q基因表达调控.pptx

目录目录第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote目录目录一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多得多 原原核核基基因因组组的的大大部部分分序序列列都都为为编编码码基基因因，而而哺哺乳乳类类基基因因组组中中只只有有10%的的序序列列编编码码蛋蛋白白质质、rRNA、tRNA等等，其其余余90%的的序序列列，包包括括大大量量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 真真核核生生物物编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因是是不不连连续续的的，转转录录后后需需要要剪剪接接去去除除内内含含子子，这这就就增增加加了了基基因因表表达达调控的层次调控的层次 目录目录 原原核核生生物物的的基基因因编编码码序序列列在在操操纵纵子子中中，多多顺顺反反子子mRNA使使得得几几个个功功能能相相关关的的基基因因自自然然协协调调控控制制；而而真真核核生生物物则则是是一一个个结结构构基基因因转转录录生生成成一一条条mRNA，即即mRNA是是单单顺顺反反子子（monocistron），许许多多功功能能相相关关的的蛋蛋白白、即即使使是是一一种种蛋蛋白白的的不不同同亚亚基也将涉及到多个基因的协调表达基也将涉及到多个基因的协调表达目录目录 真真核核生生物物DNA在在细细胞胞核核内内与与多多种种蛋蛋白白质质结结合合构构成成染染色色质质，这这种种复复杂杂的的结结构构直直接接影影响响着着基基因因表表达；达；真真核核生生物物的的遗遗传传信信息息不不仅仅存存在在于于核核DNA上上，还还存存在在线线粒粒体体DNA上上，核核内内基基因因与与线线粒粒体体基基因因的的表达调控既相互独立而又需要协调。表达调控既相互独立而又需要协调。目录目录图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控目录目录二、染色质结构与真核基因表达密切相关二、染色质结构与真核基因表达密切相关活性染色质活性染色质 (active chromatin)(active chromatin)具有转录活性的染色质具有转录活性的染色质超敏位点（超敏位点（hypersensitive site)hypersensitive site)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如（如DNase I）高度敏感的位点）高度敏感的位点（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 目录目录(二二)转录活化染色质的组蛋白发生改变转录活化染色质的组蛋白发生改变 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰（a a）组蛋白与）组蛋白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）组蛋白的氨基端伸出核）组蛋白的氨基端伸出核小体，形小体，形 成组蛋白尾巴；（成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体目录目录组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了这些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说。目录目录组组蛋白蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修修饰类饰类型型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色染色质浓缩质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙乙酰酰化化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙乙酰酰化化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙乙酰酰化化装配装配H4Lys-12乙乙酰酰化化装配装配H4Lys-16乙乙酰酰化化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙乙酰酰化化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 目录目录（三三）CpG岛甲基化水平降低岛甲基化水平降低CpG岛岛（CpG island)：甲甲基基化化胞胞嘧嘧啶啶在在基基因因组组中中并并不不是是均均匀匀分分布布，有有些些成成簇簇的的非非甲甲基基化化CG存存在在于于整整个个基基因因组组中中，人人们们将将这这些些GC含含量量可可达达60%，长长度度为为300-3000bp的区段的区段表表观观遗遗传传（epigenetic inheritance)：染染色色质质结结构构对对基基因因表表达达的的影影响响可可以以遗遗传传给给子子代代细细胞胞，其其机机制制是是细细胞胞内内存存在在着着具具有有维维持持甲甲基基化化作作用用的的DNA甲甲基基转转移移酶酶，可可以以在在DNA复复制制后后，依依照照亲亲本本DNA链链的的甲甲基基化化位位置置催化子链催化子链DNA在相同位置上发生甲基化在相同位置上发生甲基化目录目录三、基因组中的顺式作用元件是转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位始的关键调节部位順式作用元件順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列序列目录目录图图18-718-7顺式作用元件顺式作用元件A A、B B分别代表同一基因中的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列。序列。B B序列通过一定机制影序列通过一定机制影响响A A序列，并通过序列，并通过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A A、B B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件目录目录（一）真核生物启动子结构和调节远较原核（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂生物复杂真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒目录目录CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构目录目录（二）增强子是能够提高转录效率的顺式（二）增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件调控元件增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下：与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺顺式作用元件式作用元件。是组织特异性转录因子的是组织特异性转录因子的结合部位结合部位不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而且起作用，而且还可以还可以远距离远距离实施调节作用实施调节作用作用与序列的作用与序列的方向性无关方向性无关需要有启动子需要有启动子才能发挥作用才能发挥作用目录目录（三）沉默子能够抑制基因的转录（三）沉默子能够抑制基因的转录沉沉默默子子是是一一类类基基因因表表达达的的负负性性调调控控元元件件，当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，对对基基因因转转录录起起阻阻遏遏作用作用目录目录四、转录因子是转录调控的关键分子四、转录因子是转录调控的关键分子真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子转录因子（transcription factor,TF）。）。绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。作用元件而增强或降低相应基因的表达。转录因子也被称为反式作用蛋白或转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因反式作用因子子。目录目录真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，称称顺式作用顺式作用。由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调调节节其其表表达达。这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)目录目录图图18-8 18-8 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组 蛋蛋 白白 因因 子子，决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性）通用转录因子通用转录因子特异转录因子特异转录因子目录目录特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的时间、空间特异性表达。的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子目录目录2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目录目录最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指模体锌指模体(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C=半胱氨酸；半胱氨酸；H=组氨酸；组氨酸；F=苯苯丙氨酸；丙氨酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离子锌离子图图18-9锌指结构锌指结构目录目录2.2.碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示意螺旋模体结构示意图；（图；（b）bLHL模体二聚体与模体二聚体与DNA结合的结合的示意图。两个示意图。两个-螺旋的碱性区分别嵌入螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内双螺旋的大沟内常结合常结合CAAT盒盒目录目录常结合常结合CAAT盒盒3.3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,Bzip)（a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与模体与DNA结合的示意图。结合的示意图。两个两个-螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合骨架上的磷酸基团结合目录目录五、转录起始复合物的动态构成是五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式转录调控的主要方式（一）启动序列（一）启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性（二）调节蛋白与（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列列或或启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列会会影影响响其其与与RNA聚聚合合酶酶的的亲亲和和力力，而而亲亲和和力力大大小小则则直直接接影影响响转录起始的频率转录起始的频率真真核核RNA聚聚合合酶酶II不不能能单单独独识识别别、结结合合启启动动子子，而而是是先先由由基基本本转转录录因因子子与与RNA聚聚合合酶酶II形形成成一个功能性的转录前起始复合物。一个功能性的转录前起始复合物。目录目录图图18-12 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP目录目录六、转录后调控主要影响真核六、转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能的结构与功能（一）（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达稳定性的影响真核生物基因表达1.5-端的帽子结构可以增加端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性的稳定性2.3-端的端的poly(A)尾结构防止尾结构防止mRNA降解降解 RNA无无论论是是在在核核内内进进行行加加工工、由由胞胞核核运运至至胞胞浆浆，还还是是在在胞胞浆浆内内停停留留（至至降降解解），都都是是通通过过与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成核蛋白颗粒核蛋白颗粒(ribonucleoprotein,RNP)进行的。进行的。目录目录与与原原核核基基因因表表达达调调节节一一样样，某某些些小小分分子子RNA也也可可调调节节真真核核基因表达。基因表达。这这些些RNA都都是是非非编编码码RNA（noncoding RNA,ncRNA）。如如：具具有有催催化化活活性性的的RNA（核核酶酶）、细细胞胞核核小小分分子子RNA（snRNA）以及核仁小分子）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人们广泛关注的非编码目前人们广泛关注的非编码RNA有有miRNA和和siRNA。小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，对基因表达的调节十分复杂，（二）一些非编码小分子（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后可引起转录后基因沉默基因沉默目录目录（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达核生物基因表达真真核核生生物物基基因因所所转转录录出出的的mRNA前前体体含含有有交交替替连连接接的的内内含含子子和和外外显显子子。通通常常状状态态下下，mRNA前前体体经经过过剔剔除除内内含含子子序序列列后后成成为为一一个个成成熟熟的的mRNA，并并被被翻翻译译成成为为一一条条相相应应的的多多肽肽链链。但但是是，参参与与拼拼接接的的外外显显子子可可以以不不按按照照其其在在基基因因组组内内的的线线性性分分布布次次序序拼拼接接，内内含含子子也也可可以以不不完完全全被切除，由此产生了被切除，由此产生了选择性剪接选择性剪接目录目录七、真核基因表达在翻译以及翻译后七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起）的活性对起始阶段有重要的控制作用。始阶段有重要的控制作用。1 1翻译起始因子翻译起始因子eIF-2eIF-2的磷酸化抑制翻译起始的磷酸化抑制翻译起始 目录目录2 2eIF-4EeIF-4E及及eIF-4EeIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始结合蛋白的磷酸化激活翻译起始 帽结合蛋白帽结合蛋白eIF-4E与与mRNA帽结构的结合是翻译帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节结合均可调节eIF-4E的活性。的活性。磷酸化的磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化与帽结构的结合力是非磷酸化 的的eIF-4E的的4倍，因而可提高翻译的效率。倍，因而可提高翻译的效率。目录目录（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein,RBP），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。目录目录（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达调控基因表达新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。能的作用，是基因表达的快速调节方式。目录目录是是一一大大家家族族小小分分子子非非编编码码单单链链RNA，长长度度约约20-25个个碱碱基基，由由一一段段具具有有发发夹夹环环结结构构，长长度度为为7090个个碱碱基基的的单单链链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。这这些些成成熟熟的的miRNA 与与其其他他蛋蛋白白质质一一起起组组成成RNA诱诱导导的的沉沉默默复复合合体体（RNA-induced silencing complex,RISC），通通过过与与其其靶靶mRNA 分分子子的的3 端端非非翻翻译译区区域域（3 UTR）互互补补匹匹配配，再再以以目目前前尚尚不不清清楚楚的的机机制制抑抑制制该该mRNA 分分子子的的翻译。翻译。（四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA(microRNA,miRNA)目录目录其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：目录目录是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(2123个个碱碱基基)和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介介导导的的基基因因表表达达抑抑制制作作用用被被称称为为RNA干干涉涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)