真核生物基因表达的调控

第七章真核生物基因表达的调控(ControlofEukaryoticGeneExepression)7.1DNA水平的调控7.2转录水平的调控(transcriptionalregulation)7.3转录后水平的调控(posttranscriptionalregulation)7.4翻译水平的调控(translationalregulation)7.5翻译后水平的调控(proteinmaturation)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（interruptedgene）、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•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、加工真核基因表达调控特点多层次调控失活7.1DNA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(geneamplification)：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(generearrangement)：–如免疫球蛋白基因重排，多样性DNA水平的调控•DNA甲基化(DNAmethylation)：–mCpG，即“CpG岛(CpG-richislands)”–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：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-chromosomeinactivationcenter,Xic):Xist基因(Xi-specifictranscript)XistX染色体其他位点甲基化，不转录活性去甲基化，活性去甲基化，转录失活甲基化，失活•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。7.2转录水平的调控7.2.1顺式作用元件(cis-actingelement)7.2.2反式作用因子(trans-actingfactor)7.2.3转录起始的调控7.2.1顺式作用元件(cis-actingelement)•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•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-actingfactors）也不同，因此，基因转录活性也很不相同。顺式作用元件（一）启动子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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。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。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（corepromoter），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。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5SrRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子（internalpromoter），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。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(corepromoter)TATA盒，-25~-30bp*上游启动子元件(upstreampromotorelements,UPE)：CAAT盒，-70bp；GC盒等，通过TFII复合物来提高转录效率。•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。顺式作用元件（二）增强子增强子的性质•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。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。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。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。7.2.2反式作用因子(trans-actingfactor)•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(generaltranscriptionfactors)—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(specialtranscriptionfactors)—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。反式作用因子特点•三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-bindingdomain)；转录活性域(transcriptionalactivationdomain)；结合其他蛋白的结合域。•能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)•正调控与负调控功能结构域反式作用因子结构域的模式•DNA结合域(DNA-bandingdomain)–锌指结构(zincfingermotif)–同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-转折-螺旋(helix-turn-helix)–亮氨酸拉链结构(leucinezipper)–螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)–碱性α螺旋(alkalineα-helix)锌指结构(zincfingermotif)•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。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。碱性亮氨酸拉链(basicleucinezipper)•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。碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子螺旋-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。螺旋-环-螺旋反式作用因子结构域的模式•转录活化结构域(transcriptionalactivationdomain)–酸性α-螺旋结构域(acidicα–helixdomain)–富含谷氨酰胺结构域(glutamine-richdomain)–富含脯氨酸结构域(proline-richdomain)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(transcriptionfactor,TF)；*启动子与TF结合后，才能被RNApol识别与结合；*-25～-30区：TATA盒转录起始的调控TBP:TATA-bindingproteinTAFs:TBPassociatedfactors转录起始的调控•反式作用因子的活性调节–合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解–共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化–配体结合：如激素与受体的结合–蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体•反式作用因子与顺式作用元件的结合转录起始的调控•反式作用因子的作用方式–成环、扭曲、滑动、Oozing等•反式作用因子的组合式调控作用(conbinatorialgeneregulation)–使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达成环反式作用因子与顺式作用元件的结合组合式调控作用7.3转录后水平的调控•5′端加帽(cap)和3′端多聚腺苷酸化(polyA)的调控意义–使mRNA稳定，在转录过程中不被降解•mRNA的选择剪接(alternativesplicing)对基因表达的调控–外显子选择(optionalexon)、内含子选择(optionalintron)、互斥外显子、内部剪接位点•mRNA运输的控制•G蛋白受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活性因子，再与效应器发生反应。由于这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合并水解GTP，所以通常称G蛋白，即鸟苷酸调节蛋白（guaninenucleotideregulatoryprotein）。•反义RNA(antisenseRNA)是指mRNA互补的RNA分子。这种反义RNA能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种方式。然而，许多实验证明，在真核细胞中亦存在反义RNA，但其功能尚未全部明了。cAMPresponseelementCRE–bindingprotein7.4翻译水平的调控•翻译起始的调控–未受精卵：隐蔽mRNA(maskedmRNA)；受精：招募因子(recruitmentfactor)，激活隐蔽mRNA–阻遏蛋白的调控：铁结合调节蛋白(regulatoryiron-bindingprotein)–翻译起始因子的调控：eIF-2，血红素对珠蛋白合成的调节–5′AUG对翻译的调控作用：减少正常AUG启动翻译的作用，使翻译维持在较低水平–mRNA5′端非编码区长度对翻译的影响。铁结合调节蛋白3′3′翻译起始因子(eIF2)的调控翻译水平的调控•mRNA稳定性调节–3′端非编码区结构影响其稳定性：3′端富含A和U的结构，引起mRNA不稳定–蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，mRNA半衰期达100小时，其他仅2.5小时•小分子RNA对翻译水平的影响7.5翻译后水平的调控•新生肽链的水解：酶解–肽链N