生物化学与分子生物学：第18章基因表达调控.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目录,1,第十八章,基因表达调控,Regulation of Gene Expression,2,除了某些以,RNA,为基因组的,RNA,病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段,DNA,序列。,基因包括,编码序列,（外显子）、,调控序列,和,间隔序列,（内含子）,。,基因（,gene,）：,编码蛋白质或,RNA,等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。,3,基因组（,genome,）：,一个生物体内所有遗传信息的总和。,原核生物,：单个的环状染色体所含的全部基因。,真核生物,：一个生物体的染色体所含的全部,DNA,，又称,染色体基因组。,线粒体基因组 叶绿体基因组,属核外遗传物质，由一个亲本（卵细胞）的细胞质所提供,人类基因组包含了细胞,核染色体,DNA,（常染色体和性染色体）及,线粒体,DNA,所携带的所有遗传物质。,5,第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点,Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation,6,一、基因表达是基因转录和翻译的过程,是基因,转录及翻译,的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的,RNA,序列，对于蛋白质编码基因，,mRNA,继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。,基因表达,(gene expression),基因表达是受调控的。,7,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生,按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,(temporal specificity),。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,8,（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同,在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的,空间特异性,(spatial specificity),。,基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称,细胞特异性,(cell specificity),或组织特异性,(tissue specificity),。,9,三、基因表达的方式存在多样性,基因表达调控（,regulation of gene expression,）,就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或,RNA,），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。,10,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本（或组成性）表达,诱导或阻遏表达,11,（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，通常被称为,管家基因,(housekeeping gene),。,管家基因,的,表达水平受环境因素影响较小，而是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。这类基因表达被视为,基本（或组成性）基因表达,(constitutive gene expression),。,基本的基因表达水平并非绝对“一成不变”，所谓“不变”是相对的。,12,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，即这种基因表达是,可诱导,的。,可诱导基因,(inducible gene),在一定的环境中表达增强的过程，称为,诱导,(induction),。,DNA,损伤 修复酶基因激活,13,如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是,可阻遏基因,(repressible gene),。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为,阻遏,(repression),。,色氨酸,色氨酸合成酶系表达被抑制,14,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为,协同表达,(coordinate expression),，这种调节称为,协同调节,(coordinate regulation),。,（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节,15,四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节,一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于同一条,DNA,链上，称为,顺式作用元件,(,cis-acting element,),。,16,启动子,上游调控元件,增强子,加尾信号,细胞信号反应元件,顺式作用元件,17,转录起始点,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,增强子,典型的真核生物顺式作用元件,(cis-acting element),AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,真核生物的特异,DNA,序列,顺式作用元件,(cis-acting element),位于编码基因两侧，可影响,自身,基因表达活性的,DNA,序列,RNA,聚合酶,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,mRNA,RNA,聚合酶,B,A,DNA,转录起始点,mRNA,19,调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这些蛋白质分子称为,反式作用因子,(,trans-acting factor,),。,20,五、基因表达调控呈现多层次和复杂性,首先，遗传信息以基因的形式贮存于,DNA,中。,其次，遗传信息经转录由,DNA,传向,RNA,过程中的许多环节。,(,最重要、最复杂,),最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。,21,基因表达调控的多层次和复杂性,基因激活,转录水平,转录后加工,翻译水平,翻译后加工,mRNA,降解,基因表达,可调控的环节,蛋白质降解,22,六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础,（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖,久居高原地区的居民平均,Hb,浓度升高,23,（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,24,第二节,原核基因表达调控,Regulation of Gene Expression in Prokaryote,25,原核生物基因组结构特点,基因组中,很少有重复序列,；,编码蛋白质的结构基因为,连续编码,，且,多为单拷贝,基因，但编码,rRNA,的基因仍然是多拷贝基因；,结构基因在基因组中所占的比例（约占,50%,）远远大于真核基因组；,许多结构基因在基因组中以,操纵子,为单位排列。,原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状,DNA,分子,26,调节的主要环节在,转录起始,原核基因转录调节特点,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,27,在转录起始阶段，,亚基（又称,因子）识别特异启动序列；不同的,因子,决定特异基因的转录激活，也决定不同,RNA,（,mRNA,、,rRNA,和,tRNA,）基因的转录,。,28,噬菌体,SPO1,感染宿主细胞的过程中，不同的,因子在不同阶段顺序表达，指导宿主,RNA,聚合酶启动相应的基因转录。,29,原核生物大多数基因表达调控是通过,操纵子机制,实现的。,一、,操纵子是原核基因转录调控的基本单位,蛋白质因子,特异,DNA,序列,编码序列,启动子,操纵元件,其他调节基因,(,promoter,),(,operator,),30,操纵子定义：,原核生物基因组中，几个功能相关的,结构基因,及其上游的,调控区域,，称为一个操纵子,(,Operon,),。,组成：,结构基因,-2,个以上的编码序列,启动序列,-RNA,聚合酶辨认、结合,操纵元件,-,（,Operator,),调节序列,-,与其他调节蛋白结合,31,操纵子结构（,Operon,）,启动序列 操纵序列,结构基因,1,结构基因,2,结构基因,3,（信息区）,（调 控 区）,Promoter,Operator,Structural gene,RNA,聚合酶,多顺反子,mRNA,识别结合,结合,阻遏蛋白,其它序列,其它,调节蛋白,32,操纵子模型的普遍性,多顺反子,(polycistron),：,一条,mRNA,分子携带了几个多肽链的编码信息。,33,E.,Coli,乳糖操纵子的结构基因,34,操纵子模型的普遍性,多顺反子,(polycistron),：,一条,mRNA,分子携带了,几个,多肽链的编码信息。,启动子,是,RNA,聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。,各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游,-10,及,-35,区域存在一些相似序列，称为,共有序列,。,E.coli,及一些细菌启动序列的共有序列在,-10,区域是,TATAAT,，在,-35,区域为,TTGACA,共有序列决定启动序列的转录活性大小。,35,图,18-1 5,种,E.coli,启动序列的共有序列,Pribnow,盒,操纵序列,操纵序列（,operator,）是指能被,阻遏蛋白特异性结合的一段,DNA,序列,，常与启动序列邻近或与启动序列重叠，当阻遏蛋白结合在操纵序列上，会影响其下游基因的转录。,操纵序列是原核阻遏蛋白的结合位点，介导负性调节。,以乳糖操纵子中的操纵序列为例，其操纵序列（,o,）位于启动序列（,p,）与被调控的基因之间，部分序列与启动序列重叠。,调节序列,调节序列中存在某些特异的,DNA,序列，可结合激活蛋白，结合后,RNA,聚合酶活性增强，使转录激活，介导正性调节。,39,调节基因（,regulatory gene,）编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。,调控蛋白的作用分别是,特异因子,决定,RNA,聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力，如,因子；,40,阻遏蛋白,可以识别、结合特异,DNA,序列操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（,negative regulation,）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；,激活蛋白,可结合启动序列邻近的,DNA,序列，提高,RNA,聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强,RNA,聚合酶的转录活性，是一种正调控（,positive regulation,），如,CAP,结合蛋白。,41,基因表达有正调控和负调控,调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：,阻遏蛋白,-,负调控因素,激活蛋白,-,正调控因素,42,大肠杆菌可以利用,葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖,等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有,葡萄糖和乳糖,时，细菌,优先,利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，但经过短时间的,适应,，就能完全利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。,二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控,43,大肠杆菌能够利用乳糖作为它的唯一碳源，就必须使得：,1.,乳糖能进入细胞,2.,将乳糖水解为,半乳糖和葡萄糖,半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶,是大肠杆菌,DNA,上乳糖操纵子的,3,个结构基因，经转录和翻译而成。,44,（,一,）,乳糖操纵子,(lac operon),的结构,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,：透酶,A,：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,调控区,CAP,结合位点,启动序列,操纵序列,编码阻遏蛋白,CAP:catabolite activation protein,45,图,18-2 lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,46,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,（,二,）,乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,阻遏基因,1.,阻遏蛋白的负性调节,有,乳糖存在时：,Lac operon,被诱导表达。,阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与,O,序列解聚、因此每个细胞中可能有寥寥数分子,-,半乳糖苷酶、透酶生成。乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，再经过,-,半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂（,inducer),与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与,O,序列解离，而发生转录。,半乳糖,乳糖,阻遏蛋白,结合半乳糖后，阻遏蛋白构象改变,48,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,图,18-4,lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,49,半乳糖的类似物,异丙基硫代半乳糖苷,（,IPTG,）因与半乳糖结构类似，是一种作用极强的诱导剂。常被实验室采用。,半乳糖,50,+,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,2.CAP,的正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,51,3.,协同调节,当阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,对该系统不能发挥作用。,如无,CAP,存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对,lac,操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,两者相辅相成，缺一不可,52,mRNA,无乳糖时,高乳糖时,葡萄糖低,cAMP,浓度高,葡萄糖高,cAMP,浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,FLASH,53,图,18-3CAP,、阻遏蛋白、,cAMP,和诱导剂对,lac,操纵子的调节,54,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,色氨酸操纵子,三、,色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达,色氨酸操纵子的作用阻遏原理,55,四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制,（,一,）不依赖,Rho,因子的转录终止,两段富含,GC,的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；,下游含一系列,T,序列。,终止子结构特点：,56,近终止区的转录产物形成发夹,(hairpin),结构是非依赖,因子终止的普遍现象。,57,（二）依赖,Rho,因子的转录终止,常见于噬菌体中，结构特点不清楚。,58,五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节,（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性,衰减是转录,-,翻译的偶联调控,色氨酸操纵子（,trp operon,）,除了产物阻遏负调控外，还有,转录衰减（,attenuation,）,调控方式。,单林娜 制作,59,调控基因,结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶,色氨酸操纵子的结构,trpR,trpR,P,Leader,前导序列,单林娜 制作,60,61,UUUU,UUUU,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,衰减子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,衰减子结构,第,10,、,11,密码子为,trp,密码子,终止密码子,14aa,前导肽编码区,:,包含序列,1,形成发夹结构能力强弱：,序列,1/2,序列,2/3,序列,3/4,trp,密码子,UUUU,62,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1.,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,1,2,5,trp,密码子,衰减子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,63,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,2.,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关,结构基因被转录,序列,3,、,4,不能,形成衰减子结构,64,图,18-4,色氨酸操纵子的结构及其关闭机制,65,衰减,和,抗终止,现象最早在,E.,coli,Trp,操纵子中发现，其结构和机制异常精细。衰减可以使得转录提前结束，抗终止使得转录继续进行下去。,阻遏和衰减虽然都在转录水平上进行，但两者的机制完全不同：前者控制转录的起始，后者决定转录起始后是否进行下去。衰减作用比阻遏作用是更为精细的调节。,66,衰减子更,灵敏,只要,Trp,一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合,O,序列，也可以使大量的,mRNA,转录提前终止。反之，当,Trp,减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可能充分的消耗,Trp,，使其合成维持在满足需要的水平，防止,Trp,堆积和过多的消耗能量。,67,（二）大分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,调节蛋白结合,mRNA,靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译。,调节蛋白一般作用于自身,mRNA,，抑制自身的合成，称,自我控制,(autogenous control),。,蛋白质结合：,68,如：核糖体蛋白是自身翻译的抑制蛋白,组成核糖体的蛋白质有,50,种之多，这些蛋白质必需以相同的速度合成出来，且它们必需严格保持与,rRNA,相应的水平。,当有过量核糖体蛋白游离存在时即会引起它自身以及有关蛋白质合成的阻遏。,69,核糖体蛋白质,rRNA,mRNA,？,核糖体蛋白质既可以和,rRNA,结合，又可以和编码自身的,mRNA,结合。但是它对前者的结合力要比后者大很多。,正常情况下，核糖体蛋白质与,rRNA,结合，当它表达过量时，,“,多余的,”,核糖体蛋白就会和,mRNA,结合，阻遏自身的翻译。,机制：,70,如,SD,序列与,16S rRNA,的互补程度，以及,SD,序列到起始密码子之间的距离都强烈影响翻译的效率。,核酸分子结合：,71,（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身,mRNA,的结合实现对翻译起始的调控,编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或,RNA,）直接或间接地结合来决定翻译起始。,调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合。,72,S8,：组成核糖体小亚基的一个蛋白，可以与,16S rRNA,的茎环结构结合。,L5,：组成核糖体大亚基的一个蛋白，其,mRNA,的,5,末端能形成与,16S rRNA,类似的茎环结构。,当,16S rRNA,充足,时，可以与所有的,S8,蛋白结合，不影响,L5,蛋白合成；,当,16S rRNA,不足,时，多余的,S8,与,L5 mRNA,结合，阻遏,L5,蛋白的合成。,73,（四）反义,RNA,结合,mRNA,翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节,可调节基因表达的,RNA,称为调节,RNA,。,细菌中含有与特定,mRNA,翻译起始部位互补的,RNA,，通过与,mRNA,杂交阻断,30S,小亚基对起始密码子的识别及与,SD,序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为,反义控制,(antisense control),。,74,（五）,mRNA,密码子的编码频率影响翻译速度,当基因中的密码子是常用密码子时，,mRNA,的翻译速度快，反之，,mRNA,的翻译速度慢。,75,第三节 真核基因表达调控,Regulation of Gene Expression in Eukaryote,76,一、真核细胞基因表达的特点,真核基因组比原核基因组,大,得多；,原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有,10%,的序列编码,蛋白质、,rRNA,、,tRNA,等，其余,90%,的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控；,真核生物编码蛋白质的基因是,不连续的,，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次；,77,原核生物的基因编码序列在操纵子中，,多顺反子,mRNA,使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条,mRNA,，即,mRNA,是,单顺反子,（,monocistron,），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达；,78,真核生物,DNA,在细胞核内与多种蛋白质结合构成,染色质,，这种复杂的结构直接影响着基因表达；,真核生物的遗传信息不仅存在于,核,DNA,上，还存在,线粒体,DNA,上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。,79,图,18-5,真核生物基因表达的多层次复杂调控,80,二、染色质结构与真核基因表达密切相关,活性染色质,(active chromatin),具有转录活性的染色质。,超敏位点（,hypersensitive site),当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如,DNase I,）高度敏感的位点。,（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感,81,(,二,),转录活化染色质的组蛋白发生改变,组蛋白结构及其化学修饰,（,a,）组蛋白与,DNA,组成的核小体；（,b,）组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；（,c,）四种组蛋白组成的八聚体,82,转录活跃区域的染色质中的组蛋白的特点：,富含,Lys,的,H1,组蛋白降低,；,H2A-H2B,组蛋白二聚体不稳定性增加,，使其容易从核小体核心中被置换出来；,核心组蛋白,H3,、,H4,可发生乙酰化、磷酸化及泛素化,修饰,。,以上特点使得核小体结构变得,松弛不稳定,，降低核小体对,DNA,的亲和力，,易于基因转录,。,83,组蛋白乙酰化去乙酰化,组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程，而其稳定状态的维持则是多种,组蛋白乙酰基转移酶（,HATs,）,和,去乙酰基酶（,HDACs,）,共同作用的结果。这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质结构发生动态的改变，并对基因的转录产生相应的影响。,84,赖氨酸,引入乙酰基,乙酰基转移酶,去乙酰化酶,85,组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化可能的机制：,组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使,组蛋白携带正电荷量减少,，降低其与带负电荷的,DNA,链的亲和性，导致局部,DNA,与组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与,DNA,特异序列结合，进而发挥转录调控作用。,86,组蛋白甲基化,通常不改变组蛋白尾巴上的电荷；,增加其碱性度和疏水性；增强组蛋白与,DNA,的亲和力。,87,组蛋白,氨基酸残基位点,修饰类型,功 能,H3,Lys-4,甲基化,激活,H3,Lys-9,甲基化,染色质浓缩,H3,Lys-9,甲基化,DNA,甲基化所必需,H3,Lys-9,乙酰化,激活,H3,Ser-10,磷酸化,激活,H3,Lys-14,乙酰化,防止,Lys-9,的甲基化,H3,Lys-79,甲基化,端粒沉默,H4,Arg-3,甲基化,H4,Lys-5,乙酰化,装配,H4,Lys-12,乙酰化,装配,H4,Lys-16,乙酰化,核小体装配,H4,Lys-16,乙酰化,Fly X,激活,组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响,88,组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰募集其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了,“,组蛋白密码,”,的假说。,89,（,三,）,CpG,岛甲基化水平降低,CpG,岛（,CpG island),：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是均匀分布，有些成簇的非甲基化,CG,存在于整个基因组中，人们将这些,GC,含量可达,60%,，长度为,300-3000bp,的区段称为,CpG,岛,。,转录活跃状态的染色质中，,CpG,岛的甲基化程度,降低,。,90,90,DNA,甲基化,(DNA methylation),是真核生物在染色质水平调控基因转录的重要机制。主要是,由,DNA,甲基转移酶,所催化的,基因组,DNA,上的,胞嘧啶第,5,位碳原子,和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为,5,甲基胞嘧啶,(5-methylcytosine,，,5mC),。,DNMT1,SAM,胞嘧啶,5-甲基胞嘧啶,胞嘧啶甲基化反应,90,S-,腺苷甲硫氨酸,91,表观遗传（,epigenetic inheritance),：染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的,DNA,甲基转移酶，可以在,DNA,复制后，依照亲本,DNA,链的甲基化位置催化子链,DNA,在相同位置上发生甲基化。,表观遗传对基因表达的调控不仅体现在,DNA,甲基化上，组蛋白乙酰化、甲基化和非编码小,RNA,的调控都属于表观遗传调控的范畴。,92,三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位,同原核生物一样，,转录起始,是真核生物表达调控的关键。,顺式作用元件,指可影响自身基因表达活性的,DNA,序列。,93,图,18-7,顺式作用元件,A,、,B,分别代表同一基因中的两段特异,DNA,序列。,B,序列通过一定机制影响,A,序列，并通过,A,序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。,A,、,B,序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件,94,（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂,真核基因启动子是,RNA,聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个,转录起始点,以及一个以上的,功能组件,。,TATA,盒,GC,盒,CAAT,盒,95,最典型的功能组件是,TATA,盒：,位于转录起始点上游,-25,-30bp,控制转录起始的准确性及频率，是,TFD,的结合位点。,以及,GC,盒：,30,110bp,区域,GGGCGG;,CAAT,盒：,30,110bp,区域,GCCAAT,，,另外，还有不含,TATA,盒的启动子。,96,CCAAT,盒,GC,盒,TATA,盒,转录起始点,高等真核生物,上游激活序,列（,UAS,）,TATA,盒,转录起始点,酵母,真核基因启动子的典型结构,97,常见启动子元件结合的转录因子,98,（二）增强子是能够提高转录效率的顺式调控元件,增强子的功能及其作用特征如下：,与被调控基因位于同一条,DNA,链上，属于,顺式作用元件；,是组织特异性转录因子的,结合部位；,不仅能够在基因的,上游,或,下游,起作用，而且还可以,远距离,实施调节作用；,作用与序列的,方向性无关；,需要有启动子,才能发挥作用。,99,例如：,Beta,珠蛋白基因的增强子是由串联重复的两个,72bp,长的相同序列组成，位于转录起点上游,-1400bp,或下游,3300bp,处，均可增强转录效率（活性）,200,倍。增强子在转录起始点的上下游一定范围内增强转录效率。作用可以是,5,3,，也可以是,3,5,方向。,100,（三）沉默子能够抑制基因的转录,沉默子是一类基因表达的负性调控元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,101,四、转录因子是转录调控的关键分子,真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或,转录因子,（,transcription factor,TF,）。,绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。,转录因子也被称为反式作用蛋白或,反式作用因子,。,102,真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,，,调节自身基因的表达，称,顺式作用,。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为,反式作用,。,反式作用因子,(trans-acting factor),103,图,18-8,反式与顺式作用蛋白,104,（一）通用转录因子,(general transcription factors),是,RNA,聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种,RNA,(m,RNA,、,tRNA,及,rRNA),转录的类别。,转录调节因子分类（按功能特性）,通用转录因子,特异转录因子,105,TFD-,三种聚合酶都有,TFA,、,TFB,、,TFE,、,TFF,、,TFH-RNApol,TFA,、,TFB,、,TFC-RNApol,106,*（二）特异转录因子,(special transcription factors),为个别基因转录所必需，,决定该基因的时间、空间特异性表达,。,转录激活因子,转录抑制因子,增强子结合蛋白,沉默子结合蛋白,有的通过,蛋白质,-,蛋白质相互作用,而发挥抑制作用,107,（三）转录因子作用的结构特点,DNA,结合域,转录激活域,TF,蛋白质,-,蛋白质结合域,（二聚化结构域最常见）,谷氨酰胺富含域,酸性激活域,脯氨酸富含域,108,1.DNA,结合结构域,常见的有：,锌指结构,（,Zinc finger,）,碱性螺旋环螺旋,（,basic helix-loop-helix-bHLH,）,碱性亮氨酸拉链,（,basic leucine zipper bZIP),109,最常见的,DNA,结合域：,锌指模体,(zinc finger),由,1,个,螺旋（有,2,个,His,或,Cys,）和,2,个反向平行的,折叠（各有,1,个,Cys,）组成。常结合,GC,盒。,C=,半胱氨酸；,H=,组氨酸；,F=,苯丙氨酸；,L=,亮氨酸；,Y=,酪氨酸；,Zn=,锌离子,图,18-9,锌指结构,110,一个蛋白质分子可有,2,9,个锌指重复单位，锌指以指部伸入,DNA,的双螺旋的大沟，接触,5,个核苷酸。,111,Cys2/His2,锌指结构,112,碱性螺旋,-,环,-,螺旋（,basic helix-loop-helix,bHLH),（,a,）独立的碱性螺旋,-,环,-,螺旋模体结构示意图；（,b,）,bHLH,模体二聚体与,DNA,结合的示意图。两个,-,螺旋的碱性区分别嵌入,DNA,双螺旋的大沟内,由,2,个,螺旋和一个短肽环组成。常结合,CAAT,盒,113,碱性螺旋环螺旋（,basic helix-loop-helix,bHLH,),常结合,CAAT,盒,螺旋嵌入,DNA,的深沟，两个亚基占据一个螺距,突环,(loop),螺旋,114,N,端富含,碱性氨基酸,，,C,端每隔,6,个氨基酸出现一个,Leu,，,C,端形成,螺旋时,Leu,都出现在,螺旋的同一侧。常结合,CAAT,盒,3.,碱性亮氨酸拉链,(,basic leucine zipper,bZIP),（,a,）碱性亮氨酸拉链二聚体结构示意图；（,b,）,bZIP,模体与,DNA,结合的示意图。两个,-,螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与,DNA,骨架上的磷酸基团结合。,115,碱性亮氨酸拉链,两组平行走向的带亮氨酸的,螺旋形成对称的二聚体，每条链上的亮氨酸有规律的每隔,6,个,aa,就出现一次（两圈，每圈,3.6aa,）其侧链上的,R,基团的分支，刚好互相交错排列，形成拉链状结构。,螺旋,Leu,側链位于,螺旋的疏水面,呈拉链状排列,（,basic leucine zipper bZIP),116,碱性亮氨酸拉链,117,2.,转录因子的转录激活结构域,酸性激活结构域,：一段富含,酸性氨基酸,的保守序列，常形成带负电的,-,折叠，通过与,TFII-D,的相互作用协助转录起始复合物的组装。,谷氨酰胺富含结构域,：,N-,端谷氨酰胺,含量高，与,GC box,结合后发挥转录激活作用。,脯氨酸富含结构域,：,C,末端富含,Pro,，通过与,CAAT box,结合激活转录。,118,（四）二聚化是常见的蛋白质,-,蛋白质相互作用方式,与,bZIP,和,bHLH,结构有关。,119,五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式,（一）启动子与,RNA,聚合酶活性,启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与,RNA,聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始的频率。,转录起始点,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,增强子,AATAAA,剪接加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1,：,ATTTGCAT,八聚体,+1,结构基因,启动子,上游启动子元件,121,（二）调节蛋白与,RNA,聚合酶活性,真核,RNA,聚合酶,II,不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子与,RNA,聚合酶,II,形成一个功能性的转录前起始复合物。,122,图,18-12,转录起始复合物的形成,真核,RNA,聚合酶,在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。,Pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,DNA,TATA,EBP,TBP,123,先有,TFD,组成成分,TBP,(TATA,结合蛋白）,识别,TATA,盒或启动元件,（,initiator Inr,）,并有,TAF,（,TBP,相关因子）,参与形成,TFD,启动子复合物，继而在,TFA-F,等参与下形成转录前起始复合物,PIC,。,124,pol,TFH,TAF,TFF,TAF,TAF,TFA,TFB,TBP,TBP,相关因子,EBP,TATA,DNA,结合了增强子的,转录激活因子,与转录前起始复合物中的,TFD,接近或通过,TAF,与,TFD,联系形成稳定的转录起始复合物，才能启动转录。,125,六、转录后调控主要影响真核,mRNA,的结构与功能,（一）,mRNA,稳定性的影响真核生物基因表达,5,-,端的帽子结构可以增加,mRNA,的稳定性,避免被,5-,核酸外切酶降解；与相应的帽子结合蛋白结合提高翻译效率；参与,mRNA,的转运。,3,-,端的,poly(A),尾结构防止,mRNA,降解,防止,3-,核酸外切酶的降解；参与翻译起始；,3-UTR,参与,mRNA,胞质定位。,126,mRNA,运输、胞浆内稳定性的调节：,所有,RNA,分子中，,mRNA,寿命最短。,mRNA,稳定性是由合成速率和降解速率共同决定的。,RNA,无论是在核内进行加工、由胞核运至胞浆，还是在胞浆内停留（至降解），都是通过与蛋白质结合形成,核蛋白颗粒,(ribonucleoprotein,RNP),进行的。,127,转铁蛋白受体,(TfR),介导含铁的铁蛋白从细胞外进入细胞内。其,mRNA,的降解速率受胞浆内某些蛋白质成分的调节。,当细胞内铁足量时：,TfR mRNA,降解速度加快。,细胞内铁不足时（如缺铁性贫血）：,TfR mRNA,稳定性增加，受体蛋白合成增加。,例：,128,TfR,的,3UTR,区存在一些特殊的序列，称为,铁应答元件（,iron response element,，,IRE,）。由富含,A-U,配对的茎,-,环结构组成。,IRE,是,IRE,结合蛋白（,IRE-BP,）,的特异性识别区域，,IRE-BP,受细胞内铁浓度的影响。,缺铁,铁足量,129,与原核基因表达调节一样，某些小分子,RNA,也可调节真核基因表达。,这些,RNA,都是,非编码,RNA,（,noncoding RNA,ncRNA,）。如：具有催化活性的,RNA,（核酶）、细胞核小分子,RNA,（,snRNA,）以及核仁小分子,RNA,（,snoRNA,）,目前人们广泛关注的非编码,RNA,有,miRNA,和,siRNA,。,小分子,RNA,对基因表达的调节十分复杂，,（二）一些非编码小分子,RNA,可引起转录后基因沉默,130,（三）,mRNA,前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达,真核生物基因所转录出的,mRNA,前体含有交替连接的内含子和外显子。通常状态下，,mRNA,前体经过剔除内含子序列后成为一个成熟的,mRNA,，并被翻译成为一条相应的多肽链。但是，参与拼接的外显子可以不按照其在基因组内的线性分布次序拼接，内含子也可以不完全被切除，由此产生了,选择性剪接。,大鼠降钙素基因的选择性剪切,降钙素,维持钙浓度稳定,降钙素,-,基因相关肽,舒张血管,降低血压,132,七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控,（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行,蛋白质