真核生物基因表達調(diào)控ppt課件

1、DNAhnRNAmRNA蛋白質(zhì)前體蛋白質(zhì)前體活性蛋白質(zhì)活性蛋白質(zhì)mRNA降解物降解物核核細胞質(zhì)細胞質(zhì)染色體、染色質(zhì)、染色體、染色質(zhì)、水平上的調(diào)控水平上的調(diào)控轉錄調(diào)控轉錄調(diào)控轉錄后加工調(diào)控轉錄后加工調(diào)控轉運調(diào)控轉運調(diào)控翻譯調(diào)控翻譯調(diào)控mRNA降解的調(diào)控降解的調(diào)控翻譯后加工翻譯后加工的調(diào)控的調(diào)控（一）真核生物（一）真核生物基因表達多層次性基因表達多層次性（二）真核生物基因表達調(diào)控的種類（二）真核生物基因表達調(diào)控的種類涉及基因的迅速打開和關閉，刺激涉及基因的迅速打開和關閉，刺激信號主要是信號主要是激素激素和和生長因子生長因子短期調(diào)控短期調(diào)控或或可逆性調(diào)控可逆性調(diào)控：長期調(diào)控長期調(diào)控或或不可逆性調(diào)控不

2、可逆性調(diào)控：基因基因永久性永久性或或半永久性半永久性地開啟和地開啟和關閉，不可逆地改變細胞生化特關閉，不可逆地改變細胞生化特征，征，最終導致細胞分化最終導致細胞分化（一）基因丟失（一）基因丟失Definition: 在細胞分化過程中，通過在細胞分化過程中，通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。（二）基因擴增（二）基因擴增Definition: （amplification of gene）指基因組中特定基因指基因組中特定基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。（三（三）染色體重排染色體重排(chromosome rearrangem

3、ent)（一（一）染色質(zhì)的結構染色質(zhì)的結構DNA組蛋白組蛋白核小體核小體染色質(zhì)染色質(zhì) 組蛋白是組蛋白是富含精氨酸和賴氨酸的堿性蛋白富含精氨酸和賴氨酸的堿性蛋白，有有H1、H2A、H2B、H3和和H4共共5種。種。染色質(zhì)折疊的放射環(huán)模型染色質(zhì)折疊的放射環(huán)模型核小體顆粒的晶體結構核小體顆粒的晶體結構 H1的直接功能是阻的直接功能是阻止核小體的移動，阻礙止核小體的移動，阻礙DNA序列進一步暴露。序列進一步暴露。 除去除去H1會活化部分會活化部分轉錄活性，是染色質(zhì)活轉錄活性，是染色質(zhì)活化的重要事件化的重要事件（二（二）染色質(zhì)的染色質(zhì)的3種狀態(tài)種狀態(tài)阻遏狀態(tài)阻遏狀態(tài)活性狀態(tài)活性狀態(tài)激活狀態(tài)激活狀態(tài)（三（

4、三）異染色質(zhì)化異染色質(zhì)化常染色質(zhì)常染色質(zhì)（euchromatin）異染色質(zhì)異染色質(zhì)（heterochromatin）組成型異染色質(zhì)組成型異染色質(zhì)DNA不含有基因不含有基因兼性異染色質(zhì)沒有兼性異染色質(zhì)沒有持久的活性，由常持久的活性，由常染色質(zhì)凝聚而成染色質(zhì)凝聚而成著絲粒、端粒、核仁形成區(qū)著絲粒、端粒、核仁形成區(qū)（四（四）組蛋白的修飾組蛋白的修飾（ Histone modification ）核心組蛋白的修飾核心組蛋白的修飾乙酰化乙?；?acetylation)甲基化甲基化(methylation)磷酸化磷酸化(phosphorylation)乙酰化是最早發(fā)現(xiàn)與轉錄有關的組蛋白修飾方式乙?；亲钤?/p>

5、發(fā)現(xiàn)與轉錄有關的組蛋白修飾方式組蛋白修飾與基因活性的關系組蛋白修飾與基因活性的關系1.1.核心組蛋白的修飾核心組蛋白的修飾Acetylation occurs in two different circumstancesduring DNA replicationDNA復制時，同時要合成復制時，同時要合成新的組蛋白。新的組蛋白。在組蛋白組在組蛋白組裝成核小體之前被乙酰化裝成核小體之前被乙?；?，組裝完成后又去乙?；M裝完成后又去乙酰化when genes are activated組蛋白乙?；M蛋白乙?；故够蚩刂茀^(qū)與核小基因控制區(qū)與核小體偶聯(lián)變得松弛體偶聯(lián)變得松弛，使染色質(zhì)變成活性使染色

6、質(zhì)變成活性狀態(tài)。狀態(tài)。許多組蛋白乙酰化酶是以往鑒定過的許多組蛋白乙?；甘且酝b定過的激活蛋白或輔激活蛋白激活蛋白或輔激活蛋白（coactivator）。）。CBP/p300可乙酰化可乙?；疕4 的的N 端尾端尾，PCAF 可乙?；梢阴；疕3 的的N端尾端尾去乙?；c基因活性的阻遏有關去乙?；c基因活性的阻遏有關 在酵母中，在酵母中，SIN3SIN3和和Rpd3 Rpd3 與與Ume6 Ume6 形成復合物，能阻遏該啟形成復合物，能阻遏該啟動子轉錄。動子轉錄。Rpd3 Rpd3 有組蛋白去乙有組蛋白去乙?；富钚怎；富钚越M蛋白修飾與基因活性的關系組蛋白修飾與基因活性的關系活性染色質(zhì)特征活性

7、染色質(zhì)特征（五（五）染色質(zhì)的重塑染色質(zhì)的重塑（chromation remodeling）Definition: 染色質(zhì)和單個核小體內(nèi)染色質(zhì)和單個核小體內(nèi)發(fā)生的任何可檢測到的變化發(fā)生的任何可檢測到的變化兩兩種種改改變變?nèi)救旧|(zhì)質(zhì)結構結構的的模模型型占先模型占先模型(Pre-emptive model)動力學模型動力學模型(Dynamic model)占先模型占先模型(Pre-emptive model) 如果在啟動子部位如果在啟動子部位形成了核小體，則轉錄形成了核小體，則轉錄因子和聚合酶不能與因子和聚合酶不能與DNA 結合，反之亦然。結合，反之亦然。動力學模型動力學模型(Dynamic mo

8、del) 在在ATP水解釋放能水解釋放能量的驅動下，各種轉錄量的驅動下，各種轉錄因子將核小體從因子將核小體從DNA中中置換出來。置換出來。染染色色質(zhì)質(zhì)重塑復合物重塑復合物染染色色質(zhì)質(zhì)重塑復合物的作用機理重塑復合物的作用機理染色質(zhì)活化過程染色質(zhì)活化過程（1）轉錄因子結合于）轉錄因子結合于特定序列特定序列（2 2）染）染色色質(zhì)質(zhì)重塑重塑復合物結合復合物結合（3）轉錄因子被釋放）轉錄因子被釋放轉錄因子、組蛋白乙?；皋D錄因子、組蛋白乙?；负秃腿旧|(zhì)重塑復合體染色質(zhì)重塑復合體的的結合順序因啟動子的不同而不同。結合順序因啟動子的不同而不同。染色質(zhì)結構重塑染色質(zhì)結構重塑（4 4）乙?；笍秃衔锝Y合）乙酰

9、化酶復合物結合組蛋白被修飾組蛋白被修飾（六（六）活性染色質(zhì)的活性染色質(zhì)的DNase敏感性敏感性人類人類-珠蛋白基因簇的超敏感位點珠蛋白基因簇的超敏感位點（七（七）染色質(zhì)的功能區(qū)域染色質(zhì)的功能區(qū)域1.基因座控制區(qū)基因座控制區(qū)(locus control region, LCR)LCR最初是在研究最初是在研究地中海貧血病地中海貧血病的過程中被發(fā)現(xiàn)的，的過程中被發(fā)現(xiàn)的，地中海貧血是一種由地中海貧血是一種由或或珠蛋白缺陷導致的血液病。珠蛋白缺陷導致的血液病。許多地中海貧血是由珠蛋白基因編碼區(qū)突變造成的，許多地中海貧血是由珠蛋白基因編碼區(qū)突變造成的，但是但是也有一些地中海貧血是由于也有一些地中海貧血是由

10、于珠蛋白基因簇上游珠蛋白基因簇上游12 Kb的區(qū)域發(fā)生大范圍缺失，導致了整個基因簇沉默。的區(qū)域發(fā)生大范圍缺失，導致了整個基因簇沉默。因此，因此，LCR具有增強轉錄的功能。具有增強轉錄的功能。2.核基質(zhì)結合區(qū)核基質(zhì)結合區(qū)（matrtix associated region, MAR）Definition: 染色質(zhì)染色質(zhì)通過通過DNA特定序列結合特定序列結合在核基質(zhì)蛋白質(zhì)上在核基質(zhì)蛋白質(zhì)上，形成環(huán)狀結構。，形成環(huán)狀結構。這特定的這特定的DNA序列稱為核基質(zhì)結合區(qū)序列稱為核基質(zhì)結合區(qū) MAR功能功能：限定：限定DNA的環(huán)，使環(huán)狀結構成為的環(huán)，使環(huán)狀結構成為 相對獨立的結構功能單位相對獨立的結構功能單

11、位Definition: :可以阻止激活或失活效應傳向可以阻止激活或失活效應傳向相鄰的結構功能單位的相鄰的結構功能單位的DNA序列序列3.限定子（限定子（delimiter）或絕緣子（或絕緣子（insulator）絕緣子的功能絕緣子的功能增強子屏蔽的活性增強子屏蔽的活性。在啟動子和增強子之間的絕緣。在啟動子和增強子之間的絕緣子阻止啟動子接受增強子的轉錄激活影響子阻止啟動子接受增強子的轉錄激活影響阻礙物活性阻礙物活性。在啟動子和濃縮、阻礙狀態(tài)的染色質(zhì)。在啟動子和濃縮、阻礙狀態(tài)的染色質(zhì)之間的絕緣子可以阻止啟動子受到濃縮染色質(zhì)（由之間的絕緣子可以阻止啟動子受到濃縮染色質(zhì)（由沉默子誘導）阻抑基因轉錄的

12、影響沉默子誘導）阻抑基因轉錄的影響滑動模型滑動模型。當激活蛋白結合到增強子上，刺激信號或激活蛋。當激活蛋白結合到增強子上，刺激信號或激活蛋白本身沿白本身沿DNA滑向啟動子。而絕緣子可能與一個或多個蛋白滑向啟動子。而絕緣子可能與一個或多個蛋白結合，阻擋滑向啟動子的信號。結合，阻擋滑向啟動子的信號。環(huán)化模型環(huán)化模型。兩個絕緣子將一個增強子隔離出來。當?shù)鞍踪|(zhì)結。兩個絕緣子將一個增強子隔離出來。當?shù)鞍踪|(zhì)結合到這些絕緣子上后，它們相互作用，將增強子隔離在環(huán)形合到這些絕緣子上后，它們相互作用，將增強子隔離在環(huán)形結構中，從而不能激活附近啟動子的轉錄。結構中，從而不能激活附近啟動子的轉錄。絕緣子活性機理的兩種

13、假說絕緣子活性機理的兩種假說果蠅兩個串聯(lián)基因上的絕緣子效應果蠅兩個串聯(lián)基因上的絕緣子效應DNA結構域可能有以下三種位點結構域可能有以下三種位點（一（一）DNA的甲基化（的甲基化（methylation）甲基化位點主要在甲基化位點主要在CpG序列序列半甲基化半甲基化全甲基化全甲基化DNA甲基化的檢測甲基化的檢測nMspI能切割能切割甲基化或非甲基化的甲基化或非甲基化的CCGG序列序列MspIHpaIIMspI酶切酶切HpaII酶切酶切DNA甲基化與基因活性甲基化與基因活性DNA甲基化抑制轉錄機理甲基化抑制轉錄機理MeCP-1CH3CH3CH3CH3CH3TFRNA polIIMeCP-1可與多個

14、甲基化的可與多個甲基化的CpG位點結合位點結合MeCP-2CH3CH3CH3CH3CH3SIN3HDACTFRNA polIIMeCP-2能結合到能結合到單個甲基化的單個甲基化的CpG 堿基對堿基對上，上，還結合還結合Sin3 阻遏復合體阻遏復合體(含含HDAC活性活性)，CpG島（島（ CpG rich islands）富含富含CpG的區(qū)段稱為的區(qū)段稱為CpG島島啟動子啟動子調(diào)控元件調(diào)控元件增強子增強子（enhancer）沉默子沉默子（ silencer）核心啟動子核心啟動子(core promotor)上游啟動子元件上游啟動子元件(upstream promotor element, UP

15、E)基本啟動子基本啟動子(basal promotor)轉錄起始位點轉錄起始位點(Inr)（一（一）啟動子（啟動子（promotor）核心啟動子核心啟動子(core promotor)TATA-box： TBP的結合位點，決定轉錄方向、的結合位點，決定轉錄方向、 起始位點起始位點啟動子上游元件啟動子上游元件(UPE)CCAAT-box: CTF、C/EBP的結合位點的結合位點GC-box: sp1的結合位點的結合位點 UPE影響轉錄起始頻率，增強轉錄起始復影響轉錄起始頻率，增強轉錄起始復合物的組裝能力合物的組裝能力在酵母中稱為在酵母中稱為上游激活元件上游激活元件（UAS）（二（二）增強子（增強

16、子（ enhancer ）SV40早期基因調(diào)控區(qū)的結構早期基因調(diào)控區(qū)的結構Definition: 指能使與它連鎖的基因轉錄效率指能使與它連鎖的基因轉錄效率明顯增加，并且無方向和位置依賴性明顯增加，并且無方向和位置依賴性的的DNA序列。序列。1.1.增強子的特點增強子的特點r2b基因中的增強子元件是無方向和位置效應的基因中的增強子元件是無方向和位置效應的a.構建突變質(zhì)粒構建突變質(zhì)粒：將：將X2-X3區(qū)域（包含增強子）切除后區(qū)域（包含增強子）切除后通過四種方式重新插到基因中。通過四種方式重新插到基因中。質(zhì)粒質(zhì)粒A和和B： X2-X3片段被片段被正向或反向插到原位置正向或反向插到原位置。質(zhì)粒質(zhì)粒C和

17、和D： X2-X3片段被片段被正向或反向插到另一個正向或反向插到另一個XbaI酶切位點酶切位點，位于基因上游幾百堿基處。位于基因上游幾百堿基處。b.結果表明，結果表明，增強子無方向和位置效應增強子無方向和位置效應。2.2.增強子的種類增強子的種類組織和細胞專一性增強子組織和細胞專一性增強子誘導性增強子誘導性增強子只在特定組織和細胞中，特定的轉錄因子與之只在特定組織和細胞中，特定的轉錄因子與之結合，才能發(fā)揮功能。結合，才能發(fā)揮功能。由于調(diào)控因子本身活性是誘導性的，造成對增強由于調(diào)控因子本身活性是誘導性的，造成對增強子的結合和增強子活性有可誘導性子的結合和增強子活性有可誘導性3.3.增強子的作用機

18、理增強子的作用機理 三種假說三種假說a.拓撲結構的改變。拓撲結構的改變。激活因子與增強子結合，促進激活因子與增強子結合，促進DNA的拓撲結構或形狀發(fā)生改變，使啟動子向通用轉的拓撲結構或形狀發(fā)生改變，使啟動子向通用轉錄因子敞開。錄因子敞開。b.滑動滑動。激活因子與增強子結合，沿。激活因子與增強子結合，沿DNA滑動直至啟滑動直至啟動子，與啟動子直接相互作用激活轉錄。動子，與啟動子直接相互作用激活轉錄。c.環(huán)化。環(huán)化。激活因子與增強子結合，使增強子與啟動子激活因子與增強子結合，使增強子與啟動子之間的之間的DNA環(huán)化，促進結合蛋白間的互作并激活轉錄。環(huán)化，促進結合蛋白間的互作并激活轉錄。增強子功能的要

19、點，實質(zhì)上是增強子功能的要點，實質(zhì)上是結合于增強子結合于增強子的激活因子的激活因子與與結合于啟動子的普遍性轉錄因結合于啟動子的普遍性轉錄因子之間的子之間的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。蛋白質(zhì)相互作用。4.多個增強子（多個增強子（Multiple Enhancers）的作用的作用金屬硫蛋白金屬硫蛋白(Metallothionein，MT)基因基因是是單一基因受多種不同機制調(diào)控單一基因受多種不同機制調(diào)控的例子的例子金屬應答元件金屬應答元件(MRE)在應答重金屬時激活基因轉錄在應答重金屬時激活基因轉錄GC框框:轉錄激活因子轉錄激活因子Sp1的應答元件的應答元件本底水平增強子本底水平增強子(BLE):

20、轉錄激活因子轉錄激活因子AP-1的應答元件的應答元件糖皮質(zhì)激素應答元件糖皮質(zhì)激素應答元件(GRE):可被可被糖皮質(zhì)激素和受體組成糖皮質(zhì)激素和受體組成的激活因子的激活因子激活轉錄激活轉錄金屬硫蛋白金屬硫蛋白是真核細胞中幫助細胞是真核細胞中幫助細胞對付重金屬中毒對付重金屬中毒的防御性機制的防御性機制海膽海膽Endo16基因的多增強子模塊的排布情況基因的多增強子模塊的排布情況 激活因子的不同組合，就會在不同細胞中造成激活因子的不同組合，就會在不同細胞中造成基因不同水平的表達基因不同水平的表達大號和中號的彩色橢圓形和長方形表示大號和中號的彩色橢圓形和長方形表示激活因子激活因子；橙色小橢圓形表示橙色小橢

21、圓形表示結構轉錄因子結構轉錄因子；增強子成簇排列增強子成簇排列，分別記為，分別記為G,F,E,DC,B和和A；長垂直線代表限定模塊的限制性位點；長垂直線代表限定模塊的限制性位點；BP為為基本啟動子基本啟動子。P568海膽海膽Endo16基因中模塊基因中模塊A的綜合功能的綜合功能(a)在在早期發(fā)育早期發(fā)育中中,模塊模塊A是唯一開啟的模塊是唯一開啟的模塊,它通過基本啟動子它通過基本啟動子(BP)刺激基因轉錄刺激基因轉錄.(b)在在中胚層的晚期發(fā)育中胚層的晚期發(fā)育中中,模塊模塊A通過通過整合模塊整合模塊G和和B的作用的作用,共同共同刺刺激轉錄激轉錄.(c)在在外胚層的晚期發(fā)育外胚層的晚期發(fā)育中中,模

22、塊模塊A通過通過整合模塊整合模塊F和和E的作用的作用,阻遏基阻遏基因轉錄因轉錄.(d)在在成骨間質(zhì)細胞的晚期發(fā)育成骨間質(zhì)細胞的晚期發(fā)育中中,模塊模塊A整合模塊整合模塊DC的作用的作用,抑制基抑制基因轉錄因轉錄.(e)LiCl處理處理能能逆轉逆轉來自模塊來自模塊A外胚層和成骨間質(zhì)細胞的外胚層和成骨間質(zhì)細胞的阻遏信號阻遏信號,刺刺激基因轉錄激基因轉錄.Definition: 基因的基因的負調(diào)控元件負調(diào)控元件，當其結合特異，當其結合特異蛋白因子時，蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用對基因轉錄起阻遏作用。（三（三）沉默子（沉默子（ silencer ）（四（四）應答元件應答元件(Response ele

23、ment) 能與某個（類）專一蛋白因子結合，從而控制能與某個（類）專一蛋白因子結合，從而控制基因特異表達的基因特異表達的DNA上游序列上游序列應答元件能被在一些特定情況下表達的調(diào)控因子識別應答元件能被在一些特定情況下表達的調(diào)控因子識別熱激反應熱激反應是是單一因子調(diào)控多個基因單一因子調(diào)控多個基因的例子的例子HSTF (heat shock transcription factor ):熱休克熱休克(基因基因)轉錄因子轉錄因子 DNA結合結構域結合結構域(DNA binding domain)轉錄激活結構域轉錄激活結構域(Transcription activation domains)自身活性的

24、自身活性的調(diào)控結構域調(diào)控結構域調(diào)控因子的結構特性調(diào)控因子的結構特性（一（一） DNA結合結構域結合結構域（DNA binding domain）螺旋螺旋- -轉角轉角- -螺旋（螺旋（ Helix-turn-helix，HTH）識別螺旋識別螺旋，與靶序列，與靶序列DNA的大溝結合的大溝結合鋅指結構（鋅指結構（zinc finger） Cys2/ Cys2型型Cys2 / His2型型見于見于甾體激素受體甾體激素受體見于見于SP1，TF A等等Cys2 / His2型型鋅指可以形成鋅指可以形成-螺旋螺旋而插入而插入DNA的大溝中的大溝中Cys2 / Cys2型型GlyGlyGlnSer糖皮質(zhì)激素

25、特異性糖皮質(zhì)激素特異性 雌激素特異性雌激素特異性亮氨酸拉鏈（亮氨酸拉鏈（leucine zipper）亮氨酸亮氨酸拉鏈拉鏈堿性區(qū)堿性區(qū)C/EBPJunFosGCN4螺旋螺旋- -環(huán)環(huán)- -螺旋（螺旋（helix /loop /helix，HLH）（二（二）轉錄激活結構域轉錄激活結構域 （Transcription activation domains）酵母的酵母的MT基因基因啟動子啟動子ACE1無活性無活性Cu2+ACE1有活性有活性ACE1（三（三） 轉錄調(diào)控因子自身活性的調(diào)控轉錄調(diào)控因子自身活性的調(diào)控類固醇激素類固醇激素（如（如糖皮質(zhì)激素）糖皮質(zhì)激素）n脂溶性的，脂溶性的，n能夠穿過細胞膜

26、能夠穿過細胞膜與與類固醇激素受類固醇激素受體體（轉錄因子）（轉錄因子）相互作用。相互作用。steroidGREInhibitor(HSP90)Glucocorticoid receptorDissociation, dimerization調(diào)控因子的核內(nèi)定位調(diào)控因子的核內(nèi)定位與與DNA的結合活性的結合活性調(diào)控轉錄活性調(diào)控轉錄活性GHGH receptorJAKJAKPSTATPSTATTarget geneSTATSTATJAK-STAT pathway （四（四）轉錄激活因子的作用方式轉錄激活因子的作用方式3.建構性轉錄因子或結構轉錄因子建構性轉錄因子或結構轉錄因子（architectural transcription factor）人人T細胞受體細胞受體鏈（鏈（TCR ）基因的調(diào)控區(qū)基因的調(diào)控區(qū)LEF-1是是淋巴組織增強子結合因子淋巴組織增強子結合因子（lymphoid enhancer binding factor）,本身并不能活化本身并不能活化TCR 基因基因的轉錄，它是的轉錄，它是通過結合到增強子的小溝內(nèi)