第八章-真核基因表达调控

第八章真核基因表达调控一般规律引言与原核生物相比，真核生物：1.多细胞组成；2.复杂的染色质结构；3.大量重复序列；4.内含子序列；5.转录翻译的时空差异。真核生物基因调控分类根据调控反应是否可逆分为•瞬时调控或可逆性调控包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节。•发育调控或不可逆调控决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。根据基因调控发生的先后次序分为：•转录水平调控•转录后水平RNA加工成熟过程的调控翻译水平的调控蛋白质加工水平P281,Fig.8-1研究基因调控主要应回答三个问题什么是诱发基因转录的信号？基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？不同水平基因调控的分子机制是什么？本章主要内容提要1.真核生物的基因结构与转录活性；2.真核基因转录机器的主要组成；3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控；4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响；5.激素与热激蛋白对基因表达的影响；6.其他水平上的表达调控。8.1真核生物的基因结构与转录活性真核与原核基因表达过程中的主要差异：①在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少原核生物中常见的多基因操纵子形式。②真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，只有一小部分DNA是裸露的。③真核细胞DNA很大一部分不转录。④真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，增加细胞内某些基因的拷贝数。⑤基因转录的调节区很大，可能远离转录起始位点达几百个甚至上千个碱基对，主要通过改变整个所控制基因5'上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。⑥许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。⑦真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。8.1.1基因家族（genefamily）基因家族——真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇，也可能分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。1、简单多基因家族简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。例，rRNA。原核中，16S，23S和5SrRNA基因联合成一个转录单位，各种rRNA分子都是从这个转录单位上剪切下来的。真核生物中，前rRNA转录产物的分子量为45S，（约有14000个核苷酸），包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析P283,图8-2脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的分布与成熟过程分析P283,图8-32、复杂多基因家族复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。例，海胆组蛋白基因家族：编码不同组蛋白的基因处于一个约为6000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达1000次。每个基因被转录成单顺反子RNA（无内含子）；核心组蛋白物质的量相等，H1是其一半；在胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。3、发育调控的复杂多基因家族血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由2α2β（珠蛋白）组成的四聚体加上一个血红素辅基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的α和β亚基。人β-珠蛋白基因的基本结构人α珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上，约占30kb左右，其中ζ为胚胎期基因，在胚胎第一天，ζ多肽链（42%），α2多肽链（24%），从第五周起，ζ开始关闭。β珠蛋白基因簇位于11号染色体短臂上，约占50-60kb，其中ε为胚胎期基因，Gγ和Aγ为胎儿型基因，δ和β为成人期基因。不同发育阶段血红蛋白亚型人细胞中α和β-珠蛋白基因簇结构示意图假基因P285,Fig.8-7假基因：基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列。8.1.2真核基因的断裂结构1、外显子与内含子“intron”是指存在于原始转录物或基因组DNA中，但不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成的。2、外显子与内含子的连接区与剪接有关的序列3、外显子与内含子的可变调控真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生不同的mRNA，翻译成不同的蛋白质。有些真核基因，如肌红蛋白重链基因虽有41个外显子，却能精确地剪接成一个成熟的mRNA，我们称这种方式为组成型剪接。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA，编码一个多肽。原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同的mRNA，并翻译成不同蛋白质；有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构，产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程称为选择性剪接。选择性剪接8.1.3真核生物DNA水平上的基因表达调控DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。1.“开放”型活性染色质结构对转录的影响转录前染色质在特定区域发生核小体结构的消除或改变、DNA本身局部结构变化、DNA从右旋到左旋转变等，促使结构基因暴露而诱发基因转录。DNA酶I敏感位点（多位于5‘端启动区）灯刷染色体核小体的伸展和压缩2、基因扩增基因扩增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，是基因活性调控的一种方式。例，非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体。基因扩增之前，rDNA区位于单个核仁中；在卵母细胞发育过程中，核仁数量大大增加，能达几百个；卵母细胞成熟后，多余的rDNA将逐渐被降解；降解过程一直持续到卵母细胞受精后并分裂产生几个百个细胞时。3、基因重排与变换基因重排——将一个基因从远离启动子的地方移到较近的位点从而启动转录。例，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。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。所有Ig分子都含有两类轻链中的一类，即κ型或λ型。Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是不同的。在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体轻链中，κ型和λ型各占50%左右。人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达酵母交配型转换8.1.4DNA甲基化与基因调控A.DNA的甲基化DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。高等生物CpG二核苷酸中的C通常被甲基化，极易自发脱氨，生成胸腺嘧啶，所以CpG二核苷酸序列出现的频率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。CpG岛是指DNA上一个区域，此区域含有大量相联的胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）。甲基化可以改变DNA双螺旋构型，也会影响模板与RNA聚合酶的结合。启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动子仍无转录活性。B.DNA甲基化抑制基因转录P295,Fig.8-15C.DNA甲基化与X染色体失活失活染色体上的基因都是高度甲基化的；X染色体上具有失活中心Xic与失活有关的基因Xist，转录产物为没有ORF的RNA；失活染色体上的Xist基因是非甲基化的，而活性染色体上的Xist基因是甲基化的；失活染色体上的非甲基化Xist基因的转录产物RNA的作用用于Xic，引起构象变化，促使染色体甲基化，而使该染色体失活。8.2真核基因转录机器的主要组成真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（transactingfactor，又称跨域作用因子）调控。8.2.1真核基因的转录P297，图8-161、启动子核心启动子（corepromoter）：是指保证RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游-25∼-30bp处的TATA盒。上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等，能通过TFIID复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。2.转录模板；3.RNA聚合酶Ⅱ；4.转录因子；5.转录终止位点。8.2.2增强子及其对转录的影响增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列，该序列是产生增强效应所必需的。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合物分为3部分：参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性。与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基因特异性。与特异调控序列结合的转录因子。8.2.3反式作用因子反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。1反式作用因子中的DNA识别或结合域A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix,H-T-H）结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相结合，提高了稳定性B、锌指（Zincfinger）蛋白：包括锌指、锌钮(twist)和锌簇(cluster)结构，有锌参与时才具备转录调控活性。与DNA的结合较为牢固，特异性也很高。例，类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构，以同源或异源性二聚体的方式将两个α螺旋结合在相邻的两个大沟中。一些转录因子和蛋白质通过Cys2/His2与DNA相结合具有Cys2/Cys2锌指区的转录因子C、碱性-亮氨酸拉链（basic-leucinezipper），即bZIP结构，与CAAT盒和病毒的增强子结合。蛋白中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。以二聚体形式与DNA结合，亮氨酸拉链区并不直接结合DNA，肽链氨基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合，但以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础。碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子碱性亮氨酸拉链转录激活蛋白与调控区DNA相结合的示意图D、碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix/loop/helix，即bHLH结构）例，在免疫球蛋白κ轻链基因的增强子结合蛋白E12与E47中，羧基端100～200个氨基酸残基可形成两个两性α螺旋，被非螺旋的环状结构所隔开，蛋白质的氨基端则是碱性区，其DNA结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似。bHLH类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的DNA结合能力。当这类异源二