真核生物基因表达调控精选PPT.ppt

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1、目目 录录关于真核生物基因表达调控第1页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录真核生物的基因表达调控第2页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现细胞中激活特定的基因，从而实现“预定预定”的、有序的、的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。一定的环境条件范围内保持正常功能。原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细

2、胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。转录的起始来调节的。第3页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度

3、的调节。二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控水平调控转录水平调控转录水平调控转录后水平调控转录后水平调控翻译水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控真核生物基因表达调控的种类：第4页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录真核生物的基因表达调控一、染色体与DNA水平的调控二、转录水平的调控三、转录后水平的调控四、翻译水平的调控五、翻译后水平的调控六、发育调控

4、第5页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录一、染色体与DNA水平的调控（一）、真核生物色质结构第6页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录 真核细胞中基因转录的模板是染色质而真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的不是裸露的DNADNA，因此染色质呈疏松或紧密，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定结构，即是否处于活化状态是决定RNARNA聚合聚合酶能否有效行使转录功能的关键。酶能否有效行使转录功能的关键。第7页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第8页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（二）染色质的重塑原核生物的基因组是裸露的，其原核生物的基因组是裸露的，其RNAR

5、NA聚合酶可直接识别启动子，起始转录。而真核生物的基因组和组蛋白结合压缩形成复杂的染色质结构。对真核生物的RNA聚合酶来说，和启动子的结合受染色质结构的限制。只有解除对转录模板的限制才能启动基因的表达。染色质中相关区域的结构改变，使转录活化的过程被称为染色质的重塑（chromatinremodelingchromatinremodeling）。染色质重塑导致核小体的结构发生变化，转录因子和RNA聚合酶得以接近并结合启动子，使转录发生。第9页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录用核酸酶处理染色质，再进行凝胶电泳显示，具有转录活性的基因和不具有转录活性的基因都出现200bp的条带，说明两者都具有

6、核小体结构，因此认为转录的的条带，说明两者都具有核小体结构，因此认为转录的过程中需要核小体的移位，即过程中需要核小体的移位，即RNARNA聚合酶结合部位的核小体需要暂时移开，等待RNARNA聚合酶作用后再重新聚合酶作用后再重新组装。实验发现，纯化的组装。实验发现，纯化的DNA加入核心组蛋白温浴后重建的染色体转录能力下降了75%75%，当在加入组蛋白H1H1后，转录能力可进一步下降后，转录能力可进一步下降25-100倍。如果在加倍。如果在加入入H1前先加入Sp1和和Gal4Gal4等活化蛋白，组蛋白抑制转录的效应可被活化因子阻止。关于转录活化因子调节基因表达中最为普遍接受的为：重塑蛋白首先与核小

7、体结合，不改变其结构，但使其松动并移位，顺式作用原件暴露出来，和相关转录因子或RNA聚合酶结合，启动转录过程。第10页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质活性染色质和非活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和色质结构从而便于转

8、录调控因子与顺式调控元件结合和RNARNA聚聚合酶在转录模板上滑动。合酶在转录模板上滑动。活性染色质活性染色质第11页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（三）、组蛋白的共价修饰组蛋白N末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等多种共价修饰作用，这些修饰对染色质的活性有着重要的调控作用。第12页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录组蛋白的乙酰化和去乙酰化组蛋白去乙酰化对转录的抑制作用(引自Weaver,2010)第13页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录(四)基因的丢失与扩增1.基因丢失（体细胞中染色体裂解成小染色体）马蛔虫（Parascaris equoorum）（2n=2

9、）第14页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录基因丢失1.只存在于一些低等生物体细胞中。在细胞分化时，当需要消除某些基因活性时才发生。2.采用基因丢失的方式调控是不可逆的。3.高等真核生物细胞具有全能性。第15页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录2.基因扩增（amplification）基因基因扩增是某些基因的拷增是某些基因的拷贝数大量增加的数大量增加的现象象,它使它使细胞在短期内胞在短期内产生大量基因生大量基因产物物满足生足生长发育育的需要的需要.1.非洲爪蟾的基因基因扩增增非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18SrRNA和28SrRNA的DNA，在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了400

10、0倍。第16页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录2.果果蝇的多的多线染色体（染色体（polytene）：每条染色体）：每条染色体中含有中含有许多相同的多相同的DNA分子。分子。在果在果蝇卵巢成熟之前，卵巢卵巢成熟之前，卵巢颗粒中的卵壳蛋白基粒中的卵壳蛋白基因被大量因被大量扩增。果增。果蝇卵原卵原细胞胞经过4次分裂次分裂产生生16个个细胞，其中胞，其中1个是卵母个是卵母细胞，其余胞，其余15个是个是营养养细胞，它胞，它们为卵卵细胞的形成提供大量的生物大分胞的形成提供大量的生物大分子。多子。多线染色体就存在于染色体就存在于营养养细胞中。胞中。第17页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（五）

11、、DNA的重排1.酵母交配型的交配型的转换转换 某些品系的酵母具有某些品系的酵母具有转换转换（switch）交配型的能力，）交配型的能力，即从即从a型型变变成成为为型，或从型，或从型型转变为转变为a型。型。这这些品系些品系带带有有显显性等位性等位基因基因HO，并，并频频繁地改繁地改变变它它们们的交配型（常常的交配型（常常每代改每代改变变一次）。一次）。转换转换的存在表明所有的的存在表明所有的细细胞都含有胞都含有MATa和和 MAT型的潜在信息，型的潜在信息，MAT和和MATa同在一条染色体上，同在一条染色体上，MAT样样基因基因HML位于位于MAT的左的左边边，MHR位于位于MAT的的右右边边

12、。第18页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录酵母的接合型转变第19页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录接合型转变的模型1977年Hicks,T.B.等提出了暗箱模型（cassettemodel）活性暗箱（activecassette）沉默暗箱（silentcassettes）沉默子（silencers）第20页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录 暗箱模型（暗箱模型（cassette model）1 MAT是活性暗盒（是活性暗盒（active cassette），可以是），可以是型，也可以型，也可以是是a型。型。HML和和HMR是沉默暗盒（是沉默暗盒（silent cassettes

13、），都不能），都不能表达，通常表达，通常HML带有有暗盒，而暗盒，而HMR带有有a暗盒，所有的暗盒，所有的暗盒都暗盒都带有有编码交配型的信息，但平交配型的信息，但平时由于受到由于受到MAR基因基因编码的阻遏蛋白的阻遏蛋白调节都不表达，只有都不表达，只有MAT位点区位点区（活性暗盒）（活性暗盒）可以表达。当沉默暗盒信息可以表达。当沉默暗盒信息“装装进”活性暗盒就可以表达。活性暗盒就可以表达。2 HO基因的基因的编码产物介物介导了沉默暗盒信息了沉默暗盒信息“装装进”活性活性暗盒。暗盒。该过程程类似于似于转座子的座子的转座行座行为。第21页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第22页，讲稿共58张

14、，创作于星期二目目 录录（六）DNA的甲基化与去甲基化DNA的甲基化存在于所有高等生物中，并与基因表达调控有关一般来讲，甲基化能关闭某些基因的活性，而去甲基化则诱导基因的重新活化。第23页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGGCCA/TGG和GATC中中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛，大部分不被甲基化。DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。第24页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录掺入正在合成的DNA中，可占据胞苷的位置

15、，从而使基因去甲基化CH35-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶第25页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶第26页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录二、转录水平的调控原核生物的转录调控:负调控-阻遏蛋白真核生物的转录调控:正调控-转录激活因子顺式作用元件反式作用因子第27页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（一）、顺式作用元件顺式作用元件由一定特殊的DNA序列组成，通常与其参与调控的功能基因连锁存在。它们的作用是调控基因的表达，本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点,要与反式作用因子相互作用而发挥功能。真核生物的顺式作用元件主要有启动子，增强子及沉默子等第28页，

16、讲稿共58张，创作于星期二目目 录录1.启动子核心启动子（corepromoter）上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）由于RNA聚合酶负责转录产生mRNA前体，所以我们主要以RNA聚合酶为例介绍转录的调节。第29页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录转录起始点转录起始点TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒 增强子增强子（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件转录起始前的上游区段转录起始前的上游区段 AATAAA切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子 翻译起始点翻译起始点内内含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体八聚体

17、DNA分子上具有的可影响转录的各种组分分子上具有的可影响转录的各种组分GC：GGGGCGGCAAT：GGCCAATCTTATA：TATAAAA第30页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录真核和原核生物启动子的比较第31页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第32页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录2.增强子：能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列1增强效应十分明显:10-200倍,甚至上千倍2增强效应与其位置和取向无关3没有基因专一性,与不同的基因组合均表现增强效应4其增强效应有严密的组织性和细胞特异性,只有特定的转录因子参与才能发挥其功能5许多增强子还受外部金属离子等调控第3

18、3页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录3 沉默子沉默子 silencersilencer负性调控元件负性调控元件，它与转录抑制因子结合抑制转，它与转录抑制因子结合抑制转录。录。最早在酵母中发现，以后在最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的淋巴细胞的T抗原抗原受体基因的转录和重排中证实其存在。受体基因的转录和重排中证实其存在。沉默子的作用特点：沉默子的作用特点：不受序列方向的影响不受序列方向的影响，能能远距离发挥远距离发挥作用，作用，第34页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录绝缘子4、绝缘子（insulator）：能阻止正调控或负调控信号在染色体上的传递，阻断包括增强子，沉默子的作用，是染

19、色质活性限制在一定结构域之内。第35页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（二）反式作用因子（二）反式作用因子反式作用因子指能与反式作用因子指能与顺式作用元件式作用元件结合的真核合的真核转录调节蛋白，因蛋白，因编码反式作用因子的基因与被反式作反式作用因子的基因与被反式作用因子用因子调控的靶序列（基因）不在同一染色体上而控的靶序列（基因）不在同一染色体上而得名。得名。反式作用因子反式作用因子 识别/结合合 顺式作用元件中的靶序列式作用元件中的靶序列 启启动转录例：例：转录因子因子TFD TFD 识别结合合 TATA boxTATA box 转录因子因子 SP1 SP1 识别结合合 GC box

20、GC box第36页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第37页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第38页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录反式因子有两个必需的反式因子有两个必需的结构域构域DNA DNA 结合合结构域：构域：与与顺式元件式元件识别、结合合转录激活激活结构域：构域：与其他蛋白与其他蛋白质结合合蛋白质蛋白质图图15-9第39页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）这类结构至少有两个螺旋其间由短肽段形成的转角连接，两个这样的motif结构以二聚体形式相连，距离正好相当于DNA一个螺距（3.4nm）,两个螺旋刚好嵌

21、入DNA的深沟。1.反式作用因子（DNA结合域）结构模式第40页，讲稿共58张，创作于星期二第41页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录Helix-turn-helix Helix-turn-helix 螺旋螺旋螺旋螺旋-转转角角角角-螺旋螺旋最常最常最常最常见见DNADNADNADNA结合域之一合域之一例：例：例：例：CAPCAPCAPCAP(最早在原核生物中最早在原核生物中发现）螺旋螺旋识别、进入入DNADNA双双螺旋螺旋结构的大沟构的大沟第42页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录锌指（zinc finger），每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸残基，锌以4个配位键与4个半胱氨酸

22、、或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有2-9个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构。第43页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录Zinc-fingers Zinc-fingers 锌指指最常最常最常最常见见DNADNA结结合域之一合域之一合域之一合域之一约有有3030个个个个AAAA残基残基残基残基其中其中4 4 4 4个个AAAA残基残基（2 2个个CysCys，2 2个个个个HisHisHisHis或或4 4个个个个CysCys）配位配位键 ZnZnZnZn2+2+锌指

23、指与与DNADNADNADNA双螺旋大沟双螺旋大沟结合。合。存在于多种真核存在于多种真核存在于多种真核存在于多种真核转录转录因子因子因子因子具多个具多个锌指指结结构构构构第44页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录碱性-亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP）这结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在螺旋的同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体，这二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。第45页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录Le

24、ucine-zippersLeucine-zippers 亮氨酸拉亮氨酸拉亮氨酸拉亮氨酸拉链链一段一段肽链中每隔中每隔6 6个个AAAAAAAA 即有一个即有一个即有一个即有一个LeuLeu 螺旋螺旋螺旋螺旋 亲亲水面：水面：水面：水面：亲亲水水水水AAAA组组成成成成 疏水面：疏水面：LeuLeuLeuLeu组组成成成成 （亮氨酸拉（亮氨酸拉链条）条）可形成二聚体（可形成二聚体（可形成二聚体（可形成二聚体（发挥发挥作用）作用）作用）作用）DNADNADNADNA的的的的结结合域：合域：合域：合域：拉拉链区以外区以外结构构第46页，讲稿共58张，创作于星期二这类蛋白质的这类蛋白质的DNA结合结

25、构域实际是以碱性区结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。第47页，讲稿共58张，创作于星期二碱性亮氨酸拉链模体碱性亮氨酸拉链模体第48页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录螺旋螺旋螺旋螺旋-环环环环-螺旋螺旋螺旋螺旋:helix-loop-helix:helix-loop-helix:helix-loop-helix:helix-loop-helix:两个双性的两个双性的 螺旋被非螺旋被非螺旋的环状结构所隔开螺旋的环状结构所隔开,蛋白质的氨基端则是碱性区蛋白质的氨基端则是碱性区,其其DNADNA结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似结合特性与亮氨

26、酸拉链类蛋白相似.第49页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录helix-loop-helixhelix-loop-helix 螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋螺旋螺旋 -螺旋有兼性螺旋有兼性形成二聚体形成二聚体有利于其与有利于其与DNADNA结合合第50页，讲稿共58张，创作于星期二螺旋-环-螺旋第51页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录2.转录激活域激活域是与其它转录因子相互作用的结构成分，可控制转录起始复合物的组装和转录起始，具有转录调控功能。酸性激活域，半乳糖代谢的转录因子。谷氨酰胺激活域，结合GC框的Sp1。脯氨酸激活域，识别CAAT框的转录因子CTF。第52页，讲稿共58张，创作于星

27、期二目目 录录三、转录后水平的基因表达调控（一）、可变拼接有些mRNA前体可通过不同的方式剪接，选择不同的外显子，形成两种或多种成熟mRNA，编码不同的蛋白产物，称为可变拼接。第53页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录 19801980年，年，DavidBaltimoreDavidBaltimore在小鼠在小鼠IgMIgM重链基因中发现了可变重链基因中发现了可变拼接，拼接，IgMIgM基因最后两个外显子，决定了所编码的基因最后两个外显子，决定了所编码的IgMIgM是膜型，是膜型，还是分泌型，其中膜型的羧基端是疏水性的，可以结合在膜上，而还是分泌型，其中膜型的羧基端是疏水性的，可以结合在膜上

28、，而分泌型的羧基端是亲水的，分泌到细胞外。实验发现，这两种形式分泌型的羧基端是亲水的，分泌到细胞外。实验发现，这两种形式的蛋白是通过可变拼接产生的。的蛋白是通过可变拼接产生的。IgMIgM重链基因有两个转录终止信号和重链基因有两个转录终止信号和两个终止密码子。转录终止信号两个终止密码子。转录终止信号和终止密码子和终止密码子位于内含子中，位于内含子中，终止密码子终止密码子之前是一段亲水性肽段编码区。如果转录在转之前是一段亲水性肽段编码区。如果转录在转录终止信号录终止信号处停止，产生的处停止，产生的mRNAmRNA前体只有前体只有55拼接点，而没拼接点，而没有有33拼接点，因此不发生拼接，内含子未

29、被去除，翻译在终止拼接点，因此不发生拼接，内含子未被去除，翻译在终止密码子密码子处停止，产生分泌型蛋白。如果转录在转录终止信号处停止，产生分泌型蛋白。如果转录在转录终止信号处停止，产生的处停止，产生的mRNAmRNA前体既有前体既有55拼接点，也有拼接点，也有33拼接点，发生拼接点，发生拼接，内含子被去除，翻译在终止密码子拼接，内含子被去除，翻译在终止密码子处停止，而终止密码处停止，而终止密码子子之前的序列编码一段疏水性肽段，产生膜型蛋白。之前的序列编码一段疏水性肽段，产生膜型蛋白。小鼠IgM重链基因的可变拼接第54页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录第55页，讲稿共58张，创作于星期二目

30、目 录录（二）、RNA的编辑RNA编辑使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，有些基因的主要转录产物必须经过编辑才能有效地起始翻译，或产生正确的开放阅读框(ORF)，RNA编辑的结果不仅扩大了遗传信息，而且使生物更好地适应生存环境。第56页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录（三）、RNA的转运转运控制（transportcontrol）是对RNA从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。真核和原核生物不同，具有成形的细胞核和核膜，核膜就是一个基因表达的控制点。实验表明几乎有一半的蛋白编码基因的初始转录产物一直留在核内，然后被降解掉。第57页，讲稿共58张，创作于星期二目目 录录感感谢谢大大家家观观看看第58页，讲稿共58张，创作于星期二