真核基因表达调控

第一节概述一、真核生物基因表达调控的特点1、多层次2、无操纵子和衰减子3、个体发育复杂4、受环境影响较小二、基因表达的时间性及空间性1时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这是基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。2空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。又称细胞特异性或组织特异性。三、真核生物基因表达调控的层次：1、DNA水平调节2、转录水平调节3、转录后水平的调节4、翻译水平调节5、翻译后加工的调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后水平的调节翻译调节mRNA降解的调节翻译后加工的调节核细胞质第二节DNA水平的基因表达调控一、基因扩增(geneamplification)是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因表达调控的一种方式非洲爪蟾的卵母细胞rDNA的拷贝数目：500份2×106份，可装配1012个核糖体当胚胎期开始，增加的rDNA便失去功能并逐渐消失二、基因丢失有的生物在个体发育的早期在体细胞中要丢失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组。小麦瘿蚊（染色丢失了32条，只保留8条）马蛔虫三、基因重排(generearrangement)将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录的基因表达调控方式基因重排与免疫球蛋白多样性抗体结构：四聚体,重链和轻链；可变区和恒定区链家族V基因数C基因数人鼠人鼠链~30026~4链~300~100011重链(H)~3001000~98重链轻链基因组成要点：1、免疫球蛋白的肽链主要由可变区（V区）、恒定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成，V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。2、在浆细胞成熟过程中，通过染色体内DNA重组把几个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性免疫球蛋白的基因3、编码V区的基因很多，而只有少数几个基因编码C区；多个V区基因中的一个和C基因组合，产生一条DNA4、V区和C区不同片段在DNA水平上的各种排列组合是形成Ig分子多态性的根本原因V“gene”C“gene”LeaderVariableJsegmentConstantGermline淋巴细胞mRNA链链Germline淋巴细胞mRNALeaderVariableJsegmentsConstant轻链基因的重排重链基因的重排Germline淋巴细胞LeaderVariableDiversityJsegmentConstant1-101-4CH1HingeCH2CH3四、染色质结构影响基因转录常染色质（euchromatin）---基因可以转录异染色质（hetrochromatin）---基因不能转录活性基因置于异染色质内会失活位置效应（Positioneffect）：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变异染色质化：基因组某些区域被组装成高度压缩的异染色质的过程巴氏小体：哺乳类雌体细胞1条X染色体异染色质化（雌性X染色体基因表达的蛋白质可能是雄性的两倍）剂量补偿：女性两条X染色体的作用与男性一条X染色体基因产物剂量平衡的现象五、DNaseⅠ的敏感性和基因表达转录活跃区域对核酸酶的敏感度增加1、DNaseⅠ超敏感位点（hypersensitivesite）：具有转录活性的基因周围的DNA区域对DNaseⅠ降解高度敏感。2、特点：（1）一般在转录起始点附近，即5’启动子区域（2）低甲基化区（3）不存在核小体结构（4）裸露易与反式作用因子结合六、组蛋白修饰与基因表达调控（一）组蛋白的修饰：乙酰化/去乙酰化（Lys）转录增强/抑制甲基化（Lys,His,Arg）转录增强或抑制磷酸化（Ser,His）泛素化ADP核糖基化哈佛大学施洋----组蛋白去甲基化酶（二）组蛋白乙酰化1、两种酶（1）组蛋白乙酰转移酶(Histoneacetyltransferase)：催化组蛋白乙酰化，将乙酰基转移到组蛋白N端赖氨酸的ε-氨基上乙酰基供体：乙酰辅酶A（2）组蛋白去乙酰酶(Histonedeacetylase):去除乙酰基团2、组蛋白乙酰化与基因表达调控（1）关系：组蛋白的高乙酰化是活跃转录染色质的一个标志，而低乙酰化则与转录抑制有关（2）机理：乙酰基转移到组蛋白N端赖氨酸的ε-氨基上，中和了其正电荷，增加了疏水性，削弱了DNA与组蛋白的相互作用，有利于转录因子与DNA的结合，促进转录七、DNA甲基化(一）甲基化酶:1、维持性甲基化酶(日常型甲基化酶)：在DNA复制时,可识别新合成的半甲基化双链,并将甲基加到新链的非甲基化胞嘧啶上;2、从头合成型甲基化酶：不需要甲基化的DNA模板作指导,可以直接使非甲基化的DNA甲基化（二）原核细胞的DNA甲基化1、限制修饰系统的甲基化（1）限制外源DNA：限制性内切酶切断外源DNA（保护机制）（2）保护自身DNA：通过内切酶识别位点特定碱基的甲基化保护自身DNA，每一种DNA内切酶都有一个相关的甲基化酶2、Dam甲基化（1）DNA腺嘌呤甲基化酶：识别序列GATC（2）作用：a、错配修复：识别母链，修正子链b、转录调节：如抑制转座酶基因的转录，抑制转座3、Dcm甲基化（作用不清楚）（三）真核细胞DNA甲基化1、甲基化部位：胞嘧啶（C）5-甲基胞嘧啶（5-mC）（1）脊椎动物：5’-CG-3’（2）植物（两种基序）：5’-CG-3’，5’-CNG-3’（3）CpG岛：富含CpG的一段DNA，一般位于基因启动子附近特点：a、1~2kb；b、位于基因5’端；c、富含CpG二核苷酸基序2、甲基化的作用：（1）基因表达调控的一种方式（2）抑制外源基因的表达（3）抑制转座子、反转座子的活动3、DNA甲基化与基因表达调控基因表达与甲基化呈负相关DNA甲基化转录抑制作用机理（1）识别位点中胞嘧啶被甲基化，转录因子不能与其结合（2）特异性识别甲基化DNA的蛋白（如MeCP1）竞争性地抑制了转录因子的结合（3）DNA甲基化导致染色质结构和DNA构象的改变4、DNA甲基化与基因组印迹（1）基因组印迹：来源于父母本的一对等位基因表达不同（如X染色体失活）（2）基因组印迹的机制--DNA高度甲基化5、DNA甲基化与X染色体的失活X染色体DNA序列高度甲基化，基因被关闭（1）与X染色体的失活有关的序列：X染色体失活中心（Xic）Xist（Xi-specifictranscript）基因转录产物：RNA—不编码蛋白质（2）X染色体的失活的机制：XistRNA分子与Xic相互作用的结果（3）Xist基因的调控：DNA甲基化与去甲基化第三节转录水平的调控顺式调控元件(cis-regulatingelement)是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响其自身同处于一个DNA分子上的基因．反式作用因子(trans-actingfactor)是通过识别和结合顺式调控元件的核心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质．转录水平的调控主要是通过顺式调控元件与反式作用因子相互作用来实现实现的一、顺式调控元件(cis-regulatingelement)启动子、增强子、沉寂子、绝缘子、减弱子、应答元件（一）启动子(promoter）)1、核心启动子（corepromoter）：①TATA盒②起始子(initiator，Inr)2、上游启动子（upstreampromoterelement，UPE）-90bp：GC盒；-70bp：CAAT盒（二）增强子(enhancer)能显著提高基因转录效率的一类顺式调控元件1、举例：SV4072bprepeats(paired)上游~200bp处串联,单独作用充分,全部缺失减弱转录2、真核细胞的增强子作用特点：（1）能提高同一条链上的靶基因转录速率；（2）增强效应与其位置和取向无关（3）大多为重复序列，核心序列为(G)TGGA/TA/TA/T(G)（4）增强子对同源基因或异源基因同样有效自身（5）增强子一般具有组织或细胞特异性．（6）许多增强子还受外部信号的调控3、增强子作用机理---成环模型增强子通过一些蛋白质因子的介导可与远距离的启动子结合，使DNA形成了一个环，从而促使远距离的启动子的转录（三）上游激活序列（upstreamactivatingsequences，UASs）特点1、UASs是酵母中远上游序列类似于增强子。2、它仅影响转录效率，对起始位点选择不起作用。3、和增强子不同的是它有方向性，不能在启动子的下游起作用。4、与它结合的转录因子是GCN4和GAL4，识别位点为ATGACTCAT。（四）绝缘子(Insulator)阻止激活或失活效应的元件举例：1、当绝缘子位于增强子和启动子间时，能阻止增强子激活启动子作用。2、当绝缘子位于一个活化基因和异染色质之间时，它保护基因免受由异染色质扩展造成的失活效应影响。（五）减弱子（dehancer）在某些基因的上游远端或下游远端具有负调节作用的序列特点：作用不受距离和方向的影响（六）沉寂子(silencer)：阻遏某些基因表达的序列特点：作用不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用（七）应答元件（responseelement）能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列如HSE（热休克反应元件），GRE（糖皮质激素反应元件）；MRE（金属反应元件）；应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别应答元件(responseelements)结合蛋白(proteinbinding)GREBLEBLEMREMREMREMRETREGCTATASteroid-receptorAP2AP2AP1????SP1TFIID+RNApolBLEbasallevelelementMREmetalresponseelementAPactivatorprotein人金属硫蛋白基因启动区结构应答元件的特点：1.具有与启动子、增强子同样的一般特性.2.与起始点的位置不固定（多在-200以内;单个功能充分,但多为多拷贝;可位于启动子/增强子内部）.3.多基因由同一因子调控（如：热激效应）4.同一基因由多种途径调控（如：金属硫蛋白基因）.5.各效应元件不论位置如何都有独立的活化功能.二、反式作用因子(trans-actingfactor)DNA结合结构域(DNAbindingdomain)----用来结合DNA反式激活结构域(Transactivationdomain)----用来激活转录（一）转录因子DNA结合域几种常见基序锌指(zincfinger)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)二聚体结构域：螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix，HLH)亮氨酸拉链(Leucinezipper)1、锌指(zincfinger)C2H2型：由肽链的保守序列中的一对组氨酸和一对半胱氨酸(His2／Cys2)与锌离子形成一个四面体结构有两条β链和一个α螺旋，α螺旋区域上含有保守的碱性氨基酸，负责与DNA结合如TFIIIA、与GC盒结合的SPlC2H2型C4型：2对半胱氨酸(cys2／cys2)与一个锌离子形成配位键，如类固醇激素受体家族2、螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)两段螺旋被一短的转角结构分开多种果蝇胚胎发生的调节蛋白，同源异型蛋白1323、亮氨酸拉链(Leucinezipper)由一段每7个氨基酸残基就有一个Leu的伸展肽链组成，这些周期性出现的Leu都位于α-螺旋的同一侧面，形成一个疏水的表面，因此两条均含Leu拉链基序的蛋白质通过亮氨酸侧链的疏水作用形成二聚体。LLLLLLLL++++++++NH2NH2COOHCOOH肽链氨基端富含碱性氨基酸残基区，可与DNA结合碱性结构域富含碱性氨基酸残基在许多DNA结合蛋白质中发现通常与其他的二聚体结构域如亮氨酸拉链或HLH基序中的一个联合在一起，结果被称