真核基因表達調控課件

1、關于真核基因表達調控課件第一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 真核生物基因表達的調控9.1真核生物的基因結構與轉錄活性9.2真核基因的轉錄水平調控9.3反式作用因子的調控作用9.4真核基因轉錄調控的主要模式9.5其他水平的基因調控；第二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，不存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。 真核細胞DNA都與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。 高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內含子。 真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DN

2、A片段重排，還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數(shù)。真核基因組的一般結構特點第三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核基因組的一般結構特點 在真核生物中，基因轉錄的調節(jié)區(qū)相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5上游區(qū)DNA構來影響它與RNA聚合酶的結合能力。 真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經(jīng)轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復雜的成熟和剪接過程（maturation and splicing），才能順利地翻譯成蛋白質。第四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

3、022年6月91 真核生物DNA水平上的基因表達調控911 “開放”型活性染色質(active chromatin)結構對轉錄的影響 真核基因的活躍轉錄是在常染色質上進行的。轉錄發(fā)生之前，染色質常常會在特定的區(qū)域被解旋松弛，形成自由DNA。促進轉錄因子與啟動區(qū)DNA的結合，誘發(fā)基因轉錄。第五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月存在于“燈刷型”染色體（lamp brush）上的環(huán)形結構可能與基因的活性轉錄有關。第六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月912 基因擴增（amplification）基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象，它使細胞在短期內產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足

4、生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。 兩棲類和昆蟲卵母細胞rRNA基因的擴增。非洲爪蟾的染色體上有約450拷貝編碼18Sr RNA和28S rRNA的DNA，在卵母細胞中它們的拷貝數(shù)擴大了1000倍。第七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月913 基因重排與變換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錄，這種方式被稱為基因重排。 真核生物最典型的例子是免疫球蛋白在成熟過程中的重排以及酵母的交配型轉變。第八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 酵母細胞能通過一種被稱為交配型轉換第九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月914 DNA甲基化與基因活性的調控大量

5、研究表明，DNA甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。 DNA甲基化修飾現(xiàn)象廣泛存在于多種有機體中。 實驗證明，這個過程不但與DNA復制起始及錯誤修正時的定位有關，還通過改變基因的表達參與細胞的生長、發(fā)育過程及染色體印跡、X染色體失活等的調控。第十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月高等生物CpG二核苷酸序列中的C 通常是甲基化的，極易自發(fā)脫氨，生成胸腺嘧啶。 由于這些CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，這段序列往往被稱為CpG島。DNA甲基化第十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：（1）日常型甲基轉移酶：在甲基化

6、母鏈（模板鏈）指導下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。（2）從頭合成型甲基轉移酶：催化未甲基化的CpG成為mCpG，它不需要母鏈指導，但速度很慢。第十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月DNA甲基化抑制基因轉錄的機理 DNA甲基化導致某些區(qū)域DNA構象變化，從而影響了蛋白質與DNA的相互作用，抑制了轉錄因子與啟動區(qū)DNA的結合效率。DNA甲基化與X染色體失活X染色體失活是發(fā)育過程中獨特的調節(jié)機制。第十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月92 真核基因的轉錄 真核基因調控主要也是在轉錄水平上進行的，受大量特定的順式作用元件（cis-acting e

7、lement）和反式作用因子（transacting factor，又稱跨域作用因子）的調控，真核生物的轉錄調控大多數(shù)是通過順式作用元件和反式作用因子復雜的相互作用來實現(xiàn)的。第十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月順式作用元件(cis-acting elements)基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的一段DNA序列。9.2.1 啟動子 (1) 核心啟動子成分，如TATA框； (2) 上游啟動子成分（UPE），如CAAT框，GC框 (3) 遠上游順序（UAS） ：如增強子，減弱子、靜息子等。 (4) 特殊細胞中的啟動子成分：如淋巴細胞中的Oct（octamer）和B。第十五張，PP

8、T共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表 哺乳動物RNA Pol啟動子上游轉錄因子結合的序列元件（UPE）組件保守順序DNA長度結合因子大?。―a）豐度(/細胞) 分布TATA boxTATAAAA10bpTBP27,000?普遍CAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF160,000300,000普遍GC boxGGGCGG20bpSP1165,00060,000普遍OctamerATTTGCAT20bpOct-176,000?普遍OctamerATTTGCAT 23bpOct-252,000?淋巴細胞KBGGGACTTTCC10bpNFKB44,000?淋巴細胞KBGGGACTTT

9、CC10bpH2TH1?普遍ATFGTGACGT20bpATF?普遍第十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月9.2.2 增強子（Enhancer）增強子：是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。100-200bp長度，由若干組件構成，其基本核心組件常為8-12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。第十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月增強子通常具有下列特性 (1)增強效應十分明顯 一般能使基因轉錄頻率增加10200倍，有的可以增加上千倍，如經(jīng)人巨大細胞病毒增強子增強后的珠蛋白基閱表達頻率比該基因正常轉錄高600-1 000倍； 第十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

10、022年6月增強子通常具有下列特性 (2)增強效應與其位置和取向無關 不論增強子以什么方向排列(5一3，或3，一5)，甚至與靶基因相距3 000bp或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應；第十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月增強子通常具有下列特性(3)大多為重復序列 一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列：(C)TGGATATAT(C)，該序列是產(chǎn)生增強效應時所必需的；第二十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月增強子通常具有下列特性(4)其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性 說明增強子只有與特定蛋白質(轉錄因子)相互作用才能發(fā)揮功能；(5)沒有基因專一性，

11、可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應；(6)許多增強子還受外部信號的調控 ，如金屬硫蛋白基因啟動區(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。第二十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月9.2.3 沉默子 （silencer）負性調控元件，它與轉錄抑制因子結合抑制轉錄。最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細胞的T抗原受體基因的轉錄和重排中證實其存在。沉默子的作用特點：不受序列方向的影響，能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用。第二十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月93 反式作用因子 反式作用因子(transacting factor) ：能調節(jié)與它們接觸的基因的表達的

12、各種擴散分子（通常是蛋白質），如轉錄因子；其編碼基因與其識別或結合的靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上。轉錄因子(transcription factor)是起正調控作用的反式作用因子。轉錄因子是轉錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子。真核生物基因在無轉錄因子時處于不表達狀態(tài)，RNA聚合酶自身無法啟動基因轉錄。 第二十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月鋅指（Zinc finger region）螺旋-轉角-螺旋結構（helix-turn-helix，HLH） ；螺旋-環(huán)-螺旋結構（helix-loop-helix，HLH） ：亮氨酸“拉鏈”式二聚體（leucine zipper）；

13、第二十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月至少有兩個螺旋，其間由短肽段形成的轉角或環(huán)連接;距離正好相當于DNA一個螺距（3.4nm），兩個螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝。1螺旋轉折螺旋(helixturnhelix，HTH)結構第二十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2鋅指(zinc finger)結構Zn2+與4個Cys 、或2個Cys和2個His相結合。整個蛋白質分子有2-9個鋅指重復單位。每一個單位的指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個核苷酸。第二十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十八張，PPT共六十五頁，

14、創(chuàng)作于2022年6月A.經(jīng)典的鋅指結構,Cys2/His223aaCys- X2-4- Cys-X3-Phe- X5 -Leu- X2 -His- X3 -HisCys，His與Zn2+結合形成4面體結構，使中部的氨基酸回折成環(huán)，凸出如手指中部芳香族氨基酸保守，疏水串聯(lián)重復排列，兩指間7-8aa鋅指數(shù)目多少不等第二十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月B.SP1與GC盒結合的轉錄因子SP1中有連續(xù)的3個鋅指重復結構。第三十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月C.TF III A344aa，N端與DNA結合9個鋅指，每個30aa與5s rRNA基因內啟動子 （50bp)結合第三十一

15、張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月D.Cys2/Cys2 zinc fingerCys- X2- Cys-X13-Cys- X2- CysZn2+與4個Cys結合DNA結合序列較短，對稱無大量重復性鋅指 Cys2/Cys2與 Cys2/His2不同例如GAL4，酵母的轉錄因子, 哺乳類的固醇類激素受體第三十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月類固醇激素受體是以二聚體形式發(fā)揮其促進轉錄作用的。它們的兩個鋅指的功能不同。第1個鋅指的右側是控制與DNA結合的，第2個鋅指的左側則是控制形成二聚體的能力的。糖皮質激素特異性雌激素特異性第三十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3堿

16、性亮氨酸拉鏈(basic1eucine zipper) 即bZIP結構此種結構基元的特點是蛋白質的螺旋的一側集中了許多疏水氨基酸，兩分子蛋白質的這種疏水側面相互作用使之形成二聚體，這些螺旋的一個突出特點是頻繁出現(xiàn)亮氨酸，并且趨于每7個氨基酸殘基出現(xiàn)一個亮氨酸，這種出現(xiàn)頻率使得在形成螺旋時，亮氨酸出現(xiàn)在螺旋的疏水一側，并且直線排列 第三十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月-COOH，每隔7個氨基酸出現(xiàn)一個Leu，后所有Leu出現(xiàn)在同一側面，成直線排列，形成疏水面依靠Leu的疏水作用,2個helix 相互纏繞，形成拉鏈結構-NH2,富含堿性氨基酸，螺旋狀，堿性DNA結合域， 與DNA雙螺

17、旋鏈上帶負電荷的磷酸基團結合堿性-亮氨酸拉鏈（leucine zipper，ZIP）第三十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4堿性螺旋環(huán)螺旋(basichelixloophelix) 即bHLH結構。40-50aa含2個-helix（1516aa）, 由連接區(qū)（1228aa）連接；兩親性(amphipathic)；通過疏水面作用形成二聚體；NH2端為堿性結合區(qū)，16aa，其中6aa為保守序列。第三十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月MyoD-DNA 第三十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月缺乏堿性區(qū)的蛋白質，即使形

18、成（同、異）二聚體，也無法同DNA結合zyj278第三十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5.同源域蛋白同源域（homeo domains）：是指編碼60個保守氨基酸序列的DNA片段，它廣泛存在于真核生物基因組內，由于最早從果蠅中克隆得到，該遺傳位點的基因產(chǎn)物決定了軀體發(fā)育。第四十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月932 轉錄活化結構域 1帶負電荷的螺旋結構2富含谷氨酰胺的結構 3富含脯氨酸的結構 第四十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.富含谷氨酰胺的結構：SPl是啟動子GC盒的結合蛋白，除結合DNA的鋅指結構以

19、外，SPl共有4個參與轉錄活化的區(qū)域，其中最強的轉錄活化域很少有極性氨基酸，卻富含谷氨酰胺1帶負電荷的螺旋結構：這種酸性螺旋結構特異性誘導轉錄起始的活性并不是很強，它們可能與TFD復合物中某個通用因子或RNA聚合酶本身結合，并有穩(wěn)定轉錄起始復合物的作用。3富含脯氨酸的結構：CTFNFl因子的羧基端富含脯氨酸(達20-30)，很難形成螺旋。第四十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月94 真核基因轉錄調控的主要模式 9.4.1 蛋白質磷酸化、信號轉導及基因表達9.4.2 激素及其影響9.4.3 熱激蛋白誘導的基因表達9.4.4 金屬硫蛋白基因的多重調控第四十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月941 蛋白質磷酸化、信號轉導及基因表達 蛋白質的磷酸化是指由蛋白質激酶催化的把ATP或GTP上位的磷酸基轉移到底物蛋白質氨基酸殘基上的過程，其逆轉過程是由蛋白質磷酸酶催化的，稱為蛋白質脫磷酸化蛋白質的磷酸化與去磷酸化過程是生物體內普遍存在的信息傳導調節(jié)方式，幾乎涉及所有的生理及病理過程，如糖代謝、光合作用、細胞的生長發(fā)育、神經(jīng)遞質的合成與釋放甚至癌變等等。 第四十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 蛋白質磷酸化在細胞信號轉導中的作用(1)在胞內介導胞外信號時具有專一應答特點。與信號傳遞有關的蛋白激酶類主要受控于胞內信使，如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacy

21、l glycerol）等，這種共價修飾調節(jié)方式顯然比變構調節(jié)較少受胞內代謝產(chǎn)物的影響。(2)蛋白質的磷酸化與脫磷酸化控制了細胞內已有的酶“活性”。與酶的重新合成及分解相比，這種方式能對外界刺激做出更迅速的反應。(3)對外界信號具有級聯(lián)放大作用；(4)蛋白質的磷酸化與脫磷酸化保證了細胞對外界信號的持續(xù)反應。 被磷酸化的主要氨基酸殘基：絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸。組氨酸和賴氨酸殘基也可能被磷酸化。第四十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 真核細胞主要跨膜信號轉導途徑第四十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 蛋白激酶的種類與功能根據(jù)底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基的種類可分為三

22、大類： 絲氨酸/蘇氨酸型 這類蛋白激酶使底物蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化。酪氨酸型 被磷酸化的是底物的酪氨酸殘基。雙重底物特異性蛋白激酶 既可使絲氨酸和蘇氨酸殘基磷酸化又可使酪氨酸殘基磷酸化。第四十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)是否有調節(jié)物來分又可分成兩大類信使依賴性蛋白質激酶（messenger-dependent protein kinase），包括胞內第二信使或調節(jié)因子依賴性蛋白激酶及激素（生長因子）依賴性激酶兩個亞類；非信使依賴型蛋白激酶。第四十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 受cAMP調控的A激酶

23、被A激酶磷酸化的蛋白質其N端上游往往存在兩個或兩個以上堿性氨基酸，特異氨基酸的磷酸化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改變了這一蛋白的酶活性。PKA全酶由4個亞基組成(R2C2）包括兩個相同的調節(jié)亞基（R）和兩個相同的催化亞基（C）。全酶的分子量為150-170kD。第五十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月激素與其受體在肌肉細胞外表面相結合，誘發(fā)細胞質cAMP的合成并活化A激酶，再將活化磷酸基團傳遞給無活性的磷酸化酶激酶，活化糖原磷酸化酶，最終將糖原磷酸化，進入糖酵解并提供ATP。第五十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5. C激酶與PIP2、IP3和DAGC激酶（PK

24、C）是依賴于Ca2+的蛋白質激酶。主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，它具有一個催化結構域和一個調節(jié)結域。磷酸肌醇級聯(lián)放大的細胞內信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）的兩個酶解 產(chǎn)物：肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）和二?；视停―AG）。第五十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月6. CaM激酶及MAP激酶7. 酪氨酸蛋白激酶第五十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月8. 蛋白質磷酸化與基因表達 處于信號傳遞鏈終端的蛋白質磷酸化既能對許多酶蛋白及生理代謝過程起直接的調節(jié)作用，又能通過使轉錄因子磷酸化來調節(jié)基因活性。第五十

25、六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月942 激素及其影響許多類固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮質激素和雄激素）以及一般代謝性激素（如胰島素）的調控作用都是通過起始基因轉錄而實現(xiàn)的。 第五十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月943 熱激蛋白誘導的基因表達生物學上把能與某個（類）專一蛋白因子結合，從而控制基因特異表達的DNA上游序列稱為應答元件（response element），如熱激應答元件，糖皮質應答元件,金屬應答元件等等，這些應答元件與細胞內專一的轉錄因子相互作用，協(xié)調相關基因的轉錄。 第五十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月許多生物在最適溫度范圍以上，能受熱誘導合成一系列熱休克蛋白（heat shock protein）。受熱后，果蠅細胞內Hsp70 mR