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第三节 真核基因表达调控

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第三节 真核基因表达调控 - PowerPoint PPT Presentation


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背景情况( overview ) : 关键问题:细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的 时空性;分子事件?机制?如何协调?环境因子的作用? …… 基因组的全能性 细胞的多潜能性 (totipotency) (pluripotency). 第三节 真核基因表达调控. 真核细胞基因组全能性的实验证据. 真核细胞基因组的复杂性: e.g., human genome: 约 30 亿 bp DNA ;包含约 3 万个基因; 95 %的非编码 DNA 序列(功能?);

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Presentation Transcript
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背景情况(overview):

  • 关键问题:细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的
  • 时空性;分子事件?机制?如何协调?环境因子的作用?
  • ……
  • 基因组的全能性 细胞的多潜能性
  • (totipotency) (pluripotency)

第三节 真核基因表达调控

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真核细胞基因组的复杂性:

  • e.g., human genome: 约30亿 bp DNA;包含约3万个基因;95%的非编码DNA序列(功能?);
  • 一生合成总蛋白质的种类约10万种,但在一个典型的分化细胞中合成约5000种蛋白质;如何调控?
  • 人类基因组计划(HGP) 功能基因组学:基因及其产物(蛋白质)的功能。

不同组织器官中表达不同的蛋白质组 (2D-gel)

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真核基因表达的多级控制

从DNA到蛋白质的可能的调控步骤

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主要调控水平:

  • *-转录水平调控(transcriptional control)
  • *-转录后水平调控(post-transcriptional control)
  • RNA加工水平调控(RNA processing control)
  • 翻译水平调控(translational control)
  • -蛋白质的翻译后修饰(post-translational modification)
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一、转录水平的调控

  • 基本概念:
  • 事件:DNA/protein, protein/protein 相互作用;
  • 顺式作用元件(cis-acting element):与转录调控蛋白特异
  • 结合的DNA序列;
  • 反式作用因子(trans-acting factor):与特定DNA序列结
  • 合的调控蛋白因子;
  • “模体”结构(motif):蛋白质中的小结构域,用以识别特
  • 定的DNA序列或其他蛋白质;e.g., helix-turn-helix,
  • zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc.
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共有序列(consensus sequence):DNA中一小段保守序列(有时也指蛋白质中的氨基酸序列),能够被特定的蛋白结构域所识别,在转录起始调控中起重要作用;e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc.

  • 通用转录因子(general transcription factor):与核心启动子元件相结合(如TATA-box),启动转录;
  • 特异转录因子(specific transcription factor ):与基因的特异调控元件相结合,起调节作用(促进或阻抑);
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(一)、转录的激活(transcriptional activation)

1,转录的起始

涉及一系列的DNA/protein, protein/protein 相互作用;转录起始复合体(pre-initiation complex)的形成,etc.

RNA polymerase II (side cutway)

Aaron Klug, 2001, Science, 292:1844-46

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2,激活因子(activator)和辅激活因子(co-activator)2,激活因子(activator)和辅激活因子(co-activator)

特异性的转录因子,能在DNA序列上形成复合体,激活转录;e.g., 肾上腺(糖)皮质激素的作用:glucocorticoid/GRE

辅激活因子在特定的DNA元件上形成复合体,激活转录

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转录因子(通用转录因子和特异转录因子)的功能结构域:转录因子(通用转录因子和特异转录因子)的功能结构域:

- DNA结合结构域(DNA-binding domain):与基因的

调控区域的特定DNA序列识别并结合

- 激活结构域(activation domain):招募其他激活因子

和蛋白质,共同启动或激活转录

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3,基因远端的调控元件 — 增强子(enhancer)

  • 特点:
  • 距离基因的起始点较远
  • 位置不定:上游、下游、内含子内部
  • 方向性:正反方向均有作用
  • 作用机制:
  • 间隔DNA可以形成环状
  • 通过与enhancer结合的特异因子起作用
  • 染色质构型的改变(重塑)
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(二)、转录的阻抑(transcriptional repression)

  • 1,顺式作用元件/反式作用因子
  • 阻抑物(repressor):负调控的特异性转录因子
  • 沉默子(silencer):负调控的DNA元件
  • 作用机制:
  • 阻抑转录起始复合体的组装(与通用转录因子作用)
  • 与转录激活因子竞争结合DNA
  • 与转录激活因子相互作用,影响其活性
  • 改变染色质构型(招募重塑复合体、组蛋白修饰酶)
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2,DNA甲基化(DNA methylation)

  • CG岛(CG island):基因组DNA中富含CG碱基的区域,
  • 其中一些对称序列中的 5’-CG-3’ 二核苷酸的胞嘧啶(C)
  • 常被甲基化修饰;与基因的失活有关。
  • DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMT)
  • – 维持性DNMT(maintenance DNMT):使DNA甲基化
  • 的模式(pattern)在细胞分裂中得以保持(可遗传性)
  • – 构建性DNMT(establishment DNMT; de novo DNMT):
  • 使非甲基化的DNA模板甲基化
  • DNA甲基化是一个动态过程,又是相对稳定的状态;受精
  • 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低,随分化进程逐渐建立。
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胞嘧啶C的甲基化修饰

DNA甲基化 pattern 维持的方式(维持性DNMT的作用)

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DNA甲基化抑制基因转录的机制:

  • – 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合
  • – 将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列
  • – DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子
  • DNA甲基化的普遍性:
  • 脊椎动物(包括哺乳类和人)、植物中普遍存在;低等
  • 生物(果蝇、酵母等)中未发现。
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基因组印记(genomic imprinting)和甲基化

  • 现象:
  • 在二倍体动物中,有些基因(~100个)的表达,依赖于其是来自于父本还是母本染色体,如同印上了“印记”;
  • 印记是由DNA甲基化标记来实现区分的;印记的基因在受精后不受“去甲基化波”的影响,从而“记忆”住了亲本所标记的表达方式(阻抑或促进)。e.g., 鼠的 Igf2 基因。
  • 这是DNA的“状态”,而不是其序列决定可遗传性状的证据(表观遗传)。
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基因的转录后调控

  • (post-transcriptional control )

转录后调控的步骤和方式

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二、RNA加工水平的调控 (RNA processing)

1, 选择性剪接(alternative splicing)

以区别 组成型剪接(constitutive splicing)

选择性剪接:一个hnRNA(pre-mRNA)转录本,通过外显

子的剪、接、重组,产生多个成熟的mRNA的机制。

i.e., 一个基因 多个mRNA 多个蛋白质(isoforms)

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选择性剪接的不同形式

  • *深蓝:均保留的exon;
  • 浅蓝:仅在一个mRNA 中
  • 保留的exon;
  • 黄色:intron;
  • 红线:被剪切去的区域。
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剪接位点的选择和识别:

  • 剪接增强子(splicing enhancer)
  • 剪接因子(splicing factors)
  • 形成“剪接子”(spliceosome)
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2,RNA 编辑(RNA editing)

改变成熟的 mRNA 的序列,从而改变其“含义”(meaning)的机制;如:插入一个或多个 “U”。

由 “guide RNA” 引导编辑过程。

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5’-UTR

Coding region

3’-UTR

-…AAAA-3’

5’-met G-

AUG

  • 三、翻译水平的调控(translational control)
  • 成熟mRNA 的结构:
  • 5’帽子(5’-cap, metG),5’-UTR,编码区,3’-UTR,多聚(A)尾部。
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(一)、mRNA 的细胞定位

  • mRNA 在细胞质中的不均一性(见前):如何定位?
  • 决定:3’-UTR 中的信息,可能涉及蛋白质的参与;
  • 转运:微管(microtubule)的作用;
  • 锚定:微丝(microfilaments)的作用。

mRNA 定位的几种方式:

Left: travel by associateion with cytoskeleton motor;

Center: random diffusion;

Right: degradation of unanchored mRNAs;

Black open circus: anchor complex

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(二)、mRNA 的翻译调控

  • 翻译的负调控(negative translational control)
  • 翻译阻抑蛋白(translational repressor):与 mRNA 的 5’-UTR 和 3’-UTR 中的特定序列相识别、相互作用,并抑制翻译水平。

翻译的负调控机制

e.g., ferritin

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翻译起始点的调控

  • 翻译通常从第一个AUG起始,但有时会因第一个AUG周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过,从而由以下的AUG开始翻译(“leaky scanning”)
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(三)、mRNA 的稳定性(mRNA stability)

  • mRNA的半衰期(half-life):从几分钟到十几个小时不等,
  • 多数mRNA 的半衰期不超过30分钟;
  • 影响mRNA稳定性的因素:
  • – 多聚(A)尾部的长短:poly(A)/PABP,> 30 nt 时降解
  • – 5’-帽子的解除(de-capping)引起mRNA 降解(通常与
  • 3’-poly(A) 的降解过程相伴)
  • – 3’-UTR序列的不同可影响mRNA 降解,可能与poly(A)
  • 尾部的降解速度有关,e.g., α-globin mRNA 3’-UTR含有
  • 许多CCUCC repeats,可稳定mRNA,而AUUUA序列则
  • 使mRNA 不稳定。