真核生物基因表達(dá)調(diào)控eukaryoticgeneregulationwxj

第1頁/共81頁第一頁，共82頁。基因激活轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等翻譯翻譯后加工轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄起始多階段調(diào)控（Multi-stage）最關(guān)鍵的一步?第2頁/共81頁第二頁，共82頁?；虮磉_(dá)的時間特異性第3頁/共81頁第三頁，共82頁?；虮磉_(dá)的空間特異性第4頁/共81頁第四頁，共82頁。第一節(jié)FeaturesofEukaryoticGeneRegulation真核基因表達(dá)調(diào)控的特征第5頁/共81頁第五頁，共82頁。順式作用元件Cis-actingelements反式作用因子Trans-actingfactors基因表達(dá)調(diào)控第6頁/共81頁第六頁，共82頁。一、順式作用元件exon1intron1exonnintronn上游下游轉(zhuǎn)錄起始點增強(qiáng)子沉默子啟動子TATA盒GC盒CAAT盒增強(qiáng)子第7頁/共81頁第七頁，共82頁。一、順式作用元件

存在于基因內(nèi)外，與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識別和結(jié)合的特定的DNA序列稱為順式作用元件（cis-actingelements）。主要包括啟動子(pomoter)、增強(qiáng)子(enhancer)和沉默子(silencer)等。第8頁/共81頁第八頁，共82頁。（一）啟動子(promoter)

真核基因的啟動子指的是RNA聚合酶識別、結(jié)合的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)中啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段特異DNA序列，包含一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能組件，其中每一個功能組件的DNA序列約7~20bp。第9頁/共81頁第九頁，共82頁。TATA盒CAAT盒GC盒

增強(qiáng)子

順式作用元件

結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始點真核生物啟動子保守序列第10頁/共81頁第十頁，共82頁。1.TATAbox真核細(xì)胞的啟動子是包括轉(zhuǎn)錄起始點（transcriptioninitiationsite或transcriptionstartsite）在內(nèi)的、有通用轉(zhuǎn)錄因子及RNA聚合酶組裝、結(jié)合的一段DNA序列。

典型的啟動子核心序列（coresequences）是在轉(zhuǎn)錄起始位點上游25~35bp處，有一保守的TATA序列，被稱為TATA盒（TATAbox），真核細(xì)胞的TATA盒多為TATAAAA序列。TATA盒與原核細(xì)胞的啟動子一樣，對RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄起始位點起定位作用。第11頁/共81頁第十一頁，共82頁。有一些編碼蛋白質(zhì)基因不含TATA盒或起始子，多在起始位點上游約100bp內(nèi)含有2050個核苷酸的CG序列，被稱做CpG島（CpGisland）。此種基因可有多個轉(zhuǎn)錄起始點，可產(chǎn)生含不同5末端的mRNA。這些基因大多為低轉(zhuǎn)錄基因，編碼中間代謝酶的管家基因。2.CpGisland第12頁/共81頁第十二頁，共82頁。3.啟動子上游元件GC盒(GCbox)(GGGCGG)CAAT盒(CAATbox)(GCCAAT)啟動子上游元件（promoter-proximalelements,或upstreampromoterelements）是一些位于TATA盒上游的DNA序列，與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)通用轉(zhuǎn)錄因子與TATA盒的結(jié)合、RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成，從而決定基因的轉(zhuǎn)錄效率與專一性。常見的序列是：第13頁/共81頁第十三頁，共82頁。一些真核細(xì)胞基因含有另一種啟動子元件，稱為起始子(initiator,Inr)，決定啟動子的強(qiáng)度。起始子共有序列為：（5）Y-C-A+1-N-T/A-Y-Y-Y（3）；Y代表胞嘧啶C或胸腺嘧啶T，N代表任意堿基，T/A代表T或A。第14頁/共81頁第十四頁，共82頁。(二）增強(qiáng)子決定基因的時空特異性表達(dá)增強(qiáng)子（enhancer）是能夠結(jié)合特異基因調(diào)節(jié)蛋白，促進(jìn)鄰近或遠(yuǎn)隔特定基因表達(dá)的DNA序列。在酵母中，被稱為上游活化序列（upstreamactivatorsequences,UASs）。增強(qiáng)子的作用通常與其所處的位置和方向無關(guān)。第15頁/共81頁第十五頁，共82頁。增強(qiáng)子距轉(zhuǎn)錄起始位點的距離變化很大，從100nt到50,000nt，甚至更大。但總是作用于最近的啟動子。增強(qiáng)子所處位置在所調(diào)控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游內(nèi)含子當(dāng)中，乃至下游最后外顯子以外的序列也可含有增強(qiáng)子。很多哺乳動物基因受一個以上的增強(qiáng)子調(diào)控。第16頁/共81頁第十六頁，共82頁。（三）沉默子阻遏基因轉(zhuǎn)錄沉默子(silencer)是指某些真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)中抑制或阻遏基因轉(zhuǎn)錄的一段（數(shù)百bp）DNA序列。沉默序列促進(jìn)局部DNA的染色質(zhì)形成致密結(jié)構(gòu)，從而阻止轉(zhuǎn)錄激活因子結(jié)合DNA，是基因轉(zhuǎn)錄的負(fù)性調(diào)節(jié)因素。第17頁/共81頁第十七頁，共82頁。能夠幫助RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄RNA的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors，TF）。以反式作用方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子稱為反式作用因子（trans-actingfactor），以順式作用方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子稱為順式作用蛋白（cis-actingprotein）。二、反式作用因子第18頁/共81頁第十八頁，共82頁。

cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié)mRNAC蛋白質(zhì)CBA

mRNA蛋白質(zhì)AA第19頁/共81頁第十九頁，共82頁?；巨D(zhuǎn)錄因子generaltranscriptionfactors特異轉(zhuǎn)錄因子specialtranscriptionfactors（一）轉(zhuǎn)錄因子分類（按功能特性）第20頁/共81頁第二十頁，共82頁?；巨D(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。第21頁/共81頁第二十一頁，共82頁。特異轉(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時空特異性表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子---增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄抑制因子---沉默子第22頁/共81頁第二十二頁，共82頁。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域第23頁/共81頁第二十三頁，共82頁。轉(zhuǎn)錄激活可能作用機(jī)制介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白的化學(xué)修飾和構(gòu)象改變改變啟動子周圍的染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)招募RNA聚合酶，促其快速準(zhǔn)確定位第24頁/共81頁第二十四頁，共82頁。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的基本轉(zhuǎn)錄因子

第25頁/共81頁第二十五頁，共82頁。參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的基本轉(zhuǎn)錄因子

TBP:TATA結(jié)合蛋白,TAF:TBP輔因子CTD:RNA聚合酶大亞基羧基末端的結(jié)構(gòu)域蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促進(jìn)RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復(fù)合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子蛋白激酶活性，使CTD磷酸化TFⅡHATPase57（a）34（b）TFⅡE解螺旋酶30，74TFⅡF促進(jìn)RNA-polⅡ結(jié)合及作為其他因子結(jié)合的橋梁33TFⅡB穩(wěn)定TFⅡD-DNA復(fù)合物12，19，35TFⅡA輔助TBP-DNA結(jié)合TAF**結(jié)合TATA盒TBP*38TFⅡD功能亞基組成，分子量(kD)轉(zhuǎn)錄因子第26頁/共81頁第二十六頁，共82頁。（二）轉(zhuǎn)錄因子含有不同的DNA結(jié)合域螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋是轉(zhuǎn)錄因子中的常見的DNA結(jié)合域同源異型域結(jié)構(gòu)與HTH結(jié)構(gòu)域類似鋅指結(jié)構(gòu)是一類含鋅離子轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域既可介導(dǎo)結(jié)合DNA又可介導(dǎo)蛋白質(zhì)二聚體化堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域也可同時介導(dǎo)結(jié)合DNA和蛋白質(zhì)二聚體化第27頁/共81頁第二十七頁，共82頁。螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）

第28頁/共81頁第二十八頁，共82頁。Helix-turn-helixmotifsStructure:about20aminoacidslong2shortalphahelicies(7–9aminoacidslong)DNArecognitionhelix(bindsspecificDNAsequence)Recognitionhelixand2ndhelixform~90°angleveryshortturn(NOTabeta-turn)Oftenglycineatstartoftheturn(helixbreaker)第29頁/共81頁第二十九頁，共82頁。HowdoesthelacrepressorbindDNA?DNADNArecognitionhelixturnSecondalphahelix第30頁/共81頁第三十頁，共82頁。同源異型域（homeodomain，HD）第31頁/共81頁第三十一頁，共82頁。

鋅指結(jié)構(gòu)（Zincfinger）C2H2型鋅指第32頁/共81頁第三十二頁，共82頁。反向平行β片層DNA大溝α螺旋Zn2＋第33頁/共81頁第三十三頁，共82頁。Zinc-FingerMotifsCCHHZnCCHHZnCCHHZnSeveralsubtypes(Cys4,Cys2-His2…)Example:Cys2His2typeZincdoesnotinteractwithDNAUsuallymultiplezinc-fingersinarowAtleastsomealsobindRNAConsensussequence:

[Y,F]-X-C-X2-4-C-XXX-F-XXXXX-L-XX-H-X3-5-H第34頁/共81頁第三十四頁，共82頁。

亮氨酸拉鏈（leucinezipper）第35頁/共81頁第三十五頁，共82頁。Leucinezippers(bZip)BasicregionoftheproteinbindstoDNAMainlyactasdimersorothersometimesasothermultimersSpecialalpha-helicesallowformationofcoiled-coilstructures.Hydrophobicresidues(Leu)alignononesideofthehelixExample:JunandFos7777第36頁/共81頁第三十六頁，共82頁。堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix，bHLH）

bHLH雙體DNA大溝螺旋螺旋環(huán)第37頁/共81頁第三十七頁，共82頁。三、真核基因表達(dá)調(diào)控——正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)采用負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制不經(jīng)濟(jì)保證基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特異性保證基因表達(dá)調(diào)節(jié)的精確性第38頁/共81頁第三十八頁，共82頁。第二節(jié)ChromosomalRegulationofEukaryoticGeneExpression真核基因表達(dá)的染色質(zhì)水平調(diào)控第39頁/共81頁第三十九頁，共82頁。常染色質(zhì)（euchromatin）異染色質(zhì)（heterochromatin）組蛋白密碼（histonecode）染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）基本概念第40頁/共81頁第四十頁，共82頁。

結(jié)構(gòu)松弛，分散分布在核內(nèi)的染色質(zhì)，對DNaseI敏感，DNA可降解為約200bp或其倍數(shù)的片斷；基因表達(dá)處于活性狀態(tài)，故亦稱為活性染色質(zhì)。使用DNaseI處理活性染色質(zhì)時，常會出現(xiàn)一些高敏感位點(hypersensitivesites)，通常位于轉(zhuǎn)錄基因的5’和3’側(cè)翼轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的蛋白結(jié)合位點附近的裸露DNA上。常染色質(zhì)（euchromatin）第41頁/共81頁第四十一頁，共82頁。異染色質(zhì)（heterochromatin）

結(jié)構(gòu)高度致密，處于凝聚狀態(tài)的染色質(zhì)，對DNaseI不敏感?；虮磉_(dá)處于阻遏狀態(tài)。組成性異染色質(zhì)（constitutiveheterochromatin）：所有細(xì)胞，整個細(xì)胞周期都存在的異染色質(zhì)。其DNA不含基因，因而一直保持凝聚狀態(tài)。兼性異染色質(zhì)（facultativeheterochromatin）：在特定細(xì)胞，生長發(fā)育的特定階段，由常染色質(zhì)凝聚轉(zhuǎn)變成的異染色質(zhì)。第42頁/共81頁第四十二頁，共82頁。染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）

通過改變基因的啟動子和調(diào)節(jié)序列區(qū)域的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，稱為染色質(zhì)重塑,也稱為核小體重塑(nucleosomeremodeling)。主要包括：CpG島甲基化

組蛋白共價修飾第43頁/共81頁第四十三頁，共82頁。CpG島甲基化使DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,其甲基化程度與基因表達(dá)活性呈反比關(guān)系

。1、CpG島甲基化第44頁/共81頁第四十四頁，共82頁。2、組蛋白共價修飾

組蛋白修飾包括組蛋白的乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化和多聚ADP-核糖基化。這些多樣化的修飾及其時空的組合可以使組蛋白與DNA的親和力改變，改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而影響生物學(xué)功能。因此被稱為組蛋白密碼（histonecode）。第45頁/共81頁第四十五頁，共82頁。46H2AH4H3H2BH2BH2AH3H4H3H2A第46頁/共81頁第四十六頁，共82頁。47

NucleosomeStructure

Wikipedia第47頁/共81頁第四十七頁，共82頁。48AnatomyofNucleosomeandHistoneChaperons

Ransom(2010)Cell第48頁/共81頁第四十八頁，共82頁。49Histonemodification

Zhou(2011)NatRevGenet

第49頁/共81頁第四十九頁，共82頁。第50頁/共81頁第五十頁，共82頁。核小體重塑：ATP依賴性核小體重塑復(fù)合體參與的核小體的移位、替換和去組裝改變等。核小體重塑過程：

基因活化蛋白結(jié)合；

ATP依賴性酶蛋白復(fù)合體結(jié)合轉(zhuǎn)錄活性區(qū)；

ATP依賴性酶水解ATP，提供能量；移去或替換核小體。3、核小體重塑（nucleosomeremodeling）第51頁/共81頁第五十一頁，共82頁。52NucleosomeRemodeling

Kasten(2011)Cell第52頁/共81頁第五十二頁，共82頁。53ChromatinremodelersareATP-dependentmachinesthatacttoalterthelocalstructureofchromatinbyrepositioning(or‘sliding’),ejectingorincorporatingnucleosomes,histonevariantreplacing,ortobeplatformtorecruitchromatin-associatedproteinssuchasDNMT,HDAC,etc.DuringDNAreplication,forexample,agroupofchromatinremodellersacttoinsertnucleosomesintothenewlyformingchromatinfiber..SWI/SNF(switch/sucrosenonfermentable)and

CHD(chromodomainhelicaseDNA-binding)familyproteinscantriggerejectionofanucleosome(topleft).

ISWI(imitationswitch)familyproteins,canslideanucleosome(topright).INO80(inositol-requiring80)familyproteinsexchangehistonedimers(histonevariantsormodifiedhistones),havingalocalimpactonchromatinactivity.ModificationTypesofNucleosomesduringCellularProcessesSWI/SNF,Or,CHDINO80ISWIAlexandre(2011)NatRevMolCellBiol第53頁/共81頁第五十三頁，共82頁。54ChromatinRemodelingDeterminesTranscriptionOn/Off

Zhou(2011)NatRevGenet

repositioning第54頁/共81頁第五十四頁，共82頁。55ConvertingbetweenEuchromatinandHeterochromatin

Alexandre(2011)NatRevMolCellBiol

ChromatinRemodeling(Epigenetics)Histone((i)chemicalmodification:methyl,acetyl,Ub,etc.(ii)histonevariantreplacementH2AZ,H2AX,H2Aγ,H3.3).DNAmethylmodification,CpG.Nucleosomerepositioning(sliding,ejection,insertion)第55頁/共81頁第五十五頁，共82頁。56ChromatininPluripotentStemCellvsDifferentiatedCellAlexandre(2011)NatRevMolCellBiol第56頁/共81頁第五十六頁，共82頁。57ChromatinRemodeling&TissueSpecificity

4-TypesofchromatinremodelersRemodelersvsarchitecture第57頁/共81頁第五十七頁，共82頁。第三節(jié)TranscriptionalRegulationofEukaryoticGeneExpression真核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控第58頁/共81頁第五十八頁，共82頁。

一、轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控①基因活化蛋白與增強(qiáng)子或UASs的結(jié)合；②基本轉(zhuǎn)錄因子在啟動子處的組裝；③輔助激活蛋白(coactivator)和/或中介子（mediator）在基本轉(zhuǎn)錄因子/RNA聚合酶II復(fù)合物與基因活化蛋白之間的輔助和中介作用。

RNA聚合酶II與啟動子的結(jié)合，即轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝需要諸多蛋白質(zhì)因子的協(xié)同作用。這通常包括：第59頁/共81頁第五十九頁，共82頁。pol-ⅡⅡFⅡAⅡBPol-ⅡⅡFⅡHⅡETBPTAFTATAⅡAⅡBTATAⅡHⅡECTD-P參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的基本轉(zhuǎn)錄因子的組裝TBPTAF第60頁/共81頁第六十頁，共82頁。轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物第61頁/共81頁第六十一頁，共82頁。第62頁/共81頁第六十二頁，共82頁。第63頁/共81頁第六十三頁，共82頁。修飾剪接編輯定向轉(zhuǎn)運降解二、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控第64頁/共81頁第六十四頁，共82頁。（一）mRNA5’端加帽和3’端加尾修飾除組蛋白外，所有真核細(xì)胞mRNA都有5’端的帽子和3’端的PolyA尾結(jié)構(gòu)。它們的作用在于：

①有助于保護(hù)mRNA免于被核糖核酸酶降解；④5帽結(jié)合蛋白復(fù)合體參與mRNA和核糖體的結(jié)合來起始翻譯。③促進(jìn)mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運到細(xì)胞漿；②協(xié)助mRNA的剪接。在剪接第一個外顯子時，剪接體的形成需要帽結(jié)合蛋白的參與；第65頁/共81頁第六十五頁，共82頁。（二）選擇性剪接（alternativeRNAsplicing）許多初始轉(zhuǎn)錄本可以通過選擇性剪接方式，去除不同的內(nèi)含子而被加工形成不同的mRNAs，因而形成不同的多肽。第66頁/共81頁第六十六頁，共82頁。真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄物選擇性加工的兩種機(jī)制

第67頁/共81頁第六十七頁，共82頁。大鼠降鈣素基因轉(zhuǎn)錄物的選擇性加工

第68頁/共81頁第六十八頁，共82頁。人視黃醛還原酶mRNA的選擇性剪接mRNAPre-mRNA同種異型mRNA第69頁/共81頁第六十九頁，共82頁。初始轉(zhuǎn)錄本含有所有選擇性加工途徑所需要的分子信號。一種細(xì)胞偏好何種選擇性加工途徑取決于加工因子——RNA結(jié)合蛋白的特異性。第70頁/共81頁第七十頁，共82頁。（三）mRNA編輯

RNA編輯指轉(zhuǎn)錄后除了選擇性剪接以外的加工導(dǎo)致RNA剪輯序列的改變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)物的氨基酸序列與基因初級轉(zhuǎn)錄物的序列不完全對應(yīng)。RNA編輯最初是在某些原生細(xì)胞線粒體細(xì)胞色素氧化酶的亞基Ⅱ基因的轉(zhuǎn)錄后加工中發(fā)現(xiàn)，通過RNA編輯在該基因的初級轉(zhuǎn)錄物中插入了4個尿嘧啶核苷酸，從而使原來的閱讀框架發(fā)生移動。第71頁/共81頁第七十一頁，共82頁。原生細(xì)胞線粒體細(xì)胞色素氧化酶亞基Ⅱ基因的轉(zhuǎn)錄后編輯(a)原生細(xì)胞線粒體細(xì)胞色素氧化酶亞基Ⅱ基因的轉(zhuǎn)錄后編輯(b)指導(dǎo)RNA

在RNA的編輯中的作用(模板作用)第72頁/共81頁第七十二頁，共82頁。apo-B基因（載脂蛋白B基因）的組織特異性表達(dá)5’3’5’3’apoB-100apoB-48CAAUAA

未編輯的RNA5’

3’脫氨基作用的RNA編輯（終止密碼子）1453612152CAA第73頁/共81頁第七十三頁，共82頁。

（四）mRNA的轉(zhuǎn)運現(xiàn)象：估計有1/5的核