第八章真核生物基因表達(dá)調(diào)控

第八章真核生物基因的表達(dá)調(diào)控第一節(jié)概述真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

發(fā)育調(diào)控

、正調(diào)控、組織細(xì)胞特異性、多層次DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平調(diào)控翻譯后水平調(diào)控調(diào)控層次核酸分子間的互作蛋白質(zhì)與核酸分子間的互作蛋白質(zhì)分子間的互作調(diào)控機(jī)理蛋白質(zhì)如何識(shí)別DNA特定序列？非特異性結(jié)合：蛋白正電區(qū)域（由帶正電的氨基酸側(cè)鏈組成），與DNA主鏈的負(fù)電荷產(chǎn)生靜電作用，二者距離遠(yuǎn)，作用力弱特異性結(jié)合：蛋白質(zhì)分子與DNA靶位點(diǎn)形成氫鍵，使二者距離縮短（1.0~1.5nm），作用力增強(qiáng)P239－245真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性基因家族（簡(jiǎn)單多基因家族和復(fù)雜多基因家族）真核基因的斷裂結(jié)構(gòu)（組成型剪接和選擇型剪接）基因簇與基因家族（Genecluster、Genefamily）基因家族（Genefamily）:真核生物的基因組中許多來(lái)源相同，結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因①簡(jiǎn)單多基因家族：5SrRNA基因家族復(fù)雜多基因家族：各個(gè)成員并不都是相同的

往往以串聯(lián)重復(fù)基因簇的形式出現(xiàn)目前可分為三類(lèi)：各成員之間有高度的序列一致性串聯(lián)重復(fù)基因簇的特點(diǎn)：拷貝數(shù)高幾十～幾百非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致正好滿足組蛋白基因、rRNA基因和tRNA的基因產(chǎn)物被細(xì)胞大量需要基因簇（genecluster）：基因家族的各成員緊密成簇，排列成大段的串聯(lián)重復(fù)單位，定位于染色體的特殊區(qū)域③由發(fā)育階段控制的多基因家族：人類(lèi)珠蛋白的基因家族割裂基因（splittinggene）不連續(xù)基因（discontinuousgene）

斷裂基因（interruptedgene）概念：編碼某一RNA的基因中有些序列并不出現(xiàn)在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的序列隔開(kāi)外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控組成型剪接：一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只產(chǎn)生一種成熟mRNA，編碼一個(gè)多肽選擇性剪接：一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可以通過(guò)不同的剪接方式產(chǎn)生不同的mRNA，翻譯成不同蛋白質(zhì)第一節(jié)DNA水平的調(diào)控基因丟失染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控基因擴(kuò)增基因重排DNA甲基化1、基因丟失：在細(xì)胞分化過(guò)程中，通過(guò)丟掉某些基因而去除其活性，不可逆。某些原生動(dòng)物，線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)、甲殼類(lèi)動(dòng)物，體細(xì)胞常丟掉部分或整條染色體?；紫x(chóng)胚胎發(fā)育過(guò)程中，有27％DNA丟失。在高等動(dòng)植物中，尚未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。

2、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控：真核基因的活躍轉(zhuǎn)錄是在常染色質(zhì)上進(jìn)行的有基因表達(dá)活性的染色質(zhì)DNA對(duì)DNaseⅠ更敏感，即DNaseⅠ的敏感性可作為該基因轉(zhuǎn)錄活性的標(biāo)志。常染色質(zhì)：結(jié)構(gòu)松散，基因表達(dá)異染色質(zhì)：結(jié)構(gòu)緊密，基因不表達(dá)3、基因擴(kuò)增：細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性增加的現(xiàn)象為滿足正常的生長(zhǎng)發(fā)育需要

兩棲類(lèi)和昆蟲(chóng)卵母細(xì)胞rRNA基因的擴(kuò)增果蠅濾泡細(xì)胞卵殼蛋白基因的擴(kuò)增

外界環(huán)境因素引起基因擴(kuò)增

藥物誘導(dǎo)抗藥性基因的擴(kuò)增；腫瘤細(xì)胞中原癌基因拷貝數(shù)異常增加。原發(fā)性的視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤中，含myc原癌基因的DNA區(qū)段擴(kuò)增10－200倍。許多致癌劑可誘導(dǎo)DNA擴(kuò)增。4、基因重排：將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的地方移動(dòng)到距它很近的位點(diǎn)而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄特異性調(diào)節(jié)，發(fā)生在特殊的細(xì)胞類(lèi)型中釀酒酵母接合型哺乳動(dòng)物免疫球蛋白編碼區(qū)的連接無(wú)序的，發(fā)生在腫瘤細(xì)胞基因組中DNA水平的調(diào)控5、DNA甲基化：DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)基因活化和表達(dá)5-mC，N6-mA，7-mG“CpG島”甲基化程度高，基因表達(dá)降低去甲基化，基因表達(dá)增加甲基化酶類(lèi)型：日常型甲基轉(zhuǎn)移酶：催化半甲基化，甲基化母鏈為模板指導(dǎo)，甲基化迅速?gòu)念^合成型甲基轉(zhuǎn)移酶：催化未甲基化，無(wú)需母鏈指導(dǎo)，速度慢DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄機(jī)制：甲基化達(dá)到一定程度時(shí)，B-DNA轉(zhuǎn)變?yōu)閆-DNA，Z-DNA結(jié)構(gòu)收縮，螺旋加深，大溝（蛋白質(zhì)因子識(shí)別）不存在，不利于轉(zhuǎn)錄起始。第二節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控Britten-Davidson模型順式作用元件反式作用因子特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)制轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor,TF)；啟動(dòng)子與TF結(jié)合后，才能被RNApol識(shí)別與結(jié)合；-25～-30區(qū)：TATA盒轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控真核生物基因的表達(dá)調(diào)控一、Britten-Davidson模型影響基因表達(dá)活性的DNA序列非編碼序列包括：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用二、順式作用元件(cis-actingelement)1、啟動(dòng)子核心啟動(dòng)子：TATAbox

上游啟動(dòng)子元件：CAATbox和GCbox2、增強(qiáng)子促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，不具有啟動(dòng)子專一性功能與方向，位置無(wú)關(guān)遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用(100~500bp，10Kb)組織或細(xì)胞特異性必須有兩個(gè)(以上)增強(qiáng)子成份緊密相連

增強(qiáng)子的特點(diǎn)P257感染真核細(xì)胞的病毒DNA大多具有增強(qiáng)子，可被寄主細(xì)胞蛋白質(zhì)激活。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）：具有糖皮質(zhì)激素基因的增強(qiáng)子，能在被類(lèi)固醇激活的細(xì)胞（如乳腺上皮細(xì)胞）中旺盛生長(zhǎng)。病毒有寄主范圍，因它有組織特異和物種特異的增強(qiáng)子三、反式作用因子(trans-actingfactor)反式作用因子三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域

1.DNA結(jié)合域(DNA-bindingdomain)；2.轉(zhuǎn)錄激活域(transcriptionalactivationdomain)；3.結(jié)合其它蛋白的結(jié)合域?yàn)镈NA結(jié)合蛋白，核內(nèi)蛋白，可使鄰近基因開(kāi)放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）。1）螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）2）鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）3）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucinezipper，bZIP）4）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic-helix/loop/helix，HLH）5）同源域蛋白（homeodomain，HD）1、反式作用因子DNA結(jié)合域的模式（motif

）1）HTH,Helix-turn-helix2個(gè)螺旋被一個(gè)轉(zhuǎn)角隔開(kāi)識(shí)別螺旋，與DNA在大溝中特異結(jié)合λ阻遏蛋白CRP酵母接合型調(diào)控蛋白α1，α2許多調(diào)控蛋白都有HTHCys2/His2,經(jīng)典的鋅指結(jié)構(gòu)~23aaCys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-HisCys、His與Zn++結(jié)合形成4面體結(jié)構(gòu)，中部芳香族氨基酸保守，疏水串聯(lián)重復(fù)排列，兩指間7-8aa鋅指數(shù)目多少不等2）鋅指結(jié)構(gòu)(zincfingermotif)：兩種SP1TFIIIA344aa，N端與DNA結(jié)合9個(gè)鋅指，每個(gè)～30aa與5srRNA基因內(nèi)啟動(dòng)子（50bp)結(jié)合Cys-X2-Cys-X13—Cys-X2-CysZn++與4個(gè)Cys結(jié)合DNA結(jié)合序列較短，對(duì)稱無(wú)大量重復(fù)性鋅指例如GAL4，酵母的轉(zhuǎn)錄因子哺乳類(lèi)的固醇類(lèi)激素受體Cys2/Cys2zincfinger-COOH，每隔6個(gè)氨基酸出現(xiàn)一個(gè)Leu，所有Leu出現(xiàn)在同一側(cè)面，成直線排列，形成疏水面-NH2，富含堿性氨基酸，堿性DNA結(jié)合域依靠Leu的疏水作用，2個(gè)helix相互纏繞，形成拉鏈結(jié)構(gòu)3）bzip（P262）40～50aa含2個(gè)-helix（15~16aa）,由連接區(qū)（12~28aa）連接；兩親性；通過(guò)疏水面作用形成二聚體－NH2端為堿性結(jié)合區(qū)，16aa4）bHLH（Helix-loop-helix）MyoD-DNA缺乏堿性區(qū)的蛋白質(zhì)，即使形成（同、異）二聚體，也無(wú)法同DNA結(jié)合zyj278最早在果蠅中發(fā)現(xiàn)同形異位現(xiàn)象(homeosis):果蠅頭部長(zhǎng)觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái)同形異位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎發(fā)育的基因從酵母到人類(lèi)都存在5）同源域蛋白Homeodomain有3個(gè)—helixH1與H2平行H2與H3形成HTHmotifH3位于大溝中，與DNA特異結(jié)合N末端位于小溝中，與DNA接觸真核生物基因的表達(dá)調(diào)控酸性α-螺旋結(jié)構(gòu)域如GCN4，GAL4富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域如SP1,AP2,oct1,oct2富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域如CTF/NF1不規(guī)則的，含雙性-helix2、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(transcriptionalactivationdomain)反式作用因子的作用方式成環(huán)、扭曲、滑動(dòng)等反式作用因子的組合式調(diào)控作用(combinatorialgeneregulation)使有限的反式作用因子可以調(diào)控不同基因的表達(dá)3、反式作用因子與順式作用元件的結(jié)合成環(huán)constitutiveexpressioninducibleexpression4、反式作用因子的種類(lèi)TF(I，II，III）：通用轉(zhuǎn)錄因子(基礎(chǔ)因子)：RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的蛋白因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(上游因子)：識(shí)別并結(jié)合在上游元件UPE上，提高轉(zhuǎn)錄效率，活性不受調(diào)控誘導(dǎo)型因子：結(jié)合在應(yīng)答元件上，活性受調(diào)控，調(diào)控基因的特異性表達(dá)SP1C末端DNA結(jié)合域,3個(gè)Zn指

2個(gè)活化結(jié)構(gòu)域,rich-Gln在大溝中結(jié)合GCbox，一個(gè)SP1結(jié)合～20bp,無(wú)組織特異性，作用無(wú)方向性，可提高轉(zhuǎn)錄10-25倍最初在SV40中發(fā)現(xiàn)，普遍存在于脊椎動(dòng)物中，每個(gè)細(xì)胞中有6萬(wàn)個(gè)ThespecifictranscriptionfactorSP1bindstoGCrichsequenceinTATAlesspromoterglutamine-richdomainsGC250150SP1110TBPzincfingermotifs一種元件可被一種以上的TF識(shí)別！一個(gè)特定蛋白質(zhì)能識(shí)別不止一種序列！CTF結(jié)合CCAATbox，作用于大溝，無(wú)組織專一性每個(gè)細(xì)胞中有30萬(wàn)個(gè)有許多蛋白質(zhì)可與CAAT結(jié)合

NF1,腺病毒復(fù)制原點(diǎn)的核因子1C/EBP,大鼠肝中CCAAT結(jié)合蛋白

CTF家族

CP家族

真核生物的轉(zhuǎn)錄因子，雖然具有較高程度的獨(dú)立性，仍然可能與原核生物的σ因子起著相同作用，即核心酶識(shí)別特異序列，并與之結(jié)合。所以沒(méi)有大量轉(zhuǎn)錄因子，RNA聚合酶II本身不可能識(shí)別真核中數(shù)量巨大的啟動(dòng)子。含有短的共有序列；在不同基因中，拷貝相似，有時(shí)有多個(gè)拷貝；與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)距離不固定，一般位于上游元件或增強(qiáng)子內(nèi)；常是啟動(dòng)子的上游元件或增強(qiáng)子四、轉(zhuǎn)錄水平特異性表達(dá)的機(jī)制1、應(yīng)答元件Responseelement

：與誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的DNA序列。Eukaryoticresponseelements.ResponseElementTranscriptionFactorConsensusSequenceMREmetalCGNCCCGGNCNCCRECREB(cAMP)TGACGTCAEREEstrogenreceptor雌激素AGGTCANNNTGACCTGREGlucocorticoidreceptor糖皮質(zhì)激素AGAACANNNTGTTCTHSEHeatshockfactorGAANNTTCNNGAATRE佛波酯TGACTCASRESerumresponsefactor血漿反應(yīng)因子CC(A/T)6GGEREEthylene乙烯AGCCGCCT*(A/T)6

meanssixAorT;N=any.2、誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子活性調(diào)控合成后即有活性：需要時(shí)合成，可迅速降解共價(jià)修飾：磷酸化-去磷酸化，糖基化配體結(jié)合：如激素與受體的結(jié)合蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用：二聚體3、熱休克應(yīng)答（P281）HSP（heatshockprotein)aa序列高度保守蛋白質(zhì)功能高度保守是一種分子伴侶chaperonehsp基因核苷酸序列高度保守，如人與E.Coli40～60％多基因家族，多拷貝，成簇存在大部分無(wú)內(nèi)含子，如hsp70，轉(zhuǎn)錄后不須剪切即可產(chǎn)生成熟mRNA，適應(yīng)需要位于hsp基因上游核心序列nGAAn首尾排列：－GAANNTTCNNGAA－

HSE幾乎存在于所有的HSP中，其在進(jìn)化中的保守性是熱休克應(yīng)答普遍性的分子基礎(chǔ)之一把HSE連接在其它基因的上游，該基因可獲得熱誘導(dǎo)性。HSE（heatshockelement）HSF,heatshockfactor，

HSE結(jié)合蛋白，熱激轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合區(qū)：3個(gè)螺旋，形成疏水區(qū)多聚化區(qū)：4個(gè)Leu拉鏈，三聚體有活性C末端（452～488）保守區(qū)熱休克應(yīng)答的調(diào)控機(jī)制常溫下，HSF為單體，不與DNA結(jié)合（無(wú)活性）熱激后，多聚化，與HSE結(jié)合大量變性和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)出現(xiàn),與hsp70,hsp90競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合,使拉鏈區(qū)暴露,HSF解離，形成HSF單體多聚化與HSE結(jié)合產(chǎn)生HSPHSP積累，可與HSF結(jié)合脫離HSE熱激熱休克應(yīng)答現(xiàn)象普遍存在熱休克基因家族是迄今被發(fā)現(xiàn)的最保守的遺傳系統(tǒng)熱休克反應(yīng)可被多種因素誘導(dǎo)，應(yīng)激反應(yīng)shen256真核生物基因的表達(dá)調(diào)控真核生物基因的表達(dá)調(diào)控rRNA的加工成熟（核仁）：分子內(nèi)的切割（初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S前體）化學(xué)修飾（原核生物堿基甲基化，真核生物核糖甲基化）tRNA的加工成熟：初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，先經(jīng)核苷修飾，生成45S前體，再剪接成熟第三節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控mRNA的加工成熟：5’端加帽(cap)和3’端加尾(polyA)使mRNA穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中不被降解真核生物轉(zhuǎn)錄后加工的多樣性：簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)錄單位