真核基因表達(dá)的調(diào)控.ppt

1 真核生物的基因組2 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類3 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控4 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控5 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 主要內(nèi)容 1 真核生物的基因組 1 1真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組結(jié)構(gòu)龐大單順反子基因不連續(xù)性斷裂基因 interruptedgene 內(nèi)含子 intron 外顯子 exon 非編碼區(qū)較多含有大量重復(fù)序列 原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 基因組很小 大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)煉 存在操縱子轉(zhuǎn)錄單元 有重疊基因 1 2基本概念 1 2 1基因家族 genefamily 真核基因組中很多來源相同 結(jié)構(gòu)相似 功能相關(guān)的基因構(gòu)成基因家族 如編碼組蛋白 免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都分別屬于不同的基因家族 基因簇 genecluster 同一基因家族中的成員有時(shí)緊密地排列在一起 成為一個(gè)基因簇 TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit 簡(jiǎn)單多基因家族 基因成員一般以串聯(lián)方式前后相連 Organizationofhistonegenesintheanimalgenome 復(fù)雜多基因家族 一般由幾個(gè)相關(guān)基因家族成員構(gòu)成 基因家族之間由間隔序列隔開 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復(fù)雜多基因家族 1 2 2斷裂基因 基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的 為非編碼序列所隔開 其中編碼的序列稱為外顯子 非編碼序列稱內(nèi)含子 外顯子 Exon 真核基因DNA中的編碼序列 這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進(jìn)而翻譯為蛋白質(zhì) 內(nèi)含子 Intron 真核基因DNA中的間插序列 這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA 但被剪除而不翻譯 外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū) 指外顯子和內(nèi)含子的邊界序列 它有兩個(gè)重要特征 內(nèi)含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性 連接區(qū)序列很短且高度保守 是RNA剪接的信號(hào)序列 5 GT AG3 GT AG法則 內(nèi)含子5 端以GT開始 3 端以AG結(jié)尾 外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控組成型剪接 一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA 選擇性剪接 一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由于不同的剪接方式而形成不同的成熟mRNA 2真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類2 1真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)RNA聚合酶種類多多層次調(diào)節(jié)個(gè)體發(fā)育機(jī)制復(fù)雜活性染色體結(jié)構(gòu)變化以正調(diào)節(jié)為主轉(zhuǎn)錄與翻譯不耦聯(lián)存在轉(zhuǎn)錄后修飾 加工機(jī)制 2 2真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類根據(jù)性質(zhì)可分為兩大類 1 瞬時(shí)調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控 相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng) 瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時(shí) 及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié) 2 發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控 是真核基因調(diào)控的精髓部分 它決定了真核細(xì)胞生長(zhǎng) 分化 發(fā)育的全部進(jìn)程 根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為 DNA水平調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控 翻譯水平調(diào)控 蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控 3真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 基因丟失基因擴(kuò)增基因重排DNA甲基化狀態(tài)與調(diào)控染色體的結(jié)構(gòu)與調(diào)控 3 1基因丟失在細(xì)胞分化過程中 可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性 某些原生動(dòng)物 線蟲 昆蟲和甲殼類動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中 許多體細(xì)胞常常不可逆地丟失掉整條或部分染色體 只有將來分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞 才一直保留著整套染色體 目前 尚未在高等真核生物 包括動(dòng)物 植物 中發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象 3 2基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象 它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要 是基因活性調(diào)控的一種方式 非洲爪蟾卵母細(xì)胞rRNA基因 rDNA 數(shù)量是一般體細(xì)胞的4000倍 2000000 500 這是由于為適應(yīng)胚胎發(fā)育對(duì)核糖體的大量需要而進(jìn)行基因擴(kuò)增的結(jié)果 基因組拷貝數(shù)增加 即多倍性 在植物中是非常普遍的現(xiàn)象 基因組拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多 這可能是加速基因進(jìn)化 基因組重組和最終物種形成的一種方式 在發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加現(xiàn)象在植物中普遍存在 3 3基因重排通過調(diào)整有關(guān)基因片段的銜接順序 使之重排成為1個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位 例如將一個(gè)基因從遠(yuǎn)處移至距啟動(dòng)子很近的位點(diǎn)從而有效啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄 這種方式被稱為基因重排 通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá) Ig有2條相同的重鏈和輕鏈 恒定區(qū)和可變區(qū)分別由不同的DNA基因片段所編碼 不同區(qū)的重排和連接是產(chǎn)生抗體多樣性的分子基礎(chǔ) 3 4DNA的甲基化與基因調(diào)控 DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性 去甲基化則能誘導(dǎo)基因的重新活化和表達(dá) DNA甲基化的主要形式 5 甲基胞嘧啶 N6 甲基腺嘌呤和7 甲基鳥嘌呤 CpG島 成串出現(xiàn)在DNA上的CpG二核苷酸序列 在真核生物中 5 甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG CpXpG CCA和GATC序列中 關(guān)于甲基化酶日常型 催化半甲基化DNA迅速甲基化 需甲基化DNA模板 速度快 從頭合成型 催化未甲基化的CpG甲基化 不需甲基化DNA鏈指導(dǎo) 速度慢 甲基供體 S 腺苷蛋氨酸 S AdenosylMethionine SAM DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化 從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用 抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率 主要是不利于模板DNA與RNA聚合酶的結(jié)合 真核DNA約有5 的胞嘧啶被甲基化 甲基化程度與基因表達(dá)程度呈負(fù)相關(guān) 圖7 14DNA甲基化對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的抑制作用 DNA甲基化密度與基因轉(zhuǎn)錄的效率成反比 沒有甲基化的胞嘧啶發(fā)生脫氨基作用 就可能被氧化成為U 被DNA修復(fù)系統(tǒng)所識(shí)別和切除 恢復(fù)成C 已經(jīng)甲基化的胞嘧啶發(fā)生脫氨基作用 它就變?yōu)門 無法被區(qū)分 因此 CpG序列極易丟失 由于甲基化胞嘧啶極易在進(jìn)化中丟失 所以 高等真核生物中CG序列遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論值 哺乳類基因組中約存在4萬個(gè)CG序列 大多位于轉(zhuǎn)錄單元的5 區(qū) 人類X染色體失活調(diào)控的機(jī)制 1 X染色體上存在一個(gè)重要的Xist基因 該基因只在失活的X染色體上表達(dá) 而不在有活性的X染色體上表達(dá) Xist基因的表達(dá)是決定X染色體失活的關(guān)鍵因素 2 該基因參與了X染色體的失活過程 其表達(dá)產(chǎn)物為一個(gè)功能性RNA分子 不含ORF 含有大量的終止密碼子序列 不編碼蛋白質(zhì) 該RNA只存在于核內(nèi) 不向細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移 3 該RNA分子能與X染色體失活中心區(qū)域 Xic 相互作用 引起后者構(gòu)象發(fā)生變化 更易于與各種蛋白因子相結(jié)合 最終導(dǎo)致X染色體失活 4 活性X染色體上的Xist基因總是甲基化了的 而失活的X染色體上的該基因都是去甲基化了的 雄性體細(xì)胞只含有一條X染色體 永遠(yuǎn)處于活性狀態(tài) 其Xist基因內(nèi)部及5 端啟動(dòng)區(qū)都高度甲基化 雌性體細(xì)胞含有兩條X染色體 活性X染色體上的Xist位點(diǎn)都高度甲基化 而失活X染色體上的Xist位點(diǎn)都無甲基化 Xist基因被高度甲基化 該基因不表達(dá) X染色體有活性 Xist基因去甲基化 該基因表達(dá) 引起X染色體失活 3 5染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控 按功能狀態(tài)不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì) 具有轉(zhuǎn)錄活性 和非活性染色質(zhì) 沒有轉(zhuǎn)錄活性 活潑轉(zhuǎn)錄區(qū)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變 1 核小體變得不完整 2 DNA甲基化程度降低 3 組蛋白和有關(guān)蛋白的改變 實(shí)驗(yàn)方法 1 核酸酶的敏感性實(shí)驗(yàn) 2 染色質(zhì)再造實(shí)驗(yàn) 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 對(duì)DNase 的敏感性可作為該基因轉(zhuǎn)錄活性的標(biāo)志 活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn) 每個(gè)活躍表達(dá)的基因都有一個(gè)或幾個(gè)超敏感位點(diǎn) 大部分位于基因5 端啟動(dòng)子區(qū)域 染色質(zhì)是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵 活性染色質(zhì)往往具有疏松的結(jié)構(gòu) 從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合 及便于RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng) 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系 在轉(zhuǎn)錄過程中 在RNA聚合酶前方消除核小體結(jié)構(gòu) 而在RNA聚合酶后方 再重新形成核小體 真核RNAPol 轉(zhuǎn)錄的基因 真核蛋白質(zhì)基因一般包括啟動(dòng)子 相間排列的外顯子和內(nèi)含子及轉(zhuǎn)錄終止子序列等 啟動(dòng)子本身一般不被轉(zhuǎn)錄 基因 的分子生物學(xué)定義 產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列 4真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 4 1真核基因轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組成 1 啟動(dòng)子 含各類順式作用元件 2 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 反式作用因子 3 RNA聚合酶 啟動(dòng)子 RNA聚合酶能夠識(shí)別 結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的DNA序列 真核基因啟動(dòng)子包含轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的DNA序列及啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄所必需的一些順式作用元件 這些元件被反式作用因子所識(shí)別和結(jié)合 4 2真核基因啟動(dòng)子與RNA聚合酶 順式作用元件 cis actingelement 影響基因表達(dá)活性的DNA序列 主要包括啟動(dòng)子中的相對(duì)保守的DNA序列 如TATA盒 CAAT盒和GC盒等 是反式作用因子所識(shí)別和結(jié)合的部位 真核RNA聚合酶 為寡聚酶 每種酶分子含2個(gè)大亞基和4 8個(gè)小亞基 分子量在500KD左右 4 2 1真核rRNA基因啟動(dòng)子與RNA聚合酶I RNA聚合酶I負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄rRNA基因 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 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 170 110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 4 2 2真核tRNA基因啟動(dòng)子與RNA聚合酶 RNA聚合酶 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄5SrRNA tRNA和某些核內(nèi)小分子RNA snRNA 基因 這些基因的啟動(dòng)子 類 組成較為復(fù)雜 又可被分為三個(gè)亞類 其中5SrRNA和tRNA基因的兩類啟動(dòng)子是內(nèi)部啟動(dòng)子 位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游 都由兩部分組成 第三類啟動(dòng)子由三個(gè)部分組成 位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游 4 2 3真核蛋白質(zhì)基因啟動(dòng)子與RNA聚合酶 RNA聚合酶II負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄所有蛋白質(zhì)基因和部分snRNA基因 編碼蛋白質(zhì)的 類基因啟動(dòng)子在結(jié)構(gòu)上有共同的保守序列 這些短的保守序列 元件 位于起始位點(diǎn)的上游 通常分散存在于200bp的范圍內(nèi) 不同啟動(dòng)子所用的元件的種類 數(shù)目以及元件所處的位置都不盡相同 只有當(dāng)多種轉(zhuǎn)錄因子分別特異地識(shí)別這些元件并與之結(jié)合之后 RNA聚合酶 才能結(jié)合上去以啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄 通常RNA聚合酶 自身不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄 真核蛋白質(zhì)基因的啟動(dòng)子元件 核心啟動(dòng)子元件 指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列 包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游 25區(qū)的TATA盒 核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄 上游啟動(dòng)子元件 包括位于 70bp附近的CAAT盒和GC盒 以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件 這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率 不同基因具有不同的上游啟動(dòng)子元件 其位置也不相同 使不同基因的表達(dá)分別具有不同的調(diào)控機(jī)制 RNAPol 轉(zhuǎn)錄因子分類 應(yīng)答元件 responseelement 能與某個(gè) 類 專一蛋白因子結(jié)合 從而控制基因特異表達(dá)的DNA上游序列 最常見的應(yīng)答元件 熱激應(yīng)答元件 heatshockresponseelement HSE 糖皮質(zhì)應(yīng)答元件 glucocorticoidresponseelement GRE 金屬應(yīng)答元件 metalresponseelement MRE 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置 由通用轉(zhuǎn)錄因子 RNAPol 和核心啟動(dòng)子共同組成 該裝置是任何真核 類啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄都必需的 通用 基礎(chǔ) 轉(zhuǎn)錄因子 TF D TF A TF B TF F TF E 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子起著與原核 因子相類似的作用 通常RNAPol 自己不能識(shí)別啟動(dòng)子 而依靠基礎(chǔ)因子來識(shí)別 后者起著嚴(yán)格規(guī)定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的作用 核心啟動(dòng)子由Inr元件 起始子 和TATA框所組成 起始子 通用啟動(dòng)子 包括Py2CAPy5 Inr元件 在內(nèi)的一段序列 其中A為轉(zhuǎn)錄的第1個(gè)堿基 Inr元件位于 3 5 僅由Inr元件組成的啟動(dòng)子是可被RNA聚合酶II識(shí)別的最簡(jiǎn)單的啟動(dòng)子形式 TATA框 25區(qū) 真核啟動(dòng)子中唯一與起始位點(diǎn)有固定距離的元件 也是最靠近轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的元件 轉(zhuǎn)錄前先是TF D與TATA盒結(jié)合 TF A結(jié)合在TF D上游 TF B結(jié)合在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近 RNA聚合酶 與TF F偶聯(lián)形成復(fù)合體結(jié)合到轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn) TF E結(jié)合在RNA聚合酶 的下游 TF H和TF J結(jié)合上去 形成完整的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物 RNA聚合酶 的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成 上游元件及其轉(zhuǎn)錄因子一個(gè)啟動(dòng)子要達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)錄效率和具有特異性 要依靠其上游更遠(yuǎn)處的短序列 這些序列由上游因子或誘導(dǎo)因子所識(shí)別 這些元件位于起點(diǎn)上游100bp范圍內(nèi) 1 上游元件的鑒定方法 堿基突變或缺失 2 上游元件 CAAT框 即GGCCAATCT GC框 即GGGCGG 轉(zhuǎn)錄因子活化轉(zhuǎn)錄的機(jī)制 特異因子結(jié)合在上游元件上之后 作用于基礎(chǔ)因子 再由后者作用于RNAPol 所以 在轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)中 蛋白與蛋白之間的相互作用具有蛋白與DNA作用同等的重要性 增強(qiáng)子 指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列 在SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn) 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約200bp處有兩段長(zhǎng)72bp的正向重復(fù)序列 增強(qiáng)子特點(diǎn) 增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯 能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10 200倍 增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無關(guān) 不論增強(qiáng)子以什么方向排列 5 3 或3 5 甚至和靶基因相距3kb 或在靶基因下游 均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng) 大多為短重復(fù)序列 一般長(zhǎng)約50bp 適合與某些蛋白因子結(jié)合 其內(nèi)部常含有一個(gè)核心序列 該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需的 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性 說明增強(qiáng)子只有與特定的蛋白質(zhì) 轉(zhuǎn)錄因子 相互作用才能發(fā)揮其功能 無基因?qū)Ｒ恍?可在不同基因組合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng) 許多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控 如金屬硫蛋白的基因啟動(dòng)區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子 就可以對(duì)環(huán)境中的鋅 鎘濃度做出反應(yīng) 增強(qiáng)子作用機(jī)理 沉默子 沉寂子 某些基因含有負(fù)調(diào)控順式元件 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 目前對(duì)其作用機(jī)制的研究還不多 目前已知沉寂子的作用可不受其序列方向的影響 也可遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用 并能對(duì)異源基因的表達(dá)起作用 真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控蛋白也有起阻遏 或激活 或兼有兩種作用者 但總的是以激活蛋白的作用為主 即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時(shí)是不轉(zhuǎn)錄的 需要表達(dá)時(shí)就要有激活蛋白來促進(jìn)轉(zhuǎn)錄 換言之 真核基因表達(dá)以正調(diào)控為主導(dǎo) 真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負(fù)性調(diào)控元件 但其存在并不普遍 真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低 基本上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄 需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用 反式作用因子 trans actingfactor 能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件的核心序列上 參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì) 如結(jié)合TATA區(qū)的TF D 結(jié)合CAAT區(qū)的CTF 結(jié)合GGGCGG區(qū)的SP1 及結(jié)合熱激元件的HSF等 4 3轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 反式作用因子 轉(zhuǎn)錄因子是發(fā)生轉(zhuǎn)錄所必需的蛋白質(zhì) 大多直接結(jié)合于DNA上 少數(shù)結(jié)合在其它轉(zhuǎn)錄因子上 在真核中 主要由輔助因子識(shí)別啟動(dòng)子 真核啟動(dòng)子的多個(gè)保守序列都不是由RNA聚合酶本身所識(shí)別和結(jié)合的 調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合的方式基因表達(dá)調(diào)控的基本方式是依賴調(diào)控蛋白 轉(zhuǎn)錄因子 與基因調(diào)控序列 順式作用元件 的特異結(jié)合 也依賴調(diào)控蛋白之間的特異結(jié)合 調(diào)控蛋白通常有獨(dú)立的結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 連接區(qū) 轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域 DNA結(jié)合蛋白與DNA之間的相互作用 蛋白質(zhì)與特異DNA序列的識(shí)別與結(jié)合模式 調(diào)控蛋白與特異DNA序列之間通過氫鍵相結(jié)合 調(diào)控蛋白與蛋白質(zhì)結(jié)合的方式除了與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域外 調(diào)控蛋白通常還有與蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域 用以和RNA聚合酶 其它調(diào)控蛋白相互作用 也用于相同的轉(zhuǎn)錄因子之間的作用 在真核中 許多轉(zhuǎn)錄因子都以二聚體的形式結(jié)合在DNA上 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)中的用于與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)基元 1 鋅指 zincfinger 是一種常出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元 是由一個(gè)含有大約30個(gè)氨基酸的環(huán)和一個(gè)與環(huán)上的4個(gè)Cys 或2個(gè)Cys和2個(gè)His 配位的Zn構(gòu)成 形成的結(jié)構(gòu)像手指狀 為某些蛋白質(zhì) 如調(diào)節(jié)蛋白 中由若干個(gè)氨基酸殘基與一個(gè)鋅離子結(jié)合而成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域 鋅指的尖端可進(jìn)入DNA大溝或小溝 以識(shí)別和結(jié)合特異的DNA序列 鋅指是DNA結(jié)合蛋白中常見的基元 通常組織成為一個(gè)串聯(lián)重復(fù) 配位鍵 2 9個(gè) ThesametypesoftranscriptionfactorscanhavedifferentDNAbindingdomainsandthusbindtodifferentDNAsequences Cys2 Cys2鋅指 Cys2 His2鋅指 見于甾體激素受體 見于SP1 TF A等 鋅指結(jié)構(gòu) zincfingermotif 鋅指可以形成 螺旋而插入DNA的大溝中 在另一面連著 片層 轉(zhuǎn)錄因子SP1 結(jié)合GC盒 的3個(gè)連續(xù)的鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu) 螺旋 轉(zhuǎn)角 螺旋 helix turn helix 2 螺旋 轉(zhuǎn)角 螺旋 Helix turn helix HTH 兩個(gè) 螺旋被一個(gè) 轉(zhuǎn)角隔開 兩個(gè) 螺旋之一起識(shí)別作用 為許多真核調(diào)控蛋白中含有的與DNA結(jié)合的基元 3 堿性 亮氨酸拉鏈 basic leucinezipper 定義 出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白質(zhì)和其它蛋白質(zhì)中的一種結(jié)構(gòu)基元 motif 疏水的Leu集中排列在 螺旋的一側(cè)而呈直線狀 該側(cè)是兩個(gè)蛋白分子構(gòu)成二聚體的接觸點(diǎn) 亮氨酸之間相互作用形成二聚體 肽鏈氨基端20 30個(gè)富含堿性氨基酸的結(jié)構(gòu)域參與結(jié)合DNA 4 堿性 螺旋 環(huán) 螺旋 basic helix loop helix bHLH 只有形成同源或異源二聚體時(shí) 才具有足夠的DNA結(jié)合能力 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 4 4真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要模式 4 4 1信號(hào)傳導(dǎo)信息分子 由一種細(xì)胞釋放 然后傳給靶細(xì)胞并發(fā)揮作用的物質(zhì) 細(xì)胞間信息物質(zhì)是由細(xì)胞分泌的調(diào)節(jié)靶細(xì)胞生命活動(dòng)的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱 又稱作第一信使 如生長(zhǎng)因子 細(xì)胞因子 胰島素等 第二信使 secondarymessenger 是指在細(xì)胞內(nèi)傳遞信息的小分子物質(zhì) 如 Ca2 IP3 DAG cAMP cGMP等 跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一般步驟 特定的細(xì)胞釋放信息物質(zhì) 信息物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散或血循環(huán)到達(dá)靶細(xì)胞 與靶細(xì)胞受體特異性結(jié)合 受體對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信使系統(tǒng) 靶細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng) 多細(xì)胞生物通過細(xì)胞間復(fù)雜的信號(hào)傳遞系統(tǒng)來傳遞信息 從而調(diào)控機(jī)體活動(dòng) 受體 是細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)能識(shí)別生物活性分子 激素 神經(jīng)遞質(zhì) 抗原細(xì)胞粘附分子 藥物毒素等 并與之相結(jié)合的生物大分子 其化學(xué)本質(zhì)多為蛋白質(zhì) 個(gè)別是糖脂 它們能將生物活性分子產(chǎn)生的信息傳遞致應(yīng)器 從而引起相應(yīng)的生物效應(yīng) 配體 ligand 能與受體特異結(jié)合的生物活性分子 1 膜受體 membranereceptor 存在于細(xì)胞質(zhì)膜上的受體 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換信號(hào)的方式又分為三大類 離子通道受體 G蛋白偶聯(lián)受體和跨膜蛋白激酶受體 G蛋白的活性型和非活性型的互變 G蛋白 guanylatebindingprotein 是一類與GTP或GDP相結(jié)合 位于細(xì)胞膜胞漿面的外周蛋白 由 三個(gè)亞基組成 有兩種構(gòu)象 即非活化型和活化型 高度可變區(qū) 位于N端 具有轉(zhuǎn)錄活性DNA結(jié)合區(qū) 含有鋅指結(jié)構(gòu) 與特定的DNA序列 激素應(yīng)答元件 hormone responsiveelement HRE 相結(jié)合 激素結(jié)合區(qū) 位于C端 結(jié)合激素 熱休克蛋白 使受體二聚化 激活轉(zhuǎn)錄 2 胞內(nèi)受體 配體 類固醇激素 甲狀腺素等受體功能 多為反式作用因子 當(dāng)與相應(yīng)配體結(jié)合后 能與DNA的順式作用元件結(jié)合 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄 4 4 2信號(hào)傳導(dǎo)途徑 關(guān)于蛋白激酶與蛋白質(zhì)磷酸化蛋白磷酸化是機(jī)體調(diào)節(jié)的重要方式之一 通過兩種酶的催化來實(shí)現(xiàn) 蛋白激酶使底物蛋白磷酸化 而蛋白磷酸酯酶則催化去磷酸化反應(yīng) 蛋白磷酸化和去磷酸化成為機(jī)體中普遍存在的一種調(diào)節(jié)機(jī)理 在跨膜信息傳遞機(jī)理中 蛋白磷酸化的作用尤其重要 根據(jù)蛋白磷酸化的部位 可將蛋白激酶分為2類 一類對(duì)Ser或Thr殘基專一 統(tǒng)稱為Spk 絲氨酸蛋白激酶 是第二信使的主要靶蛋白 另一類對(duì)Tyr殘基專一 稱Tpk 酪氨酸蛋白激酶 4 4 3真核基因表達(dá)調(diào)控模式 舉例 A激酶 PKA 依賴于cAMP的蛋白激酶 1 蛋白質(zhì)磷酸化與信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá) cAMP調(diào)控的A激酶活性 cAMP活化糖原磷酸化酶示意圖 不同細(xì)胞對(duì)cAMP信號(hào)途徑的反應(yīng)速度不同 肌肉細(xì)胞在1秒鐘之內(nèi)即可啟動(dòng)糖原降解為葡糖1 磷酸 從而抑制糖原的合成 cAMP信號(hào)與基因表達(dá) 該信號(hào)途徑涉及的反應(yīng)鏈可表示為 激素 G蛋白耦聯(lián)受體 G蛋白 腺苷酸環(huán)化酶 cAMP 依賴cAMP的蛋白激酶A 基因調(diào)控蛋白 基因轉(zhuǎn)錄 在某些分泌細(xì)胞 需要幾個(gè)小時(shí) 激活的PKA進(jìn)入細(xì)胞核 將CRE結(jié)合蛋白磷酸化 調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá) CRE cAMPresponseelement cAMP應(yīng)答元件 DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域 CREB 即CRE結(jié)合蛋白 cAMPresponseelementboundprotein 激素穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞與激素受體蛋白結(jié)合 然后 受體和激素的復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)到核中 從而激活基因轉(zhuǎn)錄 2 類固醇激素對(duì)基因調(diào)控的作用 許多生物受熱誘導(dǎo)時(shí)能合成一系列熱休克蛋白 無論細(xì)菌還是高等真核生物 熱休克基因均散布于染色體的各個(gè)部位或不同染色體上 受熱后 果蠅細(xì)胞內(nèi)Hsp70mRNA水平提高1000倍 就是因?yàn)闊峒ひ蜃?heatshockfactor HSF 與hsp70基因TATA區(qū)上游60bp處的HSE相結(jié)合 激發(fā)了轉(zhuǎn)錄起始 研究發(fā)現(xiàn) 在沒有受熱或其它環(huán)境脅迫時(shí) HSF主要以單體形式存在于細(xì)胞質(zhì)和核內(nèi) 單體HSF沒有DNA結(jié)合能力 而Hsp70可能參與了維持HSF的單體形式 受到熱激或其它環(huán)境脅迫時(shí) 細(xì)胞內(nèi)變性蛋白增多 與HSF競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Hsp70 從而釋放HSF 使之形成三體并輸入核內(nèi) 3 熱激蛋白誘導(dǎo)的基因表達(dá) 熱激以后 HSF不但形成三體 還迅速被磷酸化 HSF與HSE的特異性結(jié)合 引起包括Hsp70在內(nèi)的許多熱激應(yīng)答基因表達(dá) 大量產(chǎn)生Hsp70蛋白 隨著熱激溫度消失 細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量游離的Hsp70蛋白 它們與HSF相結(jié)合 并使其脫離DNA序列 最終形成沒有DNA結(jié)合能力的單體 熱激誘導(dǎo)的hsp基因表達(dá) 5真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 5 1RNA前體的加工5 1 1各類RNA前體的加工45S的前體rRNA 經(jīng)切割 修飾為成熟的18S 28S 5 8S的rRNA tRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 一般認(rèn)為 tRNA基因的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后 首先經(jīng)過核苷的修飾 生成4 5S前體tRNA 再行剪接而成為成熟tRNA 4S 前體mRNA hnRNA 經(jīng)5 加帽 3 加尾 剪接 編輯和甲基化修飾等過程 才能成為成熟的mRNA rRNA前體的加工 分子內(nèi)的切割和化學(xué)修飾 rRNA化學(xué)修飾 甲基化 原核 堿基甲基化 真核 核糖甲基化 5 1 2真核蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)錄后加工的多樣性 真核生物的基因可以按其轉(zhuǎn)錄方式分為兩大類 即簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)錄單位和復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位 1 簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)錄單位 這類基因只編碼產(chǎn)生一種多肽 其原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有的需要加工 有的則不需要加工 這類基因轉(zhuǎn)錄后加工有3種不同形式 2 復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位 初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物能通過多種不同方式加工成兩種或兩種以上的mRNA 利用多個(gè)5 端轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)或剪接位點(diǎn)產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì) 利用多個(gè)加多聚 A 位點(diǎn)和不同的剪接方式產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì) 反式剪接反式剪接 trans splicing 發(fā)生于兩個(gè)RNA分子之間 某些真核mRNA前導(dǎo)序列的來歷 很可能是通過反式剪接而來的 順式剪接 cis splicing 發(fā)生于一個(gè)RNA分子內(nèi)部 將內(nèi)含子剪接掉 使外顯子連接在一起 關(guān)于mRNA前體的可變剪接通過不同的剪接 可由一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生出不同的成熟mRNA 從而翻譯出不同的蛋白質(zhì) 大多真核基因的mRNA前體只按一種方式剪接 因而只產(chǎn)生一種蛋白質(zhì) 可變剪接 alternatingsplicing 為某些mRNA前體按照選用不同的加尾位點(diǎn) 選用不同的剪接位點(diǎn) 剪接除去內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄物 產(chǎn)生兩種或兩種以上mRNA的剪接方式 5 2 1mRNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)翻譯的調(diào)控 5 2翻譯水平的調(diào)控 1 5 端非編碼區(qū) untranslatedregion UTR 的莖環(huán)結(jié)構(gòu)通常不利于翻譯的啟動(dòng) 2 3 端非編碼區(qū) 3 UTR 的莖環(huán)結(jié)構(gòu)通常提高mRNA的穩(wěn)定性 從而增大蛋白的翻譯量 3 編碼區(qū)的密碼子種類 影響翻譯的效率 稀有密碼子可降低翻譯的效率