细胞生物学--第十二章细胞分化与基因表达调控

第三节真核基因表达调控背景情况（overview）：•关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？……•基因组的全能性细胞的多潜能性细胞的专门化(totipotency)(pluripotency)(specialization)真核细胞基因组全能性的实验证据•真核细胞基因组的复杂性：humangenome:约30亿bpDNA；包含约3万个基因；95％的非编码DNA序列（功能？）；一生合成总蛋白质的种类约10万种，但在一个典型的分化细胞中合成约5000种蛋白质；如何调控？人类基因组计划（HGP）功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能；蛋白组学(proteomics)。不同组织器官中表达不同的蛋白质组（2D-gel）从DNA到蛋白质的可能的调控步骤真核细胞基因表达的不同调控水平示意图•主要调控水平：*－转录水平调控（transcriptionalcontrol）*－转录后水平调控（post-transcriptionalcontrol）RNA加工水平调控（RNAprocessingcontrol）翻译水平调控（translationalcontrol）－蛋白质的翻译后修饰（post-translationalmodification）一、转录水平的调控基本概念：•事件：DNA/protein,protein/protein相互作用；•顺式作用元件（cis-actingelement）：与转录调控蛋白特异结合的DNA序列；•反式作用因子（trans-actingfactor）：与特定DNA序列结合的调控蛋白因子；•“模体”结构（motif）：蛋白质中的小结构域，由一小段保守的氨基酸构成，用以识别特定的DNA序列或其他蛋白质；e.g.,helix-turn-helix,zinc-finger,ß-sheet,leucin-zip,etc.•共有序列（consensussequence）：DNA中一小段保守序列（有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构域所识别，在转录起始调控中起重要作用；e.g.,TATA-box,CAAT-box,GC-box,etc.•通用转录因子（generaltranscriptionfactor）：与核心启动子元件相结合（如TATA-box），启动转录；•特异转录因子（specifictranscriptionfactor）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；（一）、转录的激活（transcriptionalactivation）1，转录的起始涉及一系列的DNA/protein,protein/protein相互作用；转录起始复合体（pre-initiationcomplex）的形成，etc.RNApolymeraseII(sidecutway)AaronKlug,2001,Science,292:1844-46•真核基因的结构2，激活因子（activator）和辅激活因子（co-activator）特异性的转录因子，能在DNA序列上形成复合体，激活转录；e.g.,肾上腺（糖）皮质激素的作用：glucocorticoid/GRE辅激活因子在特定的DNA元件上形成复合体，激活转录转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域：-DNA结合结构域（DNA-bindingdomain）：与基因的调控区域的特定DNA序列识别并结合-激活结构域（activationdomain）：招募其他激活因子和蛋白质，共同启动或激活转录真核基因转录的调控（genecontrolregions）3，基因远端的调控元件—增强子（enhancer）特点：•距离基因的起始点较远•位置不定：上游、下游、内含子内部•方向性：正反方向均有作用作用机制：•间隔DNA可以形成环状•通过与enhancer结合的特异因子起作用•染色质构型的改变（重塑）基因远端的增强子促进转录复合体的装配转录激活机制的模型（二）、转录的阻抑（transcriptionalrepression）1，顺式作用元件／反式作用因子阻抑物（repressor）：负调控的特异性转录因子沉默子（silencer）：负调控的DNA元件作用机制：•阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用）•与转录激活因子竞争结合DNA•与转录激活因子相互作用，影响其活性•改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制（三）、基因转录的表观遗传调控（epigeneticcontrol）基本概念：最近的研究已证实，基因组功能的正常行使，不仅依赖于DNA序列中的遗传信息，还受到基因组中的其他信息的调控。通过改变DNA和染色质结构来调控基因的转录。主要通过对DNA和/或组蛋白的共价修饰来实现。修饰方式：•DNA：DNA甲基化修饰(DNAmethylation)；•核小体：组蛋白共价修饰(histonemodifications)；•染色质：结构的调整，染色质重塑(chromatinremodeling)；……形成了一门新兴的学科“表观遗传学”（epigenetics）。1，DNA甲基化（DNAmethylation）•CG岛（CpGisland）：基因组DNA中富含GC碱基的区域，其中一些对称序列中的CG二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修饰；与基因的沉默有关。•DNA甲基转移酶（DNAmethyltransferase,DNMT）–维持性DNMT（maintenanceDNMT）：使DNA甲基化的模式（pattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）–构建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：使非甲基化的DNA模板甲基化。•DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。DNA甲基化pattern维持的方式（维持性DNMT的作用）胞嘧啶C的甲基化修饰•DNA甲基化抑制基因转录的机制：–干扰转录因子对DNA元件的识别和结合–将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列–DNA甲基化影响招募染色质重塑或修饰因子•DNA甲基化的普遍性：脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等生物（果蝇、酵母等）中未发现。DNA甲基化抑制基因转录的机制•基因组印记（genomicimprinting）和甲基化现象：在二倍体动物中，有些基因（～100个）的表达，依赖于其是来自于父本还是母本染色体，如同印上了“印记”；印记是由DNA甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受精后不受“去甲基化波”的影响，从而“记忆”住了亲本所标记的表达方式（阻抑或促进）。这是DNA的“状态”，而不是其序列决定可遗传性状的证据（表观遗传）。鼠中基因“印记”的传递方式“parent-of-origineffects”discovered~3000yearsagobymulebreedersinAsia.（原因：亲本的基因组“印记”）人类表观基因组计划（HumanEpigenomeProject，HEP）：继人类基因组计划（HGP）完成之后，于2003年10月7日正式启动HEP。这是世界上首项针对控制人类基因“开”和“关”的主要化学变化进行的图谱绘制工作，它将帮助科学家建立人类遗传与疾病之间的关键联系。目标：确定DNA甲基化位点在人类基因组中的分布与频率methylationvariablepositions(MVP)，组蛋白修饰（histonemodifications）核心组蛋白N-端尾部在核小体结构、DNA-蛋白质相互作用中的活跃部分；某些氨基酸残基可被修饰;包括：乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化，etc.e.g.,组蛋白乙酰基转移酶／组蛋白去乙酰化酶(Histoneacetyltransferase/deacetylasecomplexes,HAT/HDAC)HAT/HDAC催化对核心组蛋白N-端尾部特定赖氨酸残基的乙酰化／去乙酰化修饰，实现乙酰化水平的动态平衡；组蛋白乙酰化／去乙酰化核小体重塑(nucleosomeremodeling)基因的活化／抑制；高乙酰化：转录活化；低乙酰化：转录抑制。组蛋白共价修饰的语言—组蛋白密码(histonecode)核心组蛋白N-末端尾部修饰位点。绿箭头标记的位点是在完整核小体中容易被胰蛋白酶切割的位点。acK:乙酰化的赖氨酸；meK:甲基化的赖氨酸；meR:甲基化的精氨酸；PS:磷酸化的丝氨酸；uK:泛素化的赖氨酸。四种核心组蛋白尾部携带巨大的表观遗传信息量：•赖氨酸的乙酰化（四种组蛋白形成50种异构体）；•丝氨酸（H3，H4，H2B）的磷酸化；•赖氨酸和精氨酸（H3和H4）的甲基化；•一个或多个甲基基团的添加；•其它修饰：如泛素化和ADP-核糖基化。上述尾部修饰的不同组合，能标记核小体表面，组成了组蛋白密码(histonecode)，形成几万甚至更多种组蛋白异构体。核心组蛋白尾部修饰的意义：核心组蛋白尾部的修饰，实际上不仅仅影响DNA包装和染色质结构，更重要的是这些修饰是表观遗传信息的携带者。这种信息既决定了基因是怎样表达的，也决定了它们的表达方式是怎样在一代细胞和下一代细胞之间保持的。3，染色质重塑(chromatinremodeling)依赖于ATP的重塑复合体(ATP-dependentremodelingcomplexes)一类由DNA激活的、含有ATP酶催化亚基的染色质重塑复合体，ATPADP+energy，e.g.,SWI/SNF(YeastSwitch/Sucrosenonfermentingfactors);RSC(RemodelingtheStructureofChromatin);NURF(NucleosomeRemodelingFactors);CHRAC(ChromatinAccessibilityComplexes);ACF(ATP-utilizingChromatinAssembly&RemodelingFactors);……•基因的转录后调控（post-transcriptionalcontrol）转录后调控的步骤和方式二、RNA加工水平的调控(RNAprocessing)1,选择性剪接（alternativesplicing）以区别组成型剪接（constitutivesplicing）选择性剪接：一个hnRNA（pre-mRNA）转录本，通过外显子的剪、接、重组，产生多个成熟的mRNA的机制。i.e.,一个基因多个mRNA多个蛋白质（isoforms）•选择性剪接的不同形式＊深蓝：均保留的exon;浅蓝：仅在一个mRNA中保留的exon;黄色：intron;红线：被剪切去的区域。选择性剪接的实际例子：α-原肌球蛋白mRNA(α-tropomyosin)•剪接位点的选择和识别：剪接增强子（splicingenhancer）＋剪接因子（splicingfactors）形成“剪接子”（spliceosome）RNA剪接的机制2，RNA编辑（RNAediting）改变成熟的mRNA的序列，从而改变其“含义”（meaning）的机制；如：插入一个或多个“U”。由“guideRNA”引导编辑过程。三、翻译水平的调控（translationalcontrol）•成熟mRNA的结构：5’帽子（5’-cap,metG），5’-UTR，编码区，3’-UTR，多聚（A）尾部。5’-metG-5’-UTR3’-UTRCodingregion-…AAAA-3’AUG（一）、mRNA的细胞定位•mRNA在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？决定：3’-UTR中的信息，可能涉及蛋白质的参与；转运：微管（microtubule）的作用；锚定：微丝（microfilaments）的作用。mRNA定位的几种方式:Left:travelbyassociateionwithcytoskeletonmoto