真核生物基因表达调控

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1、第八章 真核生物基因 表达调控 THE CONTROL OFEUKARYOTIC GENE EXPRESSION一、真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列第一节 概述二、真核生物基因表达调控的特点1、多层次2、个体发育复杂3、正性调节占主导4、转录与翻译间隔进行 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

2、时，及细胞周期不同阶段中酶活性 和浓度的调节。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水平调控转录水平调控转录后水平调 控翻译水平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：核小体(nucleosome)1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。 * 组蛋白八聚体（Histone octamer ）H2A与H2B、H3与H4的亲和力强，通过C端的疏水氨基酸结合两个H3、H4先形成四聚体 结合两个H2A和H2B的异二聚体组蛋白八聚体 2、核小体

3、的结构核心颗粒、连接区DNA核小体（Nuclearsome）* 染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位 *146bpDNA 组蛋白八聚体核小体的核心颗粒直径约10nm组蛋白八聚体146bp的核心DNA146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp. 微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化连接 DN

4、A100 bp 平均 55 bpNucleosomeHistone H1Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp染色体结构的形成（1） 首先若干个核小体形成念珠状结构 The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosome s. 高度有序 左手螺旋 每圈包括六个核小体 30 nm fiber (直径30nm) Solenoid (螺线管）（2） 30nm纤丝的构成染色质结构的第二层次a、组成Nuclear matrix (核基质), protein complex30 nm fiber300 nmb

5、、体内存在状态6.8:140:11000: 18000:1DNA double helixNucleosome (10 nm fiber)30 nm FiberLoops ILoops IIchromosome第二节 DNA水平的调控 基因丢失： 在细胞分化过程中，某些原生动物、线 虫、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而 除去这些基因的活性。 马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有 许多着丝点。 发育早期：只有一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂 的进行； 一定阶段：将来分化产生体细胞的细胞中染色体断裂，形成 许多小染色体。 w 含着丝点的小染色体：以后的细胞分裂中都保持下去； w 不含着丝点的小染

6、色体：因不能在细胞中正常分配而丢失。 w 将来行成生殖细胞的细胞中，不存在染色体断裂现象。四膜虫：大核：营养核可转录小核：生殖核无转录活性大核由小核发育而来，发育过程中有多处染色质 断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存 在可能抑制了基因的正常表达。 高等生物中，基本上没有类似的基因丢失现象-全能 性 特例：红细胞2基因扩增 通过改变基因数量来调节基因表达产物的水平 非洲爪蟾卵母细胞:为储备大量核糖体以供卵细胞受精后发育的需要，通常都要专一性地 增加编码核糖体rRNA的基因（rDNA） rDNA的滚环复制： 拷贝数由15002106，总量可达细胞DNA的75%，当胚胎期开始后， 所

7、合成的rDNA失去需要而逐渐降解消失。3活泼转录区染色质的结构变化： 染色质的两种状态： 非活性状态【inactive (silent) state 】:如异染色质 活化状态【active state 】： 活泼转录区对核酸酶的敏感性提高 正在转录的DNA甲基化程度降低； 活泼转录的染色质常常缺乏组蛋白H1，其他核心组蛋白则 被乙酰化或与泛素相结合而修饰 非常活泼的转录区，如许多真核生物的rRNA基因处，没 有核小体结构2.两种状态的相对稳定性：如果在启动子处形成核小体， 转录因子和RNA聚合酶就不能 结合 如果转录因子结合和RNA聚合 酶结合于启动子区域，形成稳 定的起始复合物，组蛋白就被

8、排斥在外 基因表达与否，是转录因子还 是组蛋白首先与控制位点相结 合，是一个很重要的因素 一旦形成相对稳定的结构，不 会再由于转录因子和组蛋白游 离成分浓度平衡的变化而改变3.染色质重建（Chromatin remodeling ） 指在基因转录活化时，核 小体组蛋白置换和重排过 程。包括： w 组蛋白八聚体在DNA上滑动， 改变特定序列在核小体表面的 位置 w 组蛋白八聚体之间的间距发生 改变 w 组蛋白八聚体和DNA分离，产 生无核小体的游离DNA间隙3.染色质重建（Chromatin remodeling ） 染色质重建需要重 建复合体的参与 Remodeling complex 重建复

9、合体的中心是它的 ATP酶亚基4.组蛋白的修饰：组蛋白N端尾部，尤其是H3和H4的修饰，起始了染色质结构的变化甲基化、乙酰化和磷酸化 通常认为乙酰化和活性染色质，甲基化 和非活性染色质相关，但这并非是一个 统一的规律 乙酰化： 乙酰化是可逆的，分别由相应的酶来催化 s 乙酰化：组蛋白乙酰转移酶（HAT） s 去乙酰化：组蛋白去乙酰化酶（HDAC） 甲基化： 大多数DNA甲基化的位点是CpG岛 ，在异染色质中CpG序列通常是甲基化的，而启 动子区域CpG岛的非甲基化是基因表达所必需的第三节 转录水平的调控一、 gene调控的顺式作用成分： 1、 启动子：位于转录起始位点附近，具有相对固定位置，且

10、为转 录起始所必需的序列元件 启动子一般模式： w 核心启动子，TATA框 w 上游启动子成分（UPE），除了CCAAT框外，其 他成分因各gene而异 TATA框控制转录的精确性，而UPE则控制转 录的起始频率，启动子的强度决定于UPE的 数目和种类。顺式作用元件定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。2、增强子 定义：位于转录起始位点较远位置上， 具有参与、激活和增强转录起始功能的 序列元件。增强子特点： w 与启动子的相对位置和取向无关，只要存在于 同一DNA分子上都能起作用 w 没有基因专一性，可以在不同的基因组合中表现增强效 应 w 严格的组织特异性和细胞特异性 感染真核细胞的

11、病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。w 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中， MMTV病毒能旺盛生长。w 病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。启动子和增强子的典型模式： 启动子含能结合转录因子的分散分布的短序列元件（10bp）， 分布在转录起始位点上游约200bp的范围内 增强子可与启动子之间相距几个kb，含几个紧密排列的能结合 转录因子的序列元件 DNA可能通过卷曲或重排，使结合到启动子和增强子的转录因 子之间相互作用，形成一个大的蛋白质复合体增强子 增强子的主要作用机 制：增加启动子附近

12、转录激活因子的浓度 如左图： w 增强子和启动子位于线 性DNA两端时，增强子 不对启动子起作用；但 当DNA被蛋白质连接成 环形时起作用 w 增强子和启动子位于两 个分开的环形DNA分子 上时，不存在相互作用 ；但当两个DNA环成连 环时，能相互作用 绝缘子（insulator）:能阻 断激活或失活效应通过 的元件。它们有一种或同时有 两种主要特征： w 当绝缘子位于增强子和启动子 之间的时候，它能阻断增强子 对启动子的激活作用 w 当绝缘子位于活性基因和异染 色质之间时，能保护活性基因 免受异染色质延伸所带来的失 活效应 绝缘子的作用是增强基因调控的准 确性 沉默子(silencer)：负

13、性调节元件，起阻遏作用3、应答元件(response element )： 一组受共同调控的基因，各基因都有一 个相同的序列元件，该元件是诱导型转 录因子识别靶基因的位点。 如：热休克应答元件（HSE）、血清应 答元件（SRE）、糖皮质激素应答元件 （GRE）cAMP - 蛋白激酶途径组成胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)cAMP的作用机理PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基目 录RR（cAMP-dependent protein kinase，PKA）R： 调节亚基 C

14、： 催化亚基cAMP蛋白激酶APKA的作用1） 对物质代谢的调节作用通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶bATP磷酸化酶磷酸化酶ATPPPi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶H2OPPi PKA抑制物a抑制物b ATP磷蛋白磷酸酶PPi肾上腺素对糖 原代谢的影响肾上腺素 受体肾上腺素 受体复合物激活蛋白 激活ACATPcAMPPKA目 录受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element , CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element

15、bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。(2) 对基因表达的调节作用GsACATPcAMPC CRRC C蛋 白 磷 酸 化RR2cAMP2cAMPCREBNPi Pi Pi转录活化域DNA结合域细胞膜核 膜热休克基因：当温度升高时，某些基因被关闭，而热休克基因 则被表达。该基因在原核与真核生物中各不相同。 细菌中，是合成一个新的因子，它指导RNA聚合酶核心酶识别 热休克基因所共有的一个与普通启动子不同的-10序列； 真核生物中: w 热休克基因有一个共同的共有序列（HSE） w 由一个独立的转录因子HSTF所识别 w 此因子的活化使特异的一组（约20个）含HSE的基

16、因启动转 录。金属硫蛋白基因（MT）-单一基因受多个应答元件调控： w MT蛋白能与重金属结合，将其排出胞外，使细胞免受重金 属的损伤 w TRE：增强子元件，能和转录因子AP1相互作用，介导对 TPA（一种致癌物）的应答 w MRE：启动子元件，金属诱导应答 w GRE：增强子元件，能和类固醇受体结合，介导类固醇激素 的反应二 、转录因子：（一）、转录因子的类型： 转录基础因子：basal factor 和RNA聚合酶一起结合于转录起始位点和TATA框，组成转录基本复合 物 转录激活因子：activator 特异性地识别短共有序列元件的转录因子，结合于启动子或增强子位 点上。通过增加转录基本复合物结合于启动子的效率而