真核生物基因表達的調(diào)控

1、第 10 章 真核生物基因表達的調(diào)控本章教學(xué)要求1 .熟悉真核基因組的結(jié)構(gòu)特點、 真核生物在DNA 水平、 轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上基因表達調(diào)控的特點。2 .掌握以下概念：順式作用元件、反式作用因子、啟動子、增強子，熟悉沉默子、基本轉(zhuǎn)錄因子、特異轉(zhuǎn)錄因子。3 .了解轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點。本章教學(xué)重點和難點1、真核生物在DNA 水平和轉(zhuǎn)錄水平基因表達調(diào)控的特點。2、轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點。教學(xué)方法與手段講授與交流互動相結(jié)合，采用多媒體教學(xué)。授課內(nèi)容10.1 真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類一、真核生物基因表達調(diào)控的特點原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個特定的環(huán)境中為細胞創(chuàng)造高速生長的條件，或使細胞在受到損傷時

2、，盡快得到修復(fù)，所以，原核生物基因表達的開關(guān)經(jīng)常是通過控制轉(zhuǎn)錄的起始來調(diào)節(jié)的。真核基因表達調(diào)控的最顯著特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn) " 預(yù)定" 的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。真核生物基因表達調(diào)控與原核的共同點：?基因表達都有轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，且以轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控為最重要；?在結(jié)構(gòu)基因上游和下游、甚至內(nèi)部存在多種調(diào)控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調(diào)控成分的結(jié)合與否調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。真核生物基因表達調(diào)控與原核的不同點：1、 真核基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)更多： 轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進行，具有多種原核生

3、物沒有的調(diào)控機制；個體發(fā)育復(fù)雜，具有調(diào)控基因特異性表達的機制。2、真核生物活性染色體結(jié)構(gòu)的變化對基因表達具有調(diào)控作用：DNA 拓撲結(jié)構(gòu)變化、 DNA堿基修飾變化 、組蛋白變化；3、 正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)， 且一個真核基因通常有多個調(diào)控序列， 需要有多個激活物。二、真核生物基因表達調(diào)控的種類根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素水平的升降，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(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，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可

4、分為：-DNA 水平調(diào)控 Replicational regulation一轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控transcriptional regulation一轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控post transcriptional regulation-翻譯水平調(diào)控translational regulation一蛋白質(zhì)力口工水平的調(diào)控regulation of protein maturation10.2 真核生物 DNA 水平上的基因表達調(diào)控一、基因丟失二、基因擴增三、基因重排四、 DNA 的甲基化與基因調(diào)控五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達調(diào)控一、基因丟失? 丟失一段 DNA 或整條染色體的現(xiàn)象。? 在細胞分化過程中， 可以通過丟

5、失掉某些基因而去除這些基因的活性。 某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。? 目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。圖 馬蛔蟲受精卵的早期分裂? 馬蛔蟲2n=2,但染色體上有多個著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下 2個子細胞。 第二次卵裂時，一個子細胞仍進行橫裂，保持完整的基因組，而另一個子細胞卻進行縱向分裂，丟失部分染色體。圖小麥瘤蚊的染色體丟棄瘤蚊卵跟果蠅相似（始核分裂胞質(zhì)不分裂），其卵的后端含有一種特殊的細胞質(zhì)極細胞質(zhì)核-保持了全部 40條染色體-生

6、殖細胞其他細胞質(zhì)區(qū)域核-丟失 32條、留8條-體細胞二、基因擴增? 基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的 基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。? 如非洲爪蟾卵母細胞中 rDNA的基因擴增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴增現(xiàn)象。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺 傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。三、基因重排? 將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為 基因重排。? 通過基因重排調(diào)

7、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。? 在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不 同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。? 完整的重鏈基因由 VH、D、J和C四個基因片斷組合而成。? 完整的輕鏈基因由 VL、J和C 3個片段組合而成。人類基因組中抗體基因片斷產(chǎn)生免疫球蛋白分子多樣性的遺傳控制重鏈和輕鏈的不同組合，K、入、H;在重鏈中，V、D、J和C片段的組合；k輕鏈中V和C的組合；入輕鏈中V、J和C的組合；基因片段之間的連接點也可以在幾個bp的范圍內(nèi)移動。因此，可以從約300個抗體基因片段中產(chǎn)生 109數(shù)量級的免疫球蛋白分子。四、 DNA 的甲基

8、化與基因調(diào)控1、 DNA 的甲基化? 胞嘧啶被甲基化修飾形成5- 甲基胞嘧啶(mC)? 幾乎所有的 mC 與其3的鳥嘌呤以5 mCpG3 的形式存在。? 當兩條鏈上的胞嘧啶都被 甲基化時稱為完全甲基化。? 一般在復(fù)制剛完成時，子鏈上的 C 呈非甲基化狀態(tài)，稱 為半甲基化。? 在真核生物中，5- 甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG 序列、 CpXpG 、 CCA/TGG 和 GATC 中? CpG 二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA 上， CpG 島甲基化位點的檢測? 特殊的限制性內(nèi)切酶同裂酶?Hpa n識別并切割未甲基化的CCGG (C J CGG)?Msp I識別無論是否甲基化的CCGG (C J CGG

9、或C J CmGG)真核生物細胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：? 構(gòu)建性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于非甲基化位點，對發(fā)育早期 DNA 甲基化位點的確定起重 要作用。? 維持性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于半甲基化位點，使子代細胞具備親代的甲基化狀態(tài)。? 在一些不表達的基因中，啟動區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化 程度較低。2、 親本印記(imprinting)? E叮己：來源于父母本的一對等位基因表達不同。如源于父本的IGF-n (胰島素樣生長因子n)基因可表達，而源于母本的則不能表達。這是由于卵母細胞中的IGF- n已被甲基化，而精子中的IGF-n未被甲基化，所以這一對等位基因在合子中表現(xiàn)不同。? 目前

10、在人類和鼠身上已辨明了 20 種印跡基因。大多數(shù)人類的印跡基因集中在三個簇中。在每個基因簇上都存在著特異的印記盒(imprinting box) ，能順式調(diào)節(jié)印跡基因的親本特異性表達，這些位點表現(xiàn)出親本特異性的甲基化作用和去甲基化作用。3、 DNA 甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機理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)錄因子與啟動區(qū)DNA 的結(jié)合效率。五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達調(diào)控（一）活性染色質(zhì)? 按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)：? 活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；? 非活性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。? 真核細

11、胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的 DNA ， 因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)， 即是否處于活化狀態(tài)是決定 RNA 聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵?；钚匀旧|(zhì)的主要特點? 在結(jié)構(gòu)上：? 活性染色質(zhì)上具有DNase I 超敏感位點? 活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)? 活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（ MAR 序列）活性染色質(zhì)上具有DNase I 超敏感位點。 每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因5'端啟動子區(qū)域。活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū) （ matrix attachment region ， MAR ）。 MAR 一般位于 DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。在外

12、源基因兩端接上MAR ，可增加基因表達水平10 倍以上，說明 MAR 在基因表達調(diào)控中有作用。是一種新的基因調(diào)控元件。（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1、對核酸酶敏感 活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。2、 DNA 拓撲結(jié)構(gòu)變化? 天然雙鏈 DNA 均以負性超螺旋構(gòu)象存在；? 基因活化后3、 DNA 堿基修飾變化- 真核DNA約有5%的胞喀咤被甲基化，- 甲基化范圍與基因表達程度呈反比。4、組蛋白變化 富含 Lys 組蛋白水平降低 H2A, H2B 二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾：高乙?；?H3 組蛋白巰基暴露10.3 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控一、真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的差異

13、1 .真核生物轉(zhuǎn)錄過程涉及復(fù)雜的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化；2 .原核生物調(diào)節(jié)元件種類少，真核很多；3 .原核生物有操縱子結(jié)構(gòu)，真核不組成操縱子；4 .大多數(shù)真核生物啟動子以正調(diào)控為主，原核生物以負調(diào)控為主。“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。二、真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控順式作用元件（ cis-acting element ）定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA 序列。例： 啟動子、增強子、沉默子等1、啟動子：在DNA 分子中， RNA 聚合酶能夠識別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。2、增強子指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA 序列。SV40 的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)

14、，轉(zhuǎn)錄起始位點上游約200 bp 處有兩段長72 bp 的正向重復(fù)序列。增強子特點： 增強效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加 10-200 倍 增強效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)，不論增強子以什么方向排列（5 '-3'或3 '-5'）,甚至和靶基因相距3 kb ，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應(yīng)；大多為重復(fù)序列，一般長約50bp,適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個核心序列： （ G） TGGA/TA/TA/T （ G ） ，該序列是產(chǎn)生增強效應(yīng)時所必需的； 增強效應(yīng)有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強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； 沒

15、有基因?qū)Ｒ恍裕梢栽诓煌幕蚪M合上表現(xiàn)增強效應(yīng)； 許多增強子還受外部信號的調(diào)控， 如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子， 就可 以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。3、沉默子某些基因含有負性調(diào)節(jié)元件一一沉默子，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作 用。三、反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子，transcription factor ）（一）定義，也能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì) 稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factor , TF）。如：TF II D （TATA）、CTF （CAAT）、SPI（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）反式

16、作用因子識別/結(jié)合順式作用元件中的靶序列啟動轉(zhuǎn)錄例：轉(zhuǎn)錄因子 TF n D 識別結(jié)合 TATA box轉(zhuǎn)錄因子SP1識別結(jié)合 GC box轉(zhuǎn)錄因子CTF1 識別結(jié)合 CCAATbox（二）反式作用因子的類型1 .基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）又稱TATA盒結(jié)合蛋白，如 TF I、TFH和TFIII等。 與RNA pol II相關(guān)的基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子）2 .組織或細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子EF1因子Isl-I因子Myo DI因子NF- K B因子DF3因子CEA啟動子結(jié)合蛋白紅細胞胰島3細胞骨骼肌細胞B淋巴細胞乳腺癌細胞CEA陽性的腫瘤細胞高溫環(huán)境cAMP血清中的生長因子抗原感染與炎癥

17、反應(yīng)3 .可誘導(dǎo)（inducible）的轉(zhuǎn)錄因子熱休克轉(zhuǎn)錄因子（HSTF）cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREBF）血清應(yīng)激因子（SRF）CD28反應(yīng)元件結(jié)合蛋白激活蛋白2（AP-2）（三）轉(zhuǎn)錄因子上的幾種重要結(jié)構(gòu)域? 反式因子有兩個必需的結(jié)構(gòu)域1、 DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域- 螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋(Helix-turn-helix , H-T-H )一鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger)- 堿性-亮氨酸拉鏈(basic - leucine zipper)- 堿性-螺旋-環(huán)-螺旋(basic - helix /loop /helix , bHLH )? 螺旋 -轉(zhuǎn)角 -螺旋( helix-turn-helix

18、 ， HTH )? HTH的基本結(jié)構(gòu)是兩個“螺旋被一個轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)分開。? a螺旋由短肽鏈組成，肽鏈的氨基酸順序因不同的轉(zhuǎn)錄因子而不同。? 其中一個a螺旋識別特異的順式作用元件上的DNA序列，另一個a螺旋則結(jié)合在DNA 上，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。螺旋 -轉(zhuǎn)折 -螺旋結(jié)構(gòu)圖( 2)鋅指結(jié)構(gòu)定義：是一種常出現(xiàn)在 DNA 結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元。是由一個含有大約 30 個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的 4 個 Cys 或 2 個 Cys 和 2 個 His 配位的 Zn 構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。? 鋅指的N-端部分形成3折疊結(jié)構(gòu)，C-端部分形成“螺旋結(jié)構(gòu)? 每個a螺旋有兩處識別特異的DNA序列；3個a螺旋結(jié)構(gòu)與一個

19、 DNA雙螺旋的深溝( major groove )結(jié)合，調(diào)控RNA 的轉(zhuǎn)錄。?a螺旋的氨基酸順序視不同的轉(zhuǎn)錄因子而不同。轉(zhuǎn)錄因子 SP1 ( GC 盒) 、連續(xù)的 3 個鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)( 3)堿性 -亮氨酸拉鏈( Leucine zipper )? 蛋白質(zhì)之間的相互作用是生命現(xiàn)象的普遍規(guī)律之一，在基因表達調(diào)控中同樣具有重要意義。? 亮氨酸拉鏈是蛋白質(zhì)二聚體化(蛋白質(zhì)相互作用的一種方式)的一種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。? 某些癌基因(如 c-jun ， v-jun ， c-fos， v-fos 等)表達產(chǎn)物通過亮氨酸拉鏈形成同源或異源二聚體，大大增加對DNA 的結(jié)合能力，調(diào)控基因表達。?亮氨酸拉鏈是一個高亮氨酸組成的a螺旋，每兩個螺圈出現(xiàn)一個亮氨酸，形成拉鏈的一邊。兩個蛋白質(zhì)因子的a螺旋通過亮氨酸的疏水作用結(jié)合在一起形成拉鏈結(jié)構(gòu) 在亮氨酸拉鏈近 N-端有富含堿性（帶正電荷）氨基酸殘基的區(qū)域，是 DNA的結(jié)合區(qū)。亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)? 二聚體?亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。? 肽鏈氨基端2030個富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與 DN