致一個基因編碼不同的多肽產物的另外一種途徑 有時它與選擇性剪接組合使用可