真核基因表达调控2.pptx

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1、二、基因表达的时间性及空间性1 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 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。第1页/共80页三、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

2、第2页/共80页第二节 DNA水平的基因表达调控一、基因扩增(gene amplification)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 2106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第3页/共80页二、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3232条，只保留8 8条）马蛔虫第4页/共80页三、基因重排(gene rearrangement)将一个基因从

3、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第5页/共80页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 300 2 6 4链 300 1000 1 1重链(H)300 1000 9 8VVCC重链轻链基因组成第6页/共80页要点：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

4、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第7页/共80页V“gene”C“gene”Leader Variable J segment ConstantGerm line淋巴细胞mRNA 链 链Germ line淋巴细胞mRNA Leader Variable J segments Constant轻链基因的重排第8页/共80页重链基因的重排Germ line淋巴细胞 Leader Variable Diversity J segment Constant 1-10 1-4 CH1

5、 Hinge CH2 CH3第9页/共80页四、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（Position effect）：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变第10页/共80页异染色质化：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 第11页/共80页五、DNase 的敏感性和基因表达转录活跃

6、区域对核酸酶的敏感度增加 1、DNase超敏感位点（hypersensitive site）：具有转录活性的基因周围的DNA区域对DNase降解高度敏感。2、特点：（1）一般在转录起始点附近，即5 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第12页/共80页六、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 （LysLys）转录增强/抑制 甲基化（Lys,His,ArgLys,His,Arg）转录增强或抑制 磷酸化（Ser,HisSer,His）泛素化 ADPADP核糖基化第13页/共80页哈佛大学施洋-组蛋白去甲基化酶第14页/共80页（二

7、）组（二）组蛋白蛋白乙酰化乙酰化1 1、两种酶、两种酶（1 1）组）组蛋白蛋白乙酰乙酰转转移移酶酶(Histone acetyltransferase)：催催化化组组蛋白蛋白乙酰乙酰化，化，将乙酰基转移到组蛋白 N端赖氨酸的-氨基上乙酰基供体：乙酰辅酶A A（2 2）组）组蛋白蛋白去去乙酰乙酰酶酶(Histone deacetylase):去除去除乙酰乙酰基基团团第15页/共80页2 2、组蛋白乙酰化与基因表达调控（1 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-氨基上，中和了其正电荷，增加了疏水性，削弱了DNA

8、 与组蛋白的相互作用，有利于转录因子与DNA 的结合，促进转录第16页/共80页七、DNA 甲基化(一）甲基化酶:1 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 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 甲基化第17页/共80页（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第18页/共80页2、Da

9、m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）第19页/共80页（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第20页/共80页（3）CpG岛：富含CpG的一段DNA，一般位于基因启动子附近特点：a、12kb；b、位于基因5端；c、富含CpG二核苷酸基序第21页/共80页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

10、座子、反转座子的活动第22页/共80页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构象的改变第23页/共80页4、DNA甲基化与基因组印迹（1 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 2）基因组印迹的机制-DNA高度甲基化 第24页/共80页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：

11、X染色体失活中心（Xic）Xist（Xi-specific transcript）基因 转录产物：RNA不编码蛋白质（2）X染色体的失活的机制：Xist RNA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25页/共80页第三节 转录水平的调控顺式调控元件(cis-regulating element)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-acting factor)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

12、作用来实现实现的第26页/共80页一、顺式调控元件(cis-regulating element)启动子、增强子、沉寂子、绝缘子、子、减弱子、应答元件（一）启动子(promoter）)1、核心启动子（core promoter）：TATA盒 起始子(initiator，Inr)2 2、上游启动子（upstream promoter element，UPE）-90bp：GC盒；-70bp：CAAT盒 第27页/共80页（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：SV40 72bp repeats(paired)上游200bp 处串联,单独作用充分,全部缺失

13、减弱转录第28页/共80页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第29页/共80页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第30页/共80页（三）上游激活序列（upstream activating sequences，UASs）特点1、UASs是酵母中远上

14、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。第31页/共80页（四）绝缘子子(Insulator)阻止激活或失活活效效应应的元件举例：举例：1 1、当、当绝绝缘缘子子位位于于增强增强子和启动子间子和启动子间时时，能能阻阻止止增强增强子激活启动子作用子激活启动子作用。2 2、当当绝绝缘缘子子位位于一个于一个活化活化基因基因和和异异染染色色质质之之间间时时，它它保护保护基因基因免免受受由异由异染染色色质质扩展扩展造造成成的的失失活活效效应应影响

15、影响。第32页/共80页（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 第33页/共80页（七）应答元件（response element）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第34页/共80页应答元件(response elements)结合蛋白(protein

16、binding)GREBLEBLEMREMREMREMRETREGCTATASteroid-receptorAP2AP2 AP1?SP1TF IID +RNApolBLEbasal level elementMREmetal response elementAPactivator protein人金属硫蛋白基因启动区结构第35页/共80页应答元件的特点：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

17、不论位置如何都有独立的活化功能.第36页/共80页二、反式作用因子(trans-acting factor)DNA结合结构域(DNA binding domain)-用来结合DNADNA反式激活结构域(Transactivation domain)-用来激活转录第37页/共80页（一）转录因子DNA结合域几种常见基序 锌指(zinc finger)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(Leucine zipper)第38页/共80页1、锌指(zinc finger)C2H2型：由肽链的保守序列中的

18、一对组氨酸和一对半胱氨酸(His2Cys2)与锌离子形成一个四面体结构 有两条链和一个螺旋，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型第39页/共80页C4型：2对半胱氨酸(cys2cys2)与一个锌离子形成配位键，如类固醇激素受体家族 第40页/共80页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 1 32第41页/共80页3、亮氨酸拉链(Leucine zipper)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-螺旋的同一侧

19、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。LL LL LL LL +NH2NH2COOHCOOH肽链氨基端富含碱性氨基酸残基区，可与DNA结合第42页/共80页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，结果被称为碱性亮氨酸拉链（bZIP）或碱性HLH（bHLH）蛋白。蛋白质二聚体使两个碱性结构域相邻进而可与DNA发生作用。第43页/共80页N-端碱性结构域形成一个对称结构，象一个夹子夹在DNA上第44页/共80页 +4 4、螺旋-环-螺旋(Helix-loop-

20、Helix)HLH由2个螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成，通过C端螺旋的疏水作用形成二聚体碱性结构域碱性HLH蛋白与碱性亮氨酸拉链这种异二聚体的形成增加了转录因子的多样性和复杂性NH2NH2COOHCOOH第45页/共80页（二）转录激活结构域 是反式作用因子的转录调控结构域，一般由DNA结合结构域外的30-100个氨基酸组成 1 1酸性结构域n 也叫做“酸斑（acid blobs）”或“带负电的长链（negative noodles）”n 富含酸性氨基酸n 存在于许多转录因子的激活结构域中，如：yeast Gcn4 and Gal4,哺乳动物的糖皮质激素受体的两个激活结构域第46页/共

21、80页2 2富含谷氨酰胺激活结构域：富含谷氨酰胺 （SP1，OCT1，OCT 2，SRF等）3 3富含脯氨酸激活结构域 富含脯氨酸 有一个能激活转录的连续脯氨酸残基链 （AP2、Jun、SRF 等）第47页/共80页4、转录因子的活化途径：（1）需要时蛋白被合成，但很快被降解，不能积累。（2）通过与配体结合被活化。（3）通过磷酸化被活化。（4）结合DNA亚基的加入，与带有转录激活结构域的蛋白质形成复合物。（5）通过抑制因子的磷酸化，暴露隐蔽的活化区域。（6）通过去除一个抑制蛋白，刺激转录因子入核。第48页/共80页三、转录调控举例1、组成性转录因子：SP1与富含GC的保守序列GGGCGG相结合

22、.结合位点存在于许多持家基因的启动子中。是一个组成性转录因子，存在于所有的细胞类型中。包含3个锌指结构域以及2个富含谷氨酰氨转录激活结构域。SP1的富含谷氨酰氨结构域与TAF110发生特异作用，TAF110是TAF中的一种，后者与TATA结合蛋白（TBP）相结合组成TFD。第49页/共80页2.激素调控:类固醇激素（如糖皮质激素）n脂溶性的，n能够穿过细胞膜与类固醇激素受体（转录因子）相互作用。steroidGREInhibitor(HSP90)Glucocorticoid receptorDissociation,dimerization第50页/共80页n在没有类固醇激素时，该受体与抑制蛋

23、白结合，游离在细胞质中.n有类固醇激素时,1.激素结合到受体上，将其从阻抑物中释放出来。2.受体二聚化并转移到核中。3.受体与其特异的DNA结合序列结合(应答元件)，从而激活靶基因。第51页/共80页3.通过磷酸化调控：STAT蛋白许多激素不能扩散进细胞。它们通过与细胞表面的受体结合，通过称为信号转导的过程将信号传递给细胞内部的蛋白。信号转导通常涉及到蛋白质的磷酸化。如-干扰素通过激活一种称为JAK的激酶诱发转录因子STAT1 的磷酸化第52页/共80页3.通过磷酸化调控：STAT蛋白PPPPInterferon-IFN-receptorJAK kinaseUnphosphorylated S

24、TAT monomers+2ATPdimerization+2ADPphosphorylated STAT1 dimerNuclear translocationResponse element第53页/共80页3.通过磷酸化调控：STAT蛋白（1）未磷酸化的STAT1 蛋白:以单体形式存在于细胞质中，无转录活性。（2）在特异的酪氨酸残基磷酸化的 STAT1 形 成同型二聚体进入核，激活在启动子处含有保守的DNA结合基序的靶 基因的表达。第54页/共80页第四节 转录后水平的基因表达调控一、RNA沉默与siRNA（一）基因沉默（gene silencing）：指生物体中特定基因由于种种原因不能

25、表达 或表达量很低的遗传现象。第55页/共80页（二）基因沉默类型：转录水平的基因沉默(TGS)(TGS)转录后水平的基因沉默(PTGS)(PTGS)DNAmRNAProtein DNAmRNAProtein 第56页/共80页1、定义（Definition）:是由dsRNA介导的，通过目标mRNA的降解而使特定基因沉默的现象。（三）RNA SilencingDNAmRNAProtein 第57页/共80页RNA干涉（RNA interference，RNAi）：In animal转录后水平的基因沉默-PTGS（In plants）静息或阻抑作用-quelling（In certain fun

26、gi）2、Other names of RNA silencing 第58页/共80页3、RNA沉默的发现UntransformedNapoli,Lemieuz,Jorgensen,1990Van der Krol,Mur,Beld,Mol,Stuitje,199035S-PChalcone synthaseNos-T“Cosuppression”RNA silencing first observed in plants during transgene studies 第59页/共80页Fire（美国卡内矶研究所）Mello（美国麻州大学）双链RNA 是导致线虫par-1基因 沉默的原因，

27、并称之为RNA干扰(RNA interference)。Guo&Kemphuse（美国康乃尔大学）正义和反义RNA都能导致线虫par-1基因 沉默。第60页/共80页Degraded RNA(Gene silencing or virus resistance)DICER(dsRNase)(DCLs)21-25nt small RNAs(siRNAs)Complex formationRISC complexTarget ss mRNAor viral RNAEndonuclease(s)Exonuclease(s)dsRNARdRPAmplificationSystemic silencin

28、gLong-distance signalsCH3CH3CH3Homologous DNA RNA-directed DNA methylation 4、RNA沉默的可能机理第61页/共80页5、RNA沉默的功能v PTGS在生物界中是一种普 遍现象，是真核生物长期进化过程中形成的一种抵御病毒、转座子等外来核酸的入侵、识别并抑制外源基因的表达，维持生物基因组稳定性的重要防御机制。第62页/共80页6、RNA沉默应用Applications of RNA silencing（1）基因功能分析（2）培育抗病毒作物（3）作物品质遗传改良 第63页/共80页How to Silencing a Gen

29、ehairpin RNA transgeneAAAAAAA-complementary regionsPromoterTerminatormRNAHairpin RNA第64页/共80页二、MiRNA(MicroRNA)与基因表达调控（一）特点：1、miRNAs是一种2125nt长的小分子RNA 2 2、具有高度的保守性、时序性和组织特异性3 3、主要作用于靶标基因3-UTR区，阻遏翻译（二）功能：主要在发育过程中起作用，调节内源基因表达 第65页/共80页（三）MiRNA的生成及作用机制 第66页/共80页MiRNA作用模式1 1、与靶标基因3-UTR区不完全互补结合，阻遏翻译而不影响mRN

30、AmRNA的稳定性（这种miRNAmiRNA是目前发现最多的种类，如线虫lin-4lin-4）2 2、与靶标基因完全互补结合，作用方式和功能与siRNAsiRNA非 常 类 似，最 后 切 割 靶 mRNAmRNA，这 说 明 某 些miRNAmiRNA和siRNAsiRNA一样参与了机体内一些特异性mRNAmRNA的剪切过程。（如拟南芥miR-171miR-171）3 3、具有以上两种作用模式，当与靶标基因完全互补结合时，直接靶向切割mRNAmRNA；当与靶标基因不完全互补结合时，阻遏基因的翻译（如线虫let-7let-7 ）第67页/共80页（四）小RNA的研究的启示1 1、基因组非蛋白编

31、码区可能蕴含着重要的生命功能活动信息。2 2、生命的一些重要活动如幼虫的生长发育、细胞的发生和分化、神经系统的分化等都被一些非编码小RNA的调控第68页/共80页附：RNA的功能（1）储存遗传信息，如RNA病毒（2）mRNA：进行遗传信息的传递，作为蛋白质合成的模板（3）rRNA：可装配成核糖体，参与蛋白质合成（4）tRNA：携带氨基酸，参与蛋白质的合成（5）核酶：内含子的自我剪接等（6）MicroRNA：基因表达的调控，在发育过程中起作用（7）SiRNA：抑制病毒、转座子等外源基因的表达（8）指导RNA：参与RNA的编辑（9）SnoRNA：可能与RNA的甲基化有关（10）SnRNA：参与RN

32、A的加工（如剪接）（1111）端粒酶中的RNA：与端粒的复制有关第69页/共80页三、RNA加工的调节（一）可变mRNA的加工 通过使用不同的polyA位点或不同的剪接方式将前mRNA转化为一种以上的成熟mRNA（二）可变mRNA加工的类型 1 1、利用不同的启动子 2 2、利用不同的polypoly（A A）位点 3 3、选择性剪接第70页/共80页1 1、利用不同的启动子 在唾液腺中，特定的转录因子使淀粉酶基因从上游 启动子开始转录 在肝细胞中，使用下游启动子第71页/共80页第72页/共80页2 2、利用不同的polypoly（A A）添加位点第73页/共80页可变poly（A）添加位点

33、某些前mRNA含有一个以上的polyA添加位点，可以在不同的情况下（如在不同的细胞类型中）产生出不同的成熟mRNA。第74页/共80页3、选择性剪接(alternative splicing)：在mRNA前体的剪接过程中，参加剪接的外显子可以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，即一个外显子或内含子是否出现在成熟mRNA中是可以选择的，这种剪接方式称为选择性剪接。第75页/共80页WXZ WXZ WXZ 大鼠 /型肌钙蛋白T内含子是相对的 在 型中是外显子而在 型中是内含子不同外显子的选择肌钙蛋白基因内含子交替剪切，产生 /两种类型的蛋白第76页/共80页第五节 翻译水平调控调控一、

34、mRNA结构与翻译控制（一）5-UTR结构1、mRNA 5端m7G帽有增强翻译水平的作用2、起始AUG旁侧序列对翻译效率的影响 Kozak序列：GCCAUGG第77页/共80页二、mRNA稳定性与翻译控制mRNA稳定性主要取决于3-UTR结构1poly(A)尾增加mRNA稳定性 poly(A)结合蛋白23-UTR中UA序列(AUUUA)导致mRNA不稳定，降低翻译的效率AUUUA是mRNA快速降解的标志三、掩蔽mRNA（mask mRNA）：蛋白质结合到mRNA上并阻止翻译第78页/共80页Question名词解释：顺式作用元件、反式作用因子、增强子、沉寂子、绝缘子、减弱子、应答元件、基因扩增、基因丢失、基因重排、位置效应、异染色质化、巴氏小体、剂量补偿、基因沉默、RNA沉默、MiRNA、选择性剪接问答：1、请你尽可能多地列举RNA生物功能的种类 2、简要解释顺式作用元件与反式作用因子，并以乳糖操纵子的基因调控为例说明他们的相互作用方式。3、简述组蛋白修饰的种类,举例说明对基因表达调控的作用4、简述真核转录因子DNA结合结构域的几种常见基序的结构特点第79页/共80页感谢您的观看！第80页/共80页