第八部分真核生物基因表达调控.ppt

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1、第八章 真核生物基因 表达调控,教学目的：,了解真核基因表达调控的特点 了解转录前的调控， 掌握增强子的作用特点 掌握反式作用因子的DNA结合域的结构花式； 了解转录后加工水平的调控方式， 掌握可变剪接、反式剪接、RNA编辑的概念； 了解翻译水平的调控方式及特点。,第一节 概述 第二节 转录水平的调控 第三节 转录后加工水平的调控 第四节 翻译的调控,第一节 概述,原核与真核生物基因表达的差异,重复序列 重叠基因,割裂基因 无内含子,RNA转录后加工 转录和翻译同步进行,DNA + 组蛋白 核小体 裸露的 DNA,回顾,单顺反子 多顺反子（操纵子）,染色质结构 DNA的甲基化,第一节 概述 第

2、二节 转录水平的调控 第三节 转录后加工水平的调控 第四节 翻译的调控,1 顺式作用元件 2 反式作用因子,第二节 真核基因转录水平的调控,1 基因转录的顺式作用元件(cis-acting elements) 顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因； 通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 包括: 启动子、终止子、增强子、沉默子、静息子、转座子、效应元件等。,1.1 启动子,启动子（promoter）：是一段提供RNA聚合酶识别和结合的DNA序列，它位于基因的上游。 RNA聚合酶正是通过与它的结合而启动基因的转录。,*启动子的特征

3、,序列特异性 方向性 位置特性 种属特异性,原核生物的Promoter,II型启动子组成,(1) 核心启动子成分，如TATA框； (2) 上游启动子成分（UPE），如CAAT框， GC框，八聚体（octamer）等； (3) 转录起始子（Inr）,真核启动子含有不同的序列，不同序列的位置、种类、距离和方向都不完全相同；,SV40 早期启动子 胸苷激酶 组蛋白H2B -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 Oct CAAT GC TATA,型启动子,型启动子,1.2 增强子 Enhancer 又称远端上游序列（far upstream sequence）。 最早SV4

4、0病毒中发现，可使旁侧基因转录提高100倍。 组成：100-200bp，单拷贝或多拷贝串连形式存在。 正性调控元件，转录因子结合，促进转录。,增强子的作用特点： 促进基因的转录效率远距离发挥作用 (100500bp，10Kb) 促进转录，不具有启动子专一性 功能与方向、位置无关 具有组织或细胞特异性 对同源或异源基因均有功能。,1.3 沉默子 silencer 负性调控元件， 转录因子结合抑制转录。 作用特点： 不受序列方向的影响， 能远距离发挥作用， 并可对异源基因的表达起作用。,1.4 转座子,转座子-跳跃基因的移动，有时候能够激活或抑制某些结构基因的表达。,一组受到共同调控的基因，都有一

5、个相同的元件（序列），此元件能与某一个(类)专一蛋白因子结合，使基因对其作出反应。,1.5 效应元件(Response element):,效应元件的特点： 有短的保守顺序； 是启动子或增强子的上游元件。 在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝； 与转录起点距离不固定。,类固醇激素信号,接受金属刺激,增强子,应答佛波酯,应答元件,肿瘤诱导剂,1 顺式作用元件 2 反式作用因子,第二节 真核基因转录水平的调控,2 反式作用因子（trans-acting factors） 反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达，其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上。

6、 包括：转录因子、RNA聚合酶、调控蛋白等。 2.1 反式作用因子的分类 2.2 反式作用因子的调控作用,2.1 反式作用因子的分类： (1) 通用因子，在一般细胞中普遍存在，,(2) 特异作用因子：特殊组织与细胞中的，如淋巴细胞中的 Oct-2,还包括：转录激活因子（结合增强子）和转录抑制因子（结合沉默子）。,(3) 诱导型因子：和效应元件（特异调控序列）结合的蛋白因子。,蛋白质和DNA相互作用； 蛋白质和配基结合； 蛋白质之间的相互作用; 蛋白质的修饰。,2.2 反式作用因子的调控作用,DNA结合域，binding domain，BD：100aa， 大沟 转录激活域，active doma

7、in，AD：30-100aa,2.2.1 蛋白质和DNA相互作用,（1） 转录激活域,带负电荷的螺旋结构 如GCN4，GAL4 rich-Gln 如SP1, AP2, oct1, oct2 rich-pro 如CTF/NF1,（2） DNA结合域的结构花式/基元（ motif）,锌指结构（Zinc finger ） 螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH） 同源异形结构域（Homeodomains，HD） 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH） 亮氨酸“拉链” （leucine zipper ）, 锌指（zinc finger） 由一小组保守的氨

8、基酸和锌离子结合，形成了相对独立的功能域，像一根根手指伸向DNA的大沟。 有两种基本构型；,23aa，两指间7-8aa 共有序列： Cys-X2-4-Cys-X3-Phe- X5-Leu-X2-His-X3-His 串联重复排列， 锌指数目多少不等,A. Cys2/His2,SP1,与GC盒结合的转录因子SP1中有连续的3个锌指重复结构。,B. Cys2/Cys2,Zn2+与4个Cys结合 共有序列：Cys- X2- Cys-X13- Cys- X2- Cys 无大量重复性锌指,例如：甾类激素受体家族,糖皮质激素特异性,雌激素特异性,甾类激素受体以二聚体形式发挥其促进转录的作用。 两个锌指的功

9、能不同：,与DNA结合,形成二聚体,（2） DNA结合域的结构花式/基元（ motif）,锌指结构（Zinc finger ） 螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH） 同源异形结构域（Homeodomains，HD） 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH） 亮氨酸“拉链” （leucine zipper ）, 螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH） 至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的转角连接， 二聚体形式存在， 距离正好相当于DNA一个螺距（3.4nm），两个螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟。,许多调控蛋白都有HTH,LacO

10、的阻抑蛋白 阻遏蛋白与cro蛋白CAP 酵母接合型调控蛋白1，2 玉米的Kn1 水稻的OSH1,（2） DNA结合域的结构花式/基元（ motif）,锌指结构（Zinc finger ） 螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH） 同源异形结构域（Homeodomains，HD） 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH） 亮氨酸“拉链” （leucine zipper ）,编码60aa的序列，几乎存在于所有真核生物中； 有3个-helix, H1与H2平行 H3位于大沟中，与DNA特异结合 N端多余臂部分与小沟结合，稳定性高。,同源异形结构域（Hom

11、eodomains，HD）,HD与HTH的不同： （1）HD的C端由3个-螺旋构成，螺旋3结合于大沟； 而HTH至少2个-螺旋构成； （2）HD以单体形式与DNA结合，靶序列不是回文结构， 而HTH以二聚体形式与DNA结合，靶序列是回文结构。,（2） DNA结合域的结构花式/基元（ motif）,锌指结构（Zinc finger ） 螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH） 同源异形结构域（Homeodomains，HD） 螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH） 亮氨酸“拉链” （leucine zipper ）,螺旋-环-螺旋结构（helix-

12、loop-helix，HLH）,4050aa 含2个-helix（1516aa）, 由连接区（1228aa）连接； 两亲性；通过疏水面作用形成二聚体； NH2端为DNA结合区，16aa，其中6aa为保守序列。,-COOH，每隔7个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面,依靠Leu的疏水作用, 2个helix 相互缠绕，形成拉链结构,-NH2，富含碱性氨基酸,螺旋状, +, DNA结合域， 与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合,碱性-亮氨酸拉链（leucine zipper，ZIP）,ZIP motif Y形结构,在真核生物中广泛存在,C/EBP 家族：与增强

13、子、CAAT盒结合 GCN4 酵母激活因子 CREB（cAMP应答元件结合蛋白）,2.2 反式作用因子的调控方式 (1) 蛋白质和DNA相互作用,各种转录因子和顺式作用元件的相互识别、相互作用。,通常转录因子与DNA的大沟内的碱基或磷酸接触，通过a-螺旋的一个区域与DNA结合。 锌指结构 螺旋-转角-螺旋结构 同源异形结构域 螺旋-环-螺旋结构 亮氨酸“拉链”,2.2 反式作用因子的调控方式,蛋白质和DNA相互作用； 蛋白质和配基结合； 蛋白质之间的相互作用; 蛋白质的修饰。,(2) 蛋白质和配基的结合 有的调节蛋白并不直接与DNA接触，而先和配基结合被活化，如甾类受体蛋白等。,激素-受体复合

14、物进入细胞核，与增强子结合从而激活启动子，开始转录。,甾类激素作为配基进入细胞，与相应受体蛋白结合；,甾类激素对转录的调控,甾类受体蛋白通常有三个功能区,2.2 反式作用因子的调控方式,蛋白质和DNA相互作用； 蛋白质和配基结合； 蛋白质之间的相互作用; 蛋白质的修饰。,(3) 蛋白质之间的相互作用,酵母半乳糖代谢中GAL80和GAL4的相互作用。,(4) 蛋白质的修饰 蛋白质的磷酸化和去磷酸化是其转录活性调节的一种普遍形式。,第一节 概述 第二节 转录水平的调控 第三节 转录后加工水平的调控 第四节 翻译的调控,1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰 2 mRNA加工成熟：,第三节 转录后

15、加工水平的调控,真核tRNA的加工: 剪切、修剪和剪接； 甲基修饰； 3-OH连接-CCA结构。 剪接内含子；,1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰 2 mRNA加工成熟： 1）mRNA前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接 3）RNA编辑,第三节 转录后加工水平的调控,2.1 mRNA前体的可变剪接,1） mRNA剪接的种类： 组成型拼接: 一个基因的mRNA前体按一种方式剪切，产生一种mRNA，一种蛋白质。 可变剪接（选择性拼接，alternative splicing） ：有些基因的mRNA前体，按不同方式剪切，产生两种以上mRNA，翻译产生多种蛋白质。,可变剪接 选用不同的剪接

16、位点产生不同的蛋白质,组成型剪接,2） 可变剪接的方式： （1）选用不同的起始位点，得到不同的蛋白质；（酵母蔗糖酶Suc基因 ，小鼠-淀粉酶基因）； （2）选用不同的加尾位点产生不同的蛋白质（如免疫球蛋白）； （3）选用不同的剪接位点； （4）同时采用以上两种方式；,酵母蔗糖酶基因，有两种不同形式: 胞内酶的合成不受葡萄糖存在的影响，但含量低； 胞外酶的合成受到葡萄糖的抑制。 胞外酶仅多了信号序列，经切除后胞外酶比胞内酶在N-端仅多了一个Ser。,不同的起始位点,大鼠肌钙蛋白基因在不同的发育阶段以及不同横纹肌种类中由于不同的选择性剪接内含子，结果产生了不同的肌钙蛋白。,不同的剪接位点选择不同外

17、显子,剪接选择不同的5端和外显子,剪接选择不同的3端和外显子,3) 可变剪接的调控机制,实质是5供体与3受体剪接点的选择搭配 如何选择不同的位点？ SR蛋白家族：SF2剪接因子，与mRNA 结合，决定5剪接位点 RNP的调节：hnRNP-A1, U5-snRNP,人类编码蛋白的基因约27000个，蛋白种类约90000。 4060人类编码蛋白的基因发生可变剪接； 高等真核生物基因组很大，完全能容纳更多的基因。 为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方面它又使一个基因产生出多种产物？,4) 可变剪接的意义,令人不解 ！？,1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰 2 mRNA加工成熟： 1）mR

18、NA前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接 3）RNA编辑,2.2 mRNA前体的反式剪接,顺式剪接（cis-splicing）：内含子的剪接一般都是发生在同一个基因内，切除内含子，相邻的外显子彼此连接。 反式剪接（trans-splicing）：不同基因的外显子剪接后相互连接。,反式剪接的典型例子是锥虫表面糖蛋白基因VSG，线虫肌动蛋白基因和衣藻叶绿体DNA中的psa基因。 锥虫表面糖蛋白基因VSG中许多mRNA的5端都有共同的35b前导序列，但在每个转录单位上游并未编码这个前导序列， 来源于基因组中位于别处序列转录的小片段RNA， 通过反式剪接，将35nt的前导序列加到 mRNA的5端

19、。 反式剪接产生的5端外显子称为剪接前导RNA （spliced leader RNA，SL RNA）。,SL RNAs存在于几种锥虫和线虫中，具有共同的特点； 其结构类似于U1，即SL RNA和U1 snRNA一样具有可以和内含子5端剪接位点识别和结合的功能。,转酯反应,1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰 2 mRNA加工成熟： 1）mRNA前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接 3）RNA编辑,2.3 RNA 编辑,1) 定义 RNA编辑（editing） 指遗传信息在mRNA水平上发生改变的过程。RNA的编码序列与转录产生它的DNA序列不同，转录后的RNA在编码区发生碱基的加入

20、，丢失或转换等现象。 1986年R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸， 1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。,锥虫细胞色素氧化酶亚基(coxII) 基因的编辑,2) 编辑的生物学意义： (1) 校正作用； (2) 调控翻译； (3) 扩充遗传信息。,扩充遗传信息,锥虫coxII的mRNA上158个位点插放了394核苷酸； 在9个位点删去了18个尿苷酸， 实际增加了376个核苷酸，使coxII的长度增加了55%。 因此coxII的基因比成熟的mRNA小了很多，故称其隐匿基因。,编辑的调控作用,编辑的校正作用,3) 编辑的机制,19

21、90年L.Simpsom等 指导RNA（guide gRNA）：一类小分子RNA，对mRNA前体分子的编辑起了指导作用。 特点： 55-70nt 3端有5-25个U 5端与mRNA转录产物互补：非常规的互补，G-U配对。,插入U 的两步转酯反应,gRNA的3OH攻击mRNA 产生5端与gRNA3相连 5端的3-OH攻击gRNA的U-U 生成RNA编辑产物(插入一个U) gRNA（少一个U）,RNA编辑相继在真核生物和病毒中发现: 如小鼠脑中的谷氨酸受体， 哺乳动物载脂蛋白B， 植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基。 生物学意义 生物适应中的保护措施之一 中心法则的发展：,第一节 概述 第二节 转录

22、水平的调控 第三节 转录后加工水平的调控 第四节 翻译的调控,第四节 翻译水平的调控,1 mRNA运输控制 2 mRNA稳定性的调控 3 mRNA结构 4 翻译的起始调节 5 选择性翻译 6 反义RNA调控 7 翻译的自我调节,1 mRNA运输控制,运输控制（transport control）是对初始转录产物从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。 合成的RNA大约有1/12能被运出核进入细胞质，50左右的在核内降解，还有一些留在核。,2 mRNA稳定性的调控,mRNA的寿命； 原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约3min。 高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h。 在高度分化

23、的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命长达数天。,3 mRNA的结构,3.1 mRNA5前导序列对翻译水平的影响 5 m7G帽结构是否存在 起始密码子的位置和其侧翼的序列的影响。 5端UTR的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性，当此区长度在1780Nt之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。 5UTR中存在碱基配对区形成二级结构时，会阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有抑制作用。,3.2 mRNA3端的结构对翻译速率和mRNA寿命的影响,mRNA 3端的poly(A)不仅和mRNA穿越核膜的能力有关，而且影响到mRNA的稳定性和翻译效率。 poly(A)越长，mRNA作为模板的使用的

24、半衰期越长。,4 翻译的起始调节-翻译起始因子的磷酸化,翻译起始因子eFI-2磷酸化，磷酸化后不能重复利用，从而选择性的降低或加强一些mRNA的翻译。,当细胞处在异常环境（如饥饿、pH变动、重金属处理、加入化学药品等）或蛋白质生物合成受抑制时，都可以检测到细胞内eIF-2的磷酸化作用。,5 选择性翻译,珠蛋白是由两条链和两条链组成的。 在二倍体细胞中都有4个-，2个 ； 如果它们相同转录和翻译的话它们之间的浓度比应是：=2：1，而实际上是1：1， 珠蛋白和珠蛋白是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起始因子的亲和性不同。,初生蛋白,6 翻译的自我调节,用微量注射器将微管蛋白注入到哺乳动物细胞中，会

25、抑制微管蛋白的进一步合成。,7 反义RNA调控,真核生物中也同样存在着反义RNA的调控 人们已将反义RNA发展成一门反义技术应用于动、植物病毒的抑制，果蔬的保鲜，疾病的治疗。,翻译延伸过程对蛋白质合成的影响 翻译过程并非一定能从起始密码到终止密码，有些中间形成茎环二级结构，阻止延伸； 另外，在翻译延伸过程中出现移框翻译，翻译时向前或向后移动一个核苷酸，从而改变翻译的产物。,翻译后水平的调控,翻译后产生的多数蛋白质无生物活性，必须经过切割加工、水解、化学修饰、剪接; 某些蛋白质有选择的受到抑制; 某些蛋白质必须位于细胞内特定位置，如溶酶体、线粒体、叶绿体; 一些蛋白必需同其他蛋白质结合，组装成功能单位，如血红蛋白、微管蛋白、核糖体等，都是由多条蛋白质分子结合在一起形成的功能单位。,思考题,什么是顺式作用元件和反式作用因子? 顺式作用元件和反式作用因子各有哪些？ 转录因子的DAN结合域的特征有哪些？并各举一例说明。 可变剪接的概念,意义,产生原因是什么。 RNA的编辑,产生过程,意义。,