第七章 真核基因的表达调控精选文档.ppt
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1、第七章 真核基因的表达调控本讲稿第一页,共六十九页真核生物基因调控可分为两大类,第一真核生物基因调控可分为两大类,第一类是瞬时调控或称可逆性调控,它相当类是瞬时调控或称可逆性调控,它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反于原核细胞对环境条件变化所做出的反应,包括某种底物或激素水平升降,或应,包括某种底物或激素水平升降,或细胞周期不同阶段酶活性的调节;第二细胞周期不同阶段酶活性的调节;第二类是发育调控或称不可逆调控,是真核类是发育调控或称不可逆调控,是真核基因调控的精髓部分,它决定了真核细基因调控的精髓部分,它决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。胞生长、分化、发育的进程。本讲稿第二页,共六十九
2、页根据基因调控发生的先后次序,可将其分为根据基因调控发生的先后次序,可将其分为转录水平调控及转录后水平调控。后者又进转录水平调控及转录后水平调控。后者又进一步分为一步分为RNA加工成熟过程的调控、翻译水加工成熟过程的调控、翻译水平的调控及蛋白质加工水平的调控。平的调控及蛋白质加工水平的调控。诱发诱发基因转录的信号、基因转录的信号、基因调控在哪一步基因调控在哪一步(模板模板DNA的转录、的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成的成熟或蛋白质合成)实现以及实现以及不同水平基因调控的分子机制是不同水平基因调控的分子机制是研究基因调控的三个主要内容。研究基因调控的三个主要内容。本讲稿第三页,共六十九页1 真
3、核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性 真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在的差异的空间结构方面存在的差异:(l)在真核细胞中,成熟在真核细胞中,成熟mRNA为单顺反为单顺反子子mRNA,很少存在原核生物中常见的多,很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。基因操纵子形式。(2)真核细胞真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白与组蛋白和大量非组蛋白相结合,只有一小部分相结合,只有一小部分DNA是裸露的。是裸露的。本讲稿第四页,共六十九页(3)高等真核细胞高等真核细胞DNA中很大部分是中很大部分是不转录的,大部分真核细胞的基
4、因中不转录的,大部分真核细胞的基因中间存在不被翻译的内含子。间存在不被翻译的内含子。(4)真核生物能够有序地根据生长发育真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行阶段的需要进行DNA片段重排,还能片段重排,还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数,这种能力在原核生物中是极为鲜数,这种能力在原核生物中是极为鲜见的。见的。5本讲稿第五页,共六十九页(5)在原核生物中,转录的调节区很小,大都在原核生物中,转录的调节区很小,大都位于转录起始位点上游不远处;调控蛋白结合位于转录起始位点上游不远处;调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚
5、合酶对聚合酶对它的结合。它的结合。在真核生物中,基因转录的调节区则大得多,可能在真核生物中,基因转录的调节区则大得多,可能远离核心启动子达几百个甚至上千个碱基对。这些远离核心启动子达几百个甚至上千个碱基对。这些调节区也能与蛋白质结合,但并不直接影响启动子调节区也能与蛋白质结合,但并不直接影响启动子对对RNA聚合酶的接受程度,而是通过改变整个基因聚合酶的接受程度,而是通过改变整个基因5上游区上游区DNA构型来影响它与构型来影响它与RNA聚合酶的结合力。聚合酶的结合力。本讲稿第六页,共六十九页(6)真核生物的真核生物的RNA在细胞核中合成,在细胞核中合成,只有经转运穿过核膜,到达细胞质后,只有经转
6、运穿过核膜,到达细胞质后,才能被翻译成蛋白质。原核生物中不才能被翻译成蛋白质。原核生物中不存在这样严格的空间间隔。存在这样严格的空间间隔。(7)许多真核生物的基因只有经过复许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程,才能被顺利地杂的成熟和剪接过程,才能被顺利地翻译成蛋白质。翻译成蛋白质。本讲稿第七页,共六十九页1.1 外显子和内含子的可变调控外显子和内含子的可变调控通常,一个基因的转录产物通过组成型剪通常,一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟接只能产生一种成熟mRNA。由于选择性剪接,有一些真核生物基因的由于选择性剪接,有一些真核生物基因的原始转录产物可通过不同的剪接方式,产原
7、始转录产物可通过不同的剪接方式,产生不同的生不同的mRNA。一些核基因由于转录时选择不同的启动子,一些核基因由于转录时选择不同的启动子,使使mRNA表达水平发生极大的变化。表达水平发生极大的变化。本讲稿第八页,共六十九页小鼠淀粉酶基因表达小鼠淀粉酶基因表达由由S外显子起始的转录物是由外显子起始的转录物是由L外显子起始转录产外显子起始转录产物的物的100倍以上。倍以上。本讲稿第九页,共六十九页1.2 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控在个体发育过程中,在个体发育过程中,DNA会发生规律性变会发生规律性变化,从而控制基因表达和生物的发育。化,从而控制基因表达和生物的发育。成熟红细胞能产
8、生大量的可翻译成熟珠蛋成熟红细胞能产生大量的可翻译成熟珠蛋白的白的mRNA,它的前体细胞是不产生珠蛋,它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因的拷贝数发生白的。这种变化是由于基因的拷贝数发生了永久性变化所调控的。这样的了永久性变化所调控的。这样的DNA水平水平的调控是真核生物发育调控的一种形式,的调控是真核生物发育调控的一种形式,这包括基因丢失、扩增、重排和移位。这这包括基因丢失、扩增、重排和移位。这种调控使基因组发生了改变。种调控使基因组发生了改变。10本讲稿第十页,共六十九页开放型活性染色质结构引起转录开放型活性染色质结构引起转录真核基因的活跃转录是在染色质上真核基因的活跃转录是在
9、染色质上进行的。准备转录时,染色质在特进行的。准备转录时,染色质在特定区域被解旋松弛,引起核小体结定区域被解旋松弛,引起核小体结构和构和DNA局部结构的变化,并导致局部结构的变化,并导致结构基因暴露,促进转录因子与启结构基因暴露,促进转录因子与启动子区动子区DNA的结合,诱发基因转录。的结合,诱发基因转录。本讲稿第十一页,共六十九页暴露的暴露的DNA易受核酶的攻击,活跃表易受核酶的攻击,活跃表达基因所在染色质上含有达基因所在染色质上含有DNA酶酶I超敏超敏感位点,这些超敏感位点大多位于基感位点,这些超敏感位点大多位于基因因5端启动子区。端启动子区。非活性状态基因非活性状态基因5端相应位点不表现
10、端相应位点不表现对对DNA酶酶I的超敏感性。的超敏感性。本讲稿第十二页,共六十九页基因扩增基因扩增基因扩增基因扩增为了满足某个阶段生长发育的需为了满足某个阶段生长发育的需要,基因的拷贝数专一性大量增加的现象,是要,基因的拷贝数专一性大量增加的现象,是基因活性调控的一种方式。例如,非洲爪蟾的基因活性调控的一种方式。例如,非洲爪蟾的卵母细胞中原有卵母细胞中原有rRNA基因(基因(rDNA)约)约500个个拷贝。卵裂期和胚胎期,需要大量的拷贝。卵裂期和胚胎期,需要大量的rRNA,基因会大量复制基因会大量复制rDNA,使拷贝数达到,使拷贝数达到200万,万,扩增约扩增约4000倍。倍。本讲稿第十三页,
11、共六十九页13 DNA甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控DNA甲基化修饰途径存在于所有高等生物甲基化修饰途径存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切相关。大量研究中并与基因表达调控密切相关。大量研究表明,表明,DNA甲基化能关闭某些基因的活性。甲基化能关闭某些基因的活性。DNA甲基化能引起染色质结构、甲基化能引起染色质结构、DNA构象、构象、DNA稳定性及稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。的改变,从而控制基因表达。本讲稿第十四页,共六十九页DNA的甲基化的甲基化DNA甲基化修饰过程通过改变基因甲基化修饰过程通过改变基因的表达,参与细胞的生
12、长、发育过的表达,参与细胞的生长、发育过程及程及X染色体失活等的调控。染色体失活等的调控。DNA甲基化主要形成甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的和少量的N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤(N6-mA)及及7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤(7-mG)。15 本讲稿第十五页,共六十九页DNA甲基化抑制基因转录的机理甲基化抑制基因转录的机理用组蛋白用组蛋白Hl与含与含CCGG序列的甲基化和非序列的甲基化和非甲基化甲基化DNA实验后发现:甲基化达到一定实验后发现:甲基化达到一定程度时会发生从常规的程度时会发生从常规的B-DNA向向Z-DNA的的过渡。又由于过渡。又由于Z-DNA结构收缩,螺旋加
13、深,结构收缩,螺旋加深,使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟而不利于基因转录的起始。沟而不利于基因转录的起始。DNA甲基化导致某些区域甲基化导致某些区域DNA构象变化,构象变化,影响蛋白质与影响蛋白质与DNA的相互作用;抑制转录的相互作用;抑制转录因子与启动区因子与启动区DNA的结合效率。的结合效率。本讲稿第十六页,共六十九页用序列相同但甲基化水平不同的用序列相同但甲基化水平不同的DNA为材为材料,比较其作为料,比较其作为RNA聚合酶转录模板的活聚合酶转录模板的活性,发现甲基的引入不利于模板与性,发现甲基的引入不利于模板与RNA聚聚合酶的结合,降低了其体外
14、转录活性。合酶的结合,降低了其体外转录活性。5-甲基胞嘧啶在甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的,上并不是随机分布的,基因的基因的5端和端和3端往往富含甲基化位点,而启端往往富含甲基化位点,而启动区动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。抑制的程度密切相关。17 本讲稿第十七页,共六十九页72 真核基因的转录调控真核基因的转录调控真核基因的调控主要也是在转录水真核基因的调控主要也是在转录水平上进行的。平上进行的。具体方式是特定的反式作用因子具体方式是特定的反式作用因子(trans-acting factor,又称跨域作,又称跨域作用因子用因子)
15、与顺式作用元件与顺式作用元件(cis-acting,element)相互作用而进行相互作用而进行的。的。本讲稿第十八页,共六十九页7.2.1 顺式作用元件顺式作用元件真核生物启动子和增强子。它们真核生物启动子和增强子。它们由若干由若干DNA序列元件组成,它们序列元件组成,它们常与特定的功能基因连锁在一起。常与特定的功能基因连锁在一起。本讲稿第十九页,共六十九页1.启动子启动子(Promoter)真核基因启动子由核心启动子和上游真核基因启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成,是在基因转录启动子两个部分组成,是在基因转录起始位点起始位点(+1)及其及其5上游大约上游大约100200bp以内的一
16、组具有独立功能的以内的一组具有独立功能的DNA序列,是决定序列,是决定RNA聚合酶聚合酶转录转录起始点和转录频率的关键元件。起始点和转录频率的关键元件。20本讲稿第二十页,共六十九页(1)核心启动子核心启动子(core promoter)是指保证是指保证RNA聚合酶聚合酶转录正常起始所转录正常起始所必需的、最少的必需的、最少的DNA序列。包括转录起序列。包括转录起始位点及转录起始位点上游始位点及转录起始位点上游-25-30bp处的处的TATA盒。核心启动子单独起作用时,盒。核心启动子单独起作用时,只能确定转录起始位点并产生基础水平只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。的转录。本讲稿第二十一
17、页,共六十九页(2)上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter element,UPE)包括通常位于包括通常位于-7Obp附近的附近的CAAT盒盒(CCAAT)和和GC盒盒(GGGCGG)等,能等,能通过通过TFD复合物调节转录起始的复合物调节转录起始的频率,提高转录效率。频率,提高转录效率。本讲稿第二十二页,共六十九页2.增强子及其对转录的影响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增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的录频率明显增加的DNA序列。病毒、序列。病毒、植物、动物和人类正常细胞中都发植物、动物和人类正常细胞中都发现有增强子存在。作为基因表
18、达的现有增强子存在。作为基因表达的重要调节元件,增强子通常具有下重要调节元件,增强子通常具有下列特性列特性:本讲稿第二十三页,共六十九页(1)增强效应十分明显增强效应十分明显 一般能使基因转录频率一般能使基因转录频率增加增加10200倍,有的可以增加上千倍。倍,有的可以增加上千倍。(2)增强效应与其位置和取向无关增强效应与其位置和取向无关 不论增强子不论增强子以什么方向排列以什么方向排列(53或或35),甚至与靶,甚至与靶基因相距基因相距3000bp或在靶基因下游,均表现出或在靶基因下游,均表现出增强效应。增强效应。(3)大多为重复序列大多为重复序列 一般长约一般长约50bp,适合,适合与某些
19、蛋白因子结合。其内部常含有一个产与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个产生增强效应时所必需的核心序列生增强效应时所必需的核心序列:(G)TGGA/TA/TA/T(G)。本讲稿第二十四页,共六十九页(4)没有基因专一性,可以在不同的基没有基因专一性,可以在不同的基因组合上表现增强效应。因组合上表现增强效应。(5)许多增强子受外部信号的调控,许多增强子受外部信号的调控,如金属硫蛋白基因启动区上游所带如金属硫蛋白基因启动区上游所带的增强子,就可以对环境中的锌、的增强子,就可以对环境中的锌、镐浓度做出反应。镐浓度做出反应。25本讲稿第二十五页,共六十九页增强子的功能受增强子的功能受DNA双螺旋空间构象的
20、影响。双螺旋空间构象的影响。增强子有如下增强子有如下3种作用机制种作用机制:1.影响模板附近的影响模板附近的DNA双螺旋结构,导致双螺旋结构,导致DNA双螺旋弯折或在反双螺旋弯折或在反式因子的参与下,以蛋白质之间的相互作用为式因子的参与下,以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间媒介形成增强子与启动子之间成环成环连接,活连接,活化基因转录。化基因转录。2.将模板固定在细胞核内特定位将模板固定在细胞核内特定位置,如连接在核基质上,有利于置,如连接在核基质上,有利于DNA拓扑异构拓扑异构酶改变酶改变DNA双螺旋结构的张力,促进双螺旋结构的张力,促进RNA聚合聚合酶在酶在DNA链上的结合和
21、滑动。链上的结合和滑动。3.增强子区可以增强子区可以作为反式作用因子或作为反式作用因子或RNA聚合酶进入染色质结聚合酶进入染色质结构的构的 入口入口。本讲稿第二十六页,共六十九页722 反式作用因子反式作用因子参与调控靶基因转录效率的蛋白质,它们参与调控靶基因转录效率的蛋白质,它们能识别或者结合在各类顺式作用元件核心能识别或者结合在各类顺式作用元件核心序列上序列上(如如:上游调控元件或增强子区域上游调控元件或增强子区域)。这些因子有两种独立的活性这些因子有两种独立的活性:特异地与特异地与DNA结合位点相结合,然后激活转录。两种活结合位点相结合,然后激活转录。两种活性可以独立分配给特定的蛋白结构
22、域,分性可以独立分配给特定的蛋白结构域,分别称作别称作DNA结合结构域和激活结构域,两结合结构域和激活结构域,两者是相分离的。它们在蛋白质的不同区域。者是相分离的。它们在蛋白质的不同区域。本讲稿第二十七页,共六十九页1 DNA结合结构域结合结构域1.螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋(helix-turn-helix,H-T-H)结构结构 这一类蛋白质分子中有至少两个这一类蛋白质分子中有至少两个螺旋,中间由短侧链氨基酸残基形成螺旋,中间由短侧链氨基酸残基形成“转转折折”,近竣基端的,近竣基端的螺旋中氨基酸残基的替螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的双螺旋大沟中
23、的结合。与结合。与DNA相互作用时,同源域蛋白的相互作用时,同源域蛋白的第一、二两个螺旋往往靠在外侧,其第三第一、二两个螺旋往往靠在外侧,其第三个螺旋则与个螺旋则与DNA大沟相结合,并通过其大沟相结合,并通过其N-端的多余臂与端的多余臂与DNA的小沟相结合。的小沟相结合。本讲稿第二十八页,共六十九页本讲稿第二十九页,共六十九页2.锌指结构域锌指结构域这种结构域有两种形式,这种结构域有两种形式,C2H2型锌指通过型锌指通过2个半胱氨个半胱氨酸和酸和2个组氨酸残基固定,这四个残基与锌离子在空间个组氨酸残基固定,这四个残基与锌离子在空间上形成一个四面体结构。这种锌指折叠形成一个紧密的上形成一个四面体
24、结构。这种锌指折叠形成一个紧密的结构,由二条结构,由二条链和一个链和一个-螺旋组成,螺旋组成,-螺旋与螺旋与DNA大大沟结合。该沟结合。该-螺旋区域上含有保守的碱性氨基酸,负责螺旋区域上含有保守的碱性氨基酸,负责与与DNA的结合。另一锌指结构是锌离子与的结合。另一锌指结构是锌离子与4个半胱氨酸个半胱氨酸结合,它出现在一百多种类固醇激素受体转录因子中。结合,它出现在一百多种类固醇激素受体转录因子中。这些因子由同型或异型的二聚体组成,其中每一单体包这些因子由同型或异型的二聚体组成,其中每一单体包含含2个个C4锌指结构。两个单体通过锌离子稳定折叠成更锌指结构。两个单体通过锌离子稳定折叠成更复杂的构象
25、,再把每个单体的复杂的构象,再把每个单体的-螺旋插入到螺旋插入到DNA的连的连续大沟中。续大沟中。30本讲稿第三十页,共六十九页本讲稿第三十一页,共六十九页3.碱性结构域碱性结构域在许多在许多DNA结合蛋白中都发现了碱性结构结合蛋白中都发现了碱性结构域,它通常是与亮氨酸拉链或域,它通常是与亮氨酸拉链或HLH基序中基序中的一个联合在一起的,结果被称做碱性亮的一个联合在一起的,结果被称做碱性亮氨酸拉链氨酸拉链(bZIP)或碱性或碱性HLH蛋白。蛋白的蛋白。蛋白的二聚作用使二个碱性结构城相邻,进而可二聚作用使二个碱性结构城相邻,进而可与与DNA发生作用。发生作用。本讲稿第三十二页,共六十九页2 二聚
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