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1、九章真核生物的基因表达调控Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望5.染色质结构及与DNA相互结合的蛋白质结构，成为调节基因的开关6.核膜的存在，使得转录和翻译在时间与空间上被分隔开，从而形成多层次的调控系统真核生物的基因调控贯穿于DNA到功能蛋白质的全过程，涉及基因结构的变化、转录的起始及其后加工、mRNA的转运及翻译的几个调控阶段第二第二节 真核真核细胞基因表达胞基因表达调控的步控的步骤n n1.染色体核染色质水平上的结构变化与基因活化n n2.转录水平上的调控，包括基因
2、的开启与关闭，转录效率的高低n n3.RNA水平上的调控包括初始转录产物的特异性剪接、修饰、活化与编辑等n n4.转录后加工产物的转运调控n n5.翻译水平的调控n n6.蛋白质合成后的选择性调控n n7.控制mRNA的选择性降解的调控n n短期调控:基因的快速活化或封闭n n长期调控:基因被永久性地或半永久地开启或关闭，从而不间断和不可逆地改变细胞的生活特性，最终导致细胞的分化，成为具有特定生理机能的细胞。第三第三节 DNADNA染色体水平的染色体水平的调控控一.概述染色质的结构、DNA在染色体上的位置、基因拷贝数的变化、基因重组、基因丢失、基因重排以及基因修饰等二.染色质的结构以核小体为基
3、本结构单位形成染色质，其组装影响着DNA的复制、基因的表达和细胞周期进程n n紧密压缩状态:DNA分子被紧密地压缩在细胞核内，从而导致基因处于非活性状态n n被阻遏状态:DNA分子与组蛋白结合导致染色质处于被阻遏状态n n有活性状态:能使基因处于可转录状态的染色质的结构，称为染色质的活性状态n n被激活状态:当启动子被激活因子结合，从而促使RNA聚合酶等在启动子区域形成转录复合物，使染色质成为激活状态三.异染色质在细胞核中处于凝聚状态，不具有转录活性。组成型异染色质在整个细胞周期一直保持压缩状态，其DNA不含有基因，而兼型异染色质只在一定的发育阶段或生理条件下由常染色质凝聚而成，没有持久的活性
4、。四.组蛋白对基因活性的影响组蛋白是基因活性的重要调控因子，当组蛋白与裸露的基因DNA混合后，能使该基因的转录停止。经研究表明，组蛋白H1比核心组蛋白阻遏转录的作用强，组蛋白H1与连接DNA相结合后稳定了核小体的结构，通过维持染色质的高级结构而抑制了转录过程。五.组蛋白的乙酰化-去乙酰化与基因活化、染色质变化及基因表达水平密切相关，是一个动态过程，组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰基转移酶(histoneacetyltransferase,HAT)催化1. 1.乙酰化能促进基因转录的活性2. 2.组蛋白乙酰化与转录起始复合物装配3. 3.组蛋白的去乙酰化与基因沉默六.活性染色质对DNase的敏感性
5、基因组不同区域的染色质被不同浓度的酶水解的特性定义为基因组DNA对酶的敏感性。染色质对DNaseI敏感性的表现1. 1.基因活性区域对DNaseI的敏感性有细胞和组织特异性，只有在活跃表达的细胞中，基因才具有这种敏感性2. 2.该基因具有被转录的潜在能力，并非就一定能转录3. 3.有一定界限4. 4.基因编码转录的大范围表现为一般敏感性，而只有基因的调控区域才显示高度敏感性5. 5.组蛋白的乙酰化能使染色质对DNaseI和微球菌核酸酶的敏感性显著增强第四第四节 DNADNA水平上的水平上的调控控一.DNA甲基化1. 1.位点:5CG二核苷酸序列2. 2.密度:GC碱基对形成CpG序列约为1/1
6、00bp3. 3.机理:动态过程，需要构建性甲基化酶与维持性甲基化酶的参与4. 4.检测:通过特殊的限制性内切酶进行检测确认二二.DNA.DNA甲基化与甲基化与转录抑制抑制n n通过甲基化的DNA上结合特异性转录阻遏物，即甲基化CpG结合蛋白，该蛋白能与转录调控因子竞争甲基化DNA结合位点而起作用n n甲基化影响DNA与蛋白质的相互作用1. 1.C上加5-甲基能增强或减弱DNA与蛋白质之间的相互作用2. 2.能使基团拥挤在DNA大沟内，导致DNA构象偏离标准的B型综上所述，DNA构象的变化能极大程度地改变阻遏蛋白或激活蛋白的结合能力第五第五节 真核基因真核基因转录水平的水平的调控控一.真核与原
7、核生物转录调控的异同1.基因组结构的不同2.调节元件与数量的不同3.转录都受反式调节因子的调节通过调节因子的生物合成通过它们进行构象转变或共价修饰4.染色质改型二二. .基因基基因基础转录调节n n概述:由核心启动子与通用转录因子结合后起始的转录过程n n作用:由它所控制的基因呈组成型表达，用以合成细胞所必需的各种成分，又称持家基因n n机理:依赖各种通用转录因子间的相互作用，按照特定的时空次序组建转录起始复合物，其中TBP与TATA框的结合是这一过程的开始三三. .真核生物真核生物转录调控的控的顺式作用元件式作用元件（一）顺反子1. 1.概述:由染色体上突变位确定的遗传功能单位2. 2.顺式
8、作用元件:具有调节功能的特定DNA序列只能影响统一分子中的相关基因，发生在一个序列中的突变不会改变其他染色体上等位基因的表达，这样的序列即为顺式作用元件3. 3.分类:启动子、增强子与沉默子（二）（二） II II型基因型基因转录调控控（三）增（三）增强子的作用机能子的作用机能n n概述:能使与它连锁的基因转录效率明显增加的DNA序列n n机能1. 1.作用效率明显，能使基因转录频率增加10-200倍2. 2.无基因专一性，对于同源或异源基因以及不同的基因组合上都有促进转录作用，而且可以位于基因的不同区域3. 3.不具有方向性4.能远距离对启动子产生影响，即对远距离基因的转录起始位点起作用5.
9、增强效应具有组织和细胞特异性，只有在特定的蛋白质参与下才能发挥其功能6.多为重复序列，一般长度约为50bp，适合与某些蛋白质因子结合7.增强子内部一般都含有一个核心序列(G)TGGA/TA/TA/T(G),该序列是在另一个基因附近产生增强效应时所必需8.受外部信号的调控上述机能有别于上游调控元件n n机制1. 1.与反式作用因子结合，引起DNA构象变化，形成环状结构，同时增强子上的各种反式作用因子间的相互作用促进转录起始复合物的组装，从而激活转录2. 2.是一些特异蛋白质因子的结合位点，能使模板DNA固定在细胞核特定机构上，有利于DNA拓扑异构酶发挥作用假说:a. a.增强子为转录因子提供进入
10、启动子区的位点b. b.能改变染色质的构象n n与启动子的异同1. 1.位置不固定2. 2.无方向性3. 3.由模块组成的顺式元件，但是更密集（四）（四）绝缘子与沉默子子与沉默子n n绝缘子:近年发现的一类特殊顺式作用元件，不同于增强子，其功能为阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性限定于结构域之内。n n沉默子:基因的负调控元件，与调控蛋白结合后阻断转录起始复合物的形成与活化，使基因表达活性被关闭四四. .感受感受应答答调控控真核生物通过两种机制精确控制基因表达：*构成重复结构，不同类型的细胞有选择地表达重复序列中特定拷贝。*单一拷贝基因的复合控制，调控蛋白经内外源信号分子激活后
11、，大幅度提高启动转录频率，即感受应答调控模型(Britten-Davidsonmodel)。一.基本原理1. 1. 1. 1.应答元件（答元件（ResponseElements)ResponseElements)：一个或多个，：一个或多个，位于启位于启动子或增子或增强子子处，或，或远离的上游区域离的上游区域内，内，为具有活性的具有活性的转录调控蛋白因子控蛋白因子识别并并结合。合。2. 2. 2. 2.编码转录调控蛋白因子的控蛋白因子的调节基因基因远离离结构构基因，在其基因，在其结构基因上游构基因上游还有一个或多个感有一个或多个感受位点受位点(SensorSite)(SensorSite)， ，
12、负责接受接受细胞内外的信胞内外的信息息传递。 。二.基本形式1 1、 、单调节单调节基因基因- -单结单结构基因模式构基因模式多种信号分子可来自不同多种信号分子可来自不同细细胞胞类类型，或同型，或同类细类细胞的不胞的不同同时时段，完成基因表达的段，完成基因表达的时时空特异表达控制。空特异表达控制。2 2、 、单调节单调节基因基因- -多多结结构基因模式构基因模式多个多个单单拷拷贝贝基因具有相同的基因具有相同的应应答元件，答元件，热热休克响休克响应应- -转录调转录调控因子控制控因子控制2020多个多个热热休克相关休克相关结结构基因。构基因。3 3、多、多调节调节基因基因- -单结单结构基因模式
13、构基因模式一个一个结结构基因构基因拥拥有多个有多个应应答元件，分答元件，分别为别为不同的因子不同的因子识识别别和不同程度的和不同程度的调调控，从而控，从而实现实现在不同在不同细细胞中的胞中的时时序表达。序表达。4 4、多、多调节调节基因基因- -多多结结构基因模式构基因模式多元复合控制机制多元复合控制机制五五. .真核生物转录调控元件的相互作用1.应答元件具有与启动子或增强子上游调控元件相同的基本特征：短保守序列2.位置：转录起始位点上游200bp内的不固定位置3.功能：通过蛋白质与DNA的特异性结合将可诱导性的转录调控因子激活形式吸引至启动子增强子区域，以便其实施正调控作用。热休克响休克响应
14、： ：普遍存在于原核生物与真核生物中，当环境温度升高时，关闭一些基因的表达，同时启动热休克基因组的转录。a.原核：有-10区特征的启动子，其表达依赖于新因子的合成。b.真核：通用HSE保守序列，为热休克转录调控因子HSTE所识别，HSTE在激活（磷酸化）后，使热休克基因转录。一个HSE与HSTE结合会促进另外位置二者的作用。4. 4.转录调转录调控因子作用机理：控因子作用机理：a.Da.DNANA结结合功能域：合功能域：识别识别相相应应的的应应答元件序列并与之答元件序列并与之结结合合b.b.转录转录激活功能域：借助激活功能域：借助长长臂伸臂伸缩缩，作用于，作用于转录转录基本因基本因子，子，进进
15、而激活而激活转录转录启启动动。 。c.c.结结合功能域与激活功能域无必然合功能域与激活功能域无必然联联系系5.5.真核生物真核生物转录调转录调控因子的激活方式：控因子的激活方式：转录调转录调控因子由控因子由调节调节基因基因编码编码，其表达依，其表达依赖赖于感受位点于感受位点与信号分子的相互作用，但合成后并不直接作用于相关与信号分子的相互作用，但合成后并不直接作用于相关基因的基因的应应答元件，而是答元件，而是经过经过修修饰饰才能具有活性。才能具有活性。诱导诱导和激和激活是活是转录调转录调控因子活性控因子活性产产生的两大要素。生的两大要素。同同质质异型蛋白异型蛋白质质： ：组织组织特异性表达，只在
16、特定特异性表达，只在特定类类型型细细胞中胞中合成，表达后即有合成，表达后即有调调控功能，不需激活程序。广泛存在于控功能，不需激活程序。广泛存在于真核真核细细胞中，作胞中，作为为DNADNA结结合功能域，与多种形式的合功能域，与多种形式的转录转录激活功能域激活功能域组组合形成各种合形成各种转录调转录调控因子。控因子。转录调转录调控因子激活方式：控因子激活方式：（ （1 1）磷酸化（）磷酸化（热热休克休克转录转录因子）与去磷酸化激活因子）与去磷酸化激活（ （2 2）配体）配体结结合激活（影响合激活（影响调调控因子的定位、运控因子的定位、运输输及与及与DNADNA结结合）合）（ （3 3）抑制）抑制
17、剂释剂释放激活（放激活（NF-BNF-B） ）（ （4 4） ）亚亚基置基置换换激活激活n n与转录模板链结合调节转录的一类蛋白质调节因子，包括激活因子和阻遏因子。它们与顺式作用元件中的上游激活元件、应答元件、启动子、增强子和沉默子等序列特异性结合，对真核生物基因的转录分别起促进和阻遏作用。n n结构:通常由DNA结合结构域和转录激活结构域组成，另外，还有许多转录因子具有二聚化结构域，以形成同型或异型的二聚体六六. .真核生物的真核生物的转录因子因子n nDNA结合结构域1.螺旋-转角-螺旋结构域，这类结构域的特点是它的DNA结合蛋白包含一个60个氨基酸的同源域，该同源域是由一段称为同源框序列
18、编码2.锌指结构域:有C2H2型和C4型两种a.C2H2型:有一个12氨基酸的环，通过2个半胱氨酸和两个组氨酸残基固定，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结构，由两条链和一个螺旋组成，后者与DNA大沟结合b.C4型:锌离子与4个半胱氨酸结合。n n二聚体结构域1.亮氨酸拉链:肽链上每隔7个残基就有位于DNA结合域C端螺旋上的一个疏水亮氨酸残基，螺旋的侧面每两圈就出现一个亮氨酸，形成一个疏水的表面，由此螺旋熟睡表面间就可以相互作用形成二聚体2.螺旋-环-螺旋结构域:与亮氨酸拉链相似，只是它的2个螺旋被一个非螺旋的多肽环分成两个单体蛋白，C端螺旋一侧的疏水残基可以二聚化n n转录激活结构域1. 1.酸性激活结构域2. 2.富含谷氨酰胺结构域3. 3.富含脯氨酸结构域n n阻抑物结构域1. 1.阻断激活因子的DNA结合位点2. 2.非DNA结合复合体的形成3. 3.掩盖激活结构域
