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第七章 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression )

第七章 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression ). 7.1 DNA 水平的调控 7.2 转录水平的调控 (transcriptional regulation) 7.3 转录后水平的调控 (post transcriptional regulation) 7.4 翻译水平的调控 (translational regulation) 7.5 翻译后水平的调控 (protein maturation ). 真核基因组结构特点. 真核基因组结构庞大 3×10 9 bp 、染色质、染色体、核膜

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第七章 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression )

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  1. 第七章 真核生物基因表达的调控(Control of Eukaryotic Gene Exepression ) 7.1 DNA水平的调控 7.2 转录水平的调控(transcriptional regulation) 7.3 转录后水平的调控(post transcriptional regulation) 7.4 翻译水平的调控(translational regulation) 7.5 翻译后水平的调控(protein maturation)

  2. 真核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大3×109bp、染色质、染色体、核膜 • 单顺反子(monocistron) • 含有大量重复序列　 • 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon) • 非编码区较多 多于编码序列(9:1) • 原核生物：生长调控；真核生物：分化调控

  3. 真核基因表达调控特点 • RNA聚合酶 TATA盒结合蛋白 • 活性染色体结构变化 • 正性调节占主导 • 转录与翻译间隔进行 • 转录后修饰、加工

  4. 多层次调控 失活

  5. 7.1 DNA水平的调控 • 染色质的丢失：不可逆 • 核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因 • 基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数 • 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体 • 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加 • 基因重排(gene rearrangement)： • 如免疫球蛋白基因重排，多样性

  6. DNA水平的调控 • DNA甲基化(DNA methylation)： • mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)” • 甲基化(methylated)程度高，基因表达降低； 去甲基化(undermethylated)：基因表达增加 • 染色质(chromatin)或染色体(chromosome)结构对基因表达的调控：

  7. DNA甲基化与X染色体失活 • 雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活 • X染色体失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic):Xist基因(Xi-specific transcript)

  8. 常染色质:结构松散，基因表达 • 异染色质:结构紧密，基因不表达 • 有基因表达活性的染色质DNA对 DNaseⅠ更敏感，即DnaseⅠ的敏感性可作为该基因的转录活性的标志。

  9. 7.2 转录水平的调控 7.2.1 顺式作用元件(cis-acting element) 7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor) 7.2.3 转录起始的调控

  10. 7.2.1 顺式作用元件(cis-acting element) • 影响自身基因表达活性的DNA序列 • 非编码序列 • 分启动子、增强子、沉默子

  11. 顺式作用元件（一） 启动子 • 启动子是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列。不同的启动子对RNA聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子（trans-acting factors）也不同，因此，基因转录活性也很不相同。

  12. 典型的原核启动子有四大要素 1.转录起始位点 2.-10区 3.-35区 4.-10区与-35区之间的间隔

  13. 原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。 • -10区是一个6碱基保守序列（常以-10为中心）。T80A95T45A60A50T96，有助于DNA的解链。 • -35区是另一个6碱基保守序列（常以-35为中心）。T82T84G78A65C54A45。 • 当-10区和-35区中心位置相距16-18bp时，该启动子的功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相应减弱。

  14. 真核基因启动子 • 真核生物有3类RNA聚合酶，负责转录3类不同的启动子，分别为：Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。

  15. Ⅰ类启动子 • 由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因，启动子（I类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子（core promoter），由-45—+20位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170—-107位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。

  16. Ⅲ类启动子 • 由RNA聚合酶Ⅲ负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核内小分子RNA（snRNA），其启动子（Ⅲ类）组成较复杂，又可被分为三个亚类。两亚类5S rRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子（internal promoter），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成。第三亚类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游。

  17. Ⅱ类启动子 • 由RNA聚合酶II负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因。后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。 • II启动子： • 核心启动子(core promoter)TATA盒，-25~-30bp • 上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)：CAAT 盒，-70bp；GC盒等，通过TF II复合物来提高转录效率。

  18. 顺式作用元件（二） 增强子 • 增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。远离转录起始点（1~30kb），增强启动子转录活性DNA序列。

  19. 增强子的性质 • 1、增强效应十分明显。 • 2、增强效应与其位置和取向无关。 • 3、大多为重复序列，一般长约50bp。 • 4、 增强效应有严密的组织和细胞特异性。 • 5、 没有基因专一性。 • 6、 许多增强子还受外部信号的调控。

  20. 增强子的作用原理 • 一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。 • 第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。 • 增强子的功能是可以累加的。

  21. 增强子

  22. 感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。 • 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长。 • 病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。

  23. 顺式作用元件（三） 沉默子 • 沉默子(silencer)：负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

  24. 7.2.2 反式作用因子(trans-acting factor) • 概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控） • 通用或基本转录因子(general transcription factors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。 • TFⅡA、 TFⅡB、 TFⅡD、 TFⅡE等 • 特异转录因子( special transcription factors)—个别基因转录所必需的转录因子. • OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。

  25. 反式作用因子特点 • 三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-binding domain)；转录活性域(transcriptional activation domain)；结合其他蛋白的结合域。 • 能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element) • 正调控与负调控

  26. 功能结构域

  27. 反式作用因子结构域的模式 • DNA结合域(DNA- banding domain) • 锌指结构(zinc finger motif) • 同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-转折-螺旋(helix-turn-helix) • 亮氨酸拉链结构 (leucine zipper) • 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH) • 碱性α螺旋(alkaline α-helix)

  28. 锌指结构(zinc finger motif) • 长约30个aa，其中4个氨基酸（Cys或2个Cys，两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。

  29. 螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix) • 是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。

  30. 碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper) • 是亲脂性（amphipathic）的α螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。

  31. 碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子

  32. 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH) • 该调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。

  33. 螺旋-环-螺旋

  34. 反式作用因子结构域的模式 • 转录活化结构域(transcriptional activation domain) • 酸性α-螺旋结构域(acidic α–helix domain) • 富含谷氨酰胺结构域(glutamine-rich domain) • 富含脯氨酸结构域(proline-rich domain)

  35. 7.2.3 转录起始的调控 • 转录起始复合物的形成 • 关键： • 转录因子(transcription factor,TF)； • 启动子与TF结合后，才能被RNA pol识别与结合； • -25～-30区：TATA盒

  36. 转录起始的调控 TBP:TATA-binding protein TAFs:TBP associated factors

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