3真核基因表达调控

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(totipotency)(pluripotency)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：e.g.,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。不同组织器官中表达不同的蛋白质组（2D-gel）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：从DNA到蛋白质的可能的调控步骤•真核基因表达的多级控制•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•真核基因的结构转录的起始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（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2，DNA甲基化（DNAmethylation）•CG岛（CGisland）：基因组DNA中富含GC碱基的区域，其中一些对称序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修饰；与基因的失活有关。•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。胞嘧啶C的甲基化修饰DNA甲基化pattern维持的方式（维持性DNMT的作用）•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甲基化有利于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）。e.g.,鼠的Igf2基因。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”的传递方式转录后调控的步骤和方式•基因的转录后调控（post-transcriptionalcontrol）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:travelbyassociateionwithcytoskeletonmotor;Center:randomdiffusion;Right:degradationofunanchoredmRNAs;Blackopencircus:anchorcomplex（二）、mRNA的翻译调控•翻译的负调控（negativetranslationalcontrol）翻译阻抑蛋白（translationalrepressor）：与mRNA的5’-UTR和3’-UTR中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译水平。翻译的负调控机制e.g.,ferritin•翻译起始点的调控翻译通常从第一个AUG起始，但有时会因第一个AUG周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过，从而由以下的AUG开始翻译（“leakyscanning”）（三）、mRNA的稳定性（mRNAstability）•mRNA的半衰期（half-life）：从几分钟到十几个小时不等，多数mRNA的半衰期不超过30分钟；•影响mRNA稳定性的因素：–多聚（A）尾部的长短：poly(A)/PABP，30nt时降解–5’-帽子的解除（de-capping）引起mRNA降解（通常与3’-poly(A)的降解过程相伴）–3’-UTR序列的不同可影响mRNA降解，可能与poly(A)尾部的降解速度有关，e.g.,α-globinmRNA3’-UTR含有许多CCUCCrepeats，可稳定mRNA，而AUUUA序列则使mRNA不稳定。mRNA降解的机制mRNA翻译和降解的竞争：5’-帽子和3’-poly(A)在mRNA降解中的作用复习思考题1.什么是基因表达?试述基因表达变化的特点及其调控对生物体的重要性。2.为什么说转录起始的调控是基因表达调控的中心环节?3.举实际例子说明操纵元的组成元件及其作用，并分析可阻遏的操纵元和可诱导的操纵元的调控方式。4.比较真核和原核生物的基因表达和基因表达调控相似和不同之处，说明真核基因调控的复杂性表现在哪些方面？5.简述操纵子、启动子、转录因子、弱化子、增强子、前导肽、CAP、锌指的概念、结构、及功能。6、真核生物的顺式作用元件和反式作用因子各包括哪些？它们通过什么方式调控基因表达？