細胞-南開課件

第三節(jié)真核基因表達調(diào)控

背景情況（overview）：關(guān)鍵問題：細胞分化和個體發(fā)育中基因組選擇性表達的時空性；分子事件？機制？如何協(xié)調(diào)？環(huán)境因子的作用？

……

基因組的全能性細胞的多潛能性

(totipotency)(pluripotency)真核細胞基因組全能性的實驗證據(jù)

真核細胞基因組的復(fù)雜性：

e.g.,humangenome:約30億bpDNA；包含約3萬個基因；95％的非編碼DNA序列（功能？）；一生合成總蛋白質(zhì)的種類約10萬種，但在一個典型的分化細胞中合成約5000種蛋白質(zhì)；如何調(diào)控？人類基因組計劃（HGP）功能基因組學(xué)：基因及其產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）的功能。不同組織器官中表達不同的蛋白質(zhì)組（2D-gel）從DNA到蛋白質(zhì)的可能的調(diào)控步驟

真核基因表達的多級控制

主要調(diào)控水平：*－轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控（transcriptionalcontrol）*－轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控（post-transcriptionalcontrol）

RNA加工水平調(diào)控（RNAprocessingcontrol）翻譯水平調(diào)控（translationalcontrol）－蛋白質(zhì)的翻譯后修飾（post-translationalmodification）

一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

基本概念：事件：DNA/protein,protein/protein相互作用；順式作用元件（cis-actingelement）：與轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白特異結(jié)合的DNA序列；反式作用因子（trans-actingfactor）：與特定DNA序列結(jié)合的調(diào)控蛋白因子；“模體”結(jié)構(gòu)（motif）：蛋白質(zhì)中的小結(jié)構(gòu)域，由一小段保守的氨基酸構(gòu)成，用以識別特定的DNA序列或其他蛋白質(zhì)；

e.g.,helix-turn-helix,zinc-finger,?-sheet,leucin-zip,etc.

共有序列（consensussequence）：DNA中一小段保守序列（有時也指蛋白質(zhì)中的氨基酸序列），能夠被特定的蛋白結(jié)構(gòu)域所識別，在轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控中起重要作用；e.g.,TATA-box,CAAT-box,GC-box,etc.

通用轉(zhuǎn)錄因子（generaltranscriptionfactor）：與核心啟動子元件相結(jié)合（如TATA-box），啟動轉(zhuǎn)錄；特異轉(zhuǎn)錄因子（specifictranscriptionfactor）：與基因的特異調(diào)控元件相結(jié)合，起調(diào)節(jié)作用（促進或阻抑）；（一）、轉(zhuǎn)錄的激活（transcriptionalactivation）

1，轉(zhuǎn)錄的起始涉及一系列的DNA/protein,protein/protein相互作用；轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體（pre-initiationcomplex）的形成，etc.RNApolymeraseII(sidecutway)AaronKlug,2001,Science,292:1844-46

真核基因的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄的起始2，激活因子（activator）和輔激活因子（co-activator）特異性的轉(zhuǎn)錄因子，能在DNA序列上形成復(fù)合體，激活轉(zhuǎn)錄；e.g.,腎上腺（糖）皮質(zhì)激素的作用：glucocorticoid/GRE輔激活因子在特定的DNA元件上形成復(fù)合體，激活轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄因子（通用轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子）的功能結(jié)構(gòu)域：

-DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA-bindingdomain）：與基因的調(diào)控區(qū)域的特定DNA序列識別并結(jié)合

-激活結(jié)構(gòu)域（activationdomain）：招募其他激活因子和蛋白質(zhì)，共同啟動或激活轉(zhuǎn)錄真核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控（genecontrolregions）3，基因遠端的調(diào)控元件—增強子（enhancer）特點：距離基因的起始點較遠位置不定：上游、下游、內(nèi)含子內(nèi)部方向性：正反方向均有作用作用機制：間隔DNA可以形成環(huán)狀通過與enhancer結(jié)合的特異因子起作用染色質(zhì)構(gòu)型的改變（重塑）基因遠端的增強子促進轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的裝配（二）、轉(zhuǎn)錄的阻抑（transcriptionalrepression）1，順式作用元件／反式作用因子阻抑物（repressor）：負調(diào)控的特異性轉(zhuǎn)錄因子沉默子（silencer）：負調(diào)控的DNA元件作用機制：阻抑轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝（與通用轉(zhuǎn)錄因子作用）與轉(zhuǎn)錄激活因子競爭結(jié)合DNA

與轉(zhuǎn)錄激活因子相互作用，影響其活性改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)型（招募重塑復(fù)合體、組蛋白修飾酶）阻抑因子（repressor）抑制基因轉(zhuǎn)錄的可能機制2，DNA甲基化（DNAmethylation）

CG島（CGisland）：基因組DNA中富含GC堿基的區(qū)域，其中一些對稱序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修飾；與基因的失活有關(guān)。

DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNAmethyltransferase,DNMT）

–維持性DNMT（maintenanceDNMT）：使DNA甲基化的模式（pattern）在細胞分裂中得以保持（可遺傳性）

–構(gòu)建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：使非甲基化的DNA模板甲基化

DNA甲基化是一個動態(tài)過程，又是相對穩(wěn)定的狀態(tài)；受精卵和早期胚胎細胞中甲基化程度低，隨分化進程逐漸建立。胞嘧啶C的甲基化修飾DNA甲基化pattern維持的方式（維持性DNMT的作用）DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制：

–干擾轉(zhuǎn)錄因子對DNA元件的識別和結(jié)合

–將轉(zhuǎn)錄因子的DNA識別序列轉(zhuǎn)變?yōu)樽枰治锏淖R別序列

–DNA甲基化有利于招募染色質(zhì)重塑或修飾因子

DNA甲基化的普遍性：脊椎動物（包括哺乳類和人）、植物中普遍存在；低等生物（果蠅、酵母等）中未發(fā)現(xiàn)。DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制

基因組印記（genomicimprinting）和甲基化現(xiàn)象：在二倍體動物中，有些基因（～100個）的表達，依賴于其是來自于父本還是母本染色體，如同印上了“印記”；印記是由DNA甲基化標記來實現(xiàn)區(qū)分的；印記的基因在受精后不受“去甲基化波”的影響，從而“記憶”住了親本所標記的表達方式（阻抑或促進）。e.g.,鼠的Igf2基因。這是DNA的“狀態(tài)”，而不是其序列決定可遺傳性狀的證據(jù)（表觀遺傳）。鼠中基因“印記”的傳遞方式轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的步驟和方式

基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（post-transcriptionalcontrol）

二、RNA加工水平的調(diào)控(RNAprocessing)1,選擇性剪接（alternativesplicing）以區(qū)別組成型剪接（constitutivesplicing）選擇性剪接：一個hnRNA（pre-mRNA）轉(zhuǎn)錄本，通過外顯子的剪、接、重組，產(chǎn)生多個成熟的mRNA的機制。

i.e.,一個基因多個mRNA多個蛋白質(zhì)（isoforms）

選擇性剪接的不同形式＊深藍：均保留的exon;

淺藍：僅在一個mRNA中保留的exon;

黃色：intron;

紅線：被剪切去的區(qū)域。選擇性剪接的實際例子：α-原肌球蛋白mRNA(α-tropomyosin)

剪接位點的選擇和識別：剪接增強子（splicingenhancer）剪接因子（splicingfactors）形成“剪接子”（spliceosome）RNA剪接的機制2，RNA編輯（RNAediting）改變成熟的mRNA的序列，從而改變其“含義”（meaning）的機制；如：插入一個或多個“U”。由“guideRNA”引導(dǎo)編輯過程。三、翻譯水平的調(diào)控（translationalcontrol）

成熟mRNA的結(jié)構(gòu)：

5’帽子（5’-cap,metG），5’－UTR，編碼區(qū)，3’－UTR，多聚（A）尾部。5’-metG-5’-UTR3’-UTRCodingregion-…AAAA-3’AUG（一）、mRNA的細胞定位

mRNA在細胞質(zhì)中的不均一性（見前）：如何定位？決定：3’-UTR中的信息，可能涉及蛋白質(zhì)的參與；轉(zhuǎn)運：微管（microtubule）的作用；錨定：微絲（microfilaments）的作用。mRNA定位的幾種方式:Left:travelbyassociateionwithcytoskeletonmotor;Center:randomdiffusion;Right:degradationofunanchoredmRNAs;Blackopencircus:anchorcomplex（二）、mRNA的翻譯調(diào)控翻譯的負調(diào)控（negativetranslationalcontrol）翻譯阻抑蛋白（translationalrepressor）：與mRNA的5’-UTR和3’-UTR中的特定序列相識別、相互作用，并抑制翻譯水平。翻譯的負調(diào)控機制e.g.,ferritin

翻譯起始點的調(diào)控翻譯通常從第一個AUG起始，但有時會因第一個AUG周圍的、能被核糖體亞基識別的信號序列太弱而被錯過，從而由以下的AUG開始翻譯（“l(fā)eakyscanning”）（三）、mRNA的穩(wěn)定性（mRNAstability）

mRNA的半衰期（half-life）：從幾分鐘到十幾個小時不等，多數(shù)mRNA的半衰期不超過30分鐘；影響mRNA穩(wěn)定性的因素：

–多聚（A）尾部的長短：poly(A)/PABP，<30nt時降解

–5’-帽子的解除（de-capping）引起mRNA降解