Chapter11RegulationofGeneExpressionineukaryotes

Chapter11真核生物基因表达的调控第一节概述一、真核生物基因表达调控的特点1、多层次2、无操纵子和衰减子3、个体发育复杂4、受环境影响较小二、基因表达的时间性及空间性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.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。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第二节DNA水平的基因表达调控一、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（Positioneffect）：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变异染色质化：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二、DNaseⅠ的敏感性和基因表达转录活跃区域对核酸酶的敏感度增加1、DNaseⅠ超敏感位点（hypersensitivesite）：具有转录活性的基因周围的DNA区域对DNaseⅠ降解高度敏感。2、特点：（1）一般在转录起始点附近，即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三、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（Lys）转录增强/抑制甲基化/去甲基化（Lys,His,Arg）转录增强或抑制磷酸化/去磷酸化（Ser,His）哈佛大学施洋----组蛋白去甲基化酶泛素化/去泛素化ADP-核糖基化/去ADP-核糖基化（二）组蛋白乙酰化1、两种酶（1）组蛋白乙酰转移酶(Histoneacetyl-transferase)催化组蛋白乙酰化，将乙酰基转移到组蛋白N端赖氨酸的ε-氨基上乙酰基供体：乙酰辅酶A（2）组蛋白去乙酰酶(Histonedeacetylase):去除乙酰基团2、组蛋白乙酰化与基因表达调控（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ε-氨基上，中和了其正电荷，增加了疏水性，削弱了DNA与组蛋白的相互作用，有利于转录因子与DNA的结合，促进转录四、DNA甲基化(一）甲基化酶: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、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（二）原核细胞的DNA甲基化1、限制修饰系统（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2、Dam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）（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’（3）CpG岛：富含未甲基化的CpG的一段DNA，一般位于基因启动子附近特点：a、1~2kb；b、位于基因5’端；c、富含未甲基化的CpG二核苷酸基序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）抑制转座子、反转座子的活动DNA甲基化还会提高该位点的突变频率C脱氨基后生成U，但可以很快被识别和修复真核生物中5-mC主要出现在5’-CG-3’序列中，5-mC脱氨基后生成T，不易被识别和修复，会导致C→T的突变。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4、DNA甲基化与基因组印迹（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）基因组印迹的机制--DNA甲基化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：X染色体失活中心（Xic）Xist（Xi-specifictranscript）基因转录产物：RNA—不编码蛋白质（2）X染色体的失活的机制：XistRNA分子与Xic相互作用的结果（3）Xist基因的调控：DNA甲基化与去甲基化五、染色质重塑（Chromatinremodeling）1、定义：依赖ATP的核小体位置和结构的改变2、染色质重塑因子：以水解ATP提供的能量，改变蛋白质与DNA的相互作用如酵母的SWI/SNF复合物，含ATPase亚基SWI/SNF复合物作用的可能机制：（1）核小体打滑（Nucleosomesliding）（2）核小体解聚（Nucleosomedisassembly）第三节转录水平的调控顺式调控元件(cis-regulatingelement)是指对基因表达有调控作用的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-actingfactor)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（或RNA）．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作用来实现实现的一、顺式调控元件(cis-regulatingelement)启动子、增强子、沉寂子、绝缘子、减弱子、应答元件（一）启动子(promoter）)1、核心启动子（corepromoter）：①TATA盒②起始子(initiator，Inr)2、上游启动子（upstreampromoterelement，UPE）-90bp：GC盒；-70bp：CAAT盒（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：SV4072bprepeats(paired)上游~200bp处串联,单独作用充分,全部缺失减弱转录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（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（三）上游激活序列（upstreamactivatingsequences）特点1、UASs是酵母中远上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。（四）绝缘子(Insulator)阻止激活或失活效应的元件（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（七）应答元件（responseelement）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真核生物转录的应答调控模型人金属硫蛋白基因启动区结构二、反式作用因子(trans-actingfactor)DNA结合结构域(DNAbindingdomain)----用来结合DNA反式激活结构域(Transactivationdomain)----用来激活转录（一）转录因子DNA结合域几种常见基序锌指(zincfinger)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix，HLH)亮氨酸拉链(Leucinezipper)1、锌指(zincfinger)C2H2型：由肽链的保守序列中的一对组氨酸和一对半胱氨酸(His2／Cys2)与锌离子形成一个四面体结构有两条β链和一个α螺旋，α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C4型：2对半胱氨酸(cys2／cys2)与一个锌离子形成配位键如类固醇激素受体家族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132Homeodomain:encodedbyasequencecalledthehomeobox,containinga60-amino-acid.3αhelix,formHTHmotifHelix3ofthehomeodomainbindsinthemajorgrooveofDNA,withhelices1and2lyingoutsidethedoublehelix.Legsappearontheheadwhereantennaewouldnormallybe.3、亮氨酸拉链(Leucinezipper)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α-螺旋的同一侧面，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。LLLLLLLL++++++++NH2NH2COOHCOOH肽链氨基端富含碱性氨基酸残基区，可与DNA结合碱性结构域富含碱性氨基酸残基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。++++++4、螺旋-环-螺旋(Helix-loop-Helix)HLH由2个α螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成，通过C端α螺旋的疏水作用形成二聚体碱性结构域NH2NH2COOHCOOH（二）转录激活结构域1．酸性结构域也叫做“酸斑”或“带负电的长链”富含酸性氨基酸存在于许多转录因子的激活结构域中，如：yeastGcn4andGal4,2．富含谷氨酰胺激活结构域：富含谷氨酰胺（SP1，OCT-1，OCT-2，SRF等）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（AP-2、Jun、SRF等）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。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TAFⅡ110发生特异作用，TAFⅡ110是TAFⅡ中的一种，后者与TATA结合蛋白（TBP）相结合组成TFⅡD。2.激素调控:类固醇激素（如糖皮质激素）脂溶性的；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)GlucocorticoidreceptorDissociation,dimerization3.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