真核生物基因表达调控eukaryoticgeneregulationwxj.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,生物化学与分子生物学系,真核生物基因表达调控,Regulation of Gene Expression in Eukaryotes,基因激活,转录,转录后加工,mRNA降解,蛋白质降解等,翻译,翻译后加工,转录,转录起始,多阶段调控,（Multi-stage）,最关键的一步?,基因表达的时间特异性,基因表达的空间特异性,第 一 节,Features of Eukaryotic Gene Regulation,真核基因表达调控的特征,一、顺式作用元件,存在于基因内外，与基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的特定的DNA序列称为,顺式作用元件（cis-acting elements）,。主要包括,启动子(pomoter),、,增强子(enhancer),和,沉默子(silencer),等。,（一）启动子(promoter),真核基因的启动子指的是RNA聚合酶识别、结合的基因转录调控区中启动基因转录的一段特异DNA序列，包含一组,转录调控功能组件,，其中每一个功能组件的DNA序列约720 bp。,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,增强子,顺式作用元件,结构基因,-GCGC-CAAT-TATA,转录起始点,真核生物启动子保守序列,1.TATA box,真核细胞的启动子是包括,转录起始点（,transcription initiation site,或,transcription start site,）,在内的、有通用转录因子及,RNA,聚合酶组装、结合的一段,DNA,序列。,典型的启动子核心序列（,core sequences,）是在转录起始位点上游,2535,bp,处，有一保守的,TATA,序列，被称为,TATA,盒（,TATA box,），,真核细胞的,TATA,盒多为,TATAAAA,序列。,TATA,盒与原核细胞的启动子一样，对,RNA,聚合酶,II,的转录起始位点起,定位,作用,。,有一些编码蛋白质基因,不含,TATA,盒或起始子，多在起始位点上游约,100bp,内含有,20,50,个核苷酸的,CG,序列，被称做,CpG,岛（,CpG,island,）,。,此种基因可有多个转录起始点，,可产生含不同,5,末端的,mRNA,。,这些基因大多为低转录基因，编码中间代谢酶的管家基因。,2.,CpG island,3.启动子上游元件,GC盒(GC box)(GGGCGG),CAAT盒(CAAT box)(GCCAAT),启动子上游元件（,promoter-proximal elements,或,upstream promoter elements,）,是一些位于,TATA,盒上游的,DNA,序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与,TATA,盒的结合、,RNA,聚合酶与启动子的结合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一性。,常见的序列是：,一些真核细胞基因含有另一种启动子元件，称为,起始子,(,initiator,Inr,),，,决定启动子的强度。,起始子共有序列,为：（,5,）,Y-C-A,+1,-N-T/A-Y-Y-Y,（,3,）；,Y,代表胞嘧啶,C,或胸腺嘧啶,T,，,N,代表任意碱基，,T/A,代表,T,或,A,。,(二）增强子决定基因的时空特异性表达,增强子（enhancer）,是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列。在酵母中，被称为上游活化序列（upstream activator sequences,UASs）。增强子的作用通常与其所处的位置和方向无关。,增强子距转录起始位点的距离变化很大，从,100,nt,到,50,000nt,，甚至更大。但总是作用于最近的启动子。,增强子所处位置,在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。,很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。,（三）沉默子阻遏基因转录,沉默子(silencer),是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百bp）DNA序列。沉默序列促进局部DNA的染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合DNA，是基因转录的负性调节因素。,能够帮助RNA聚合酶转录RNA的蛋白质统称,转录因子（transcription factors，TF）,。,以反式作用方式调节基因转录的转录因子称为,反式作用因子（trans-acting factor）,，以顺式作用方式调节基因转录的转录因子称为,顺式作用蛋白（cis-acting protein）,。,二、反式作用因子,c,DNA,a,DNA,反式调节,C,顺式调节,mRNA,C,蛋白质C,B,A,mRNA,蛋白质A,A,基本转录因子,general transcription factors,特异转录因子,special transcription factors,（一）转录因子分类（按功能特性）,基本转录因子(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。,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,时空特异性,表达。,转录激活因子,-,增强子,转录抑制因子,-,沉默子,转录因子结构,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）,谷氨酰胺富含域,酸性激活域,脯氨酸富含域,转录激活可能作用机制,介导转录相关蛋白的化学修饰和构象改变,改变启动子周围的染色质的结构,招募RNA聚合酶，促其快速准确定位,参与,RNA-pol,转录的,基本转录因子,参与,RNA-pol,转录的,基本转录因子,TBP:TATA结合蛋白,TAF:TBP辅因子,CTD:RNA聚合酶大亚基羧基末端的结构域,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,ATPase,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,30,，,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP*38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD,),转录因子,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,ATPase,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,30,，,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP*38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD,),转录因子,（二）转录因子含有不同的DNA结合域,螺旋-转角-螺旋,是转录因子中的常见的DNA结合域,同源异型域结构,与HTH结构域类似,锌指结构,是一类含锌离子转录因子的DNA结合域,亮氨酸拉链,结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白质二聚体化,碱性螺旋-环-螺旋,结构域也可同时介导结合DNA和蛋白质二聚体化,螺旋-回折-螺旋 （helix-turn-helix，HTH）,Helix-turn-helix motifs,Structure:,about 20 amino acids long,2 short alpha,helicies,(7 9 amino acids long),DNA recognition helix(binds specific DNA sequence),Recognition helix and 2,nd,helix form 90,angle,very short turn(NOT a beta-turn),Often,glycine,at start of the turn(helix breaker),How does the lac repressor bind DNA?,DNA,DNA recognition helix,turn,Second alpha helix,同源异型域（homeodomain，HD）,锌指结构,（Zinc finger）,C,2,H,2,型锌指,反向平行片层,DNA大沟,螺旋,Zn,2,Zinc-Finger Motifs,C,C,H,H,Zn,C,C,H,H,Zn,C,C,H,H,Zn,Several subtypes(Cys4,Cys2-His2),Example:Cys2 His2 type,Zinc does not interact with DNA,Usually multiple zinc-fingers in a row,At least some also bind RNA,Consensus sequence:,Y,F-X-,C,-X,2-4,-,C,-XXX-F-XXXXX-L-XX-,H,-X,3-5,-,H,亮氨酸拉链（leucine zipper）,Leucine zippers(bZip),Basic region of the protein binds to DNA,Mainly act as dimers or other sometimes as other,multimers,Special alpha-helices allow formation of,coiled-coil,structures.,Hydrophobic residues(,Leu,)align on one side of the helix,Example:Jun and,Fos,7,7,7,7,碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）,bHLH双体,DNA大沟,螺旋,螺旋,环,三、真核基因表达调控正性调节占主导,采用负性调节机制不经济,保证基因表达调节的特异性,保证基因表达调节的精确性,第 二 节,Chromosomal Regulation of Eukaryotic Gene Expression,真核基因表达的染色质水平调控,常染色质（euchromatin）,异染色质（heterochromatin）,组蛋白密码（histone code）,染色质重塑（chromatin remodeling）,基本概念,结构松弛，分散分布在核内的染色质，对DNase I敏感，DNA可降解为约200 bp 或其倍数的片断；,基因表达处于活性状态，,故亦称为,活性染色质,。,使用DNase I处理活性染色质时，常会出现一些高敏感位点(hypersensitive sites)，通常位于转录基因的5和3 侧翼转录调控区的蛋白结合位点附近的裸露DNA上。,常染色质（euchromatin）,异染色质,（heterochromatin）,结构高度致密，处于凝聚状态的染色质，对DNase I不敏感。,基因表达处于阻遏状态,。,组成性异染色质（constitutive heterochromatin）：,所有细胞，整个细胞周期都存在的异染色质。其DNA不含基因，因而一直保持凝聚状态。,兼性异染色质（facultative heterochromatin）：,在特定细胞，生长发育的特定阶段，由常染色质凝聚转变成的异染色质。,染色质重塑（chromatin remodeling）,通过改变基因的启动子和调节序列区域的染色质结构来调节基因的表达，称为,染色质重塑,也称为,核小体重塑(nucleosome remodeling),。,主要包括：,CpG岛甲基化,组蛋白共价修饰,CpG岛甲基化使DNA结构稳定,其甲基化程度与基因表达活性呈反比关系,。,1、,CpG岛甲基化,2、组蛋白共价修饰,组蛋白修饰包括组蛋白的,乙酰化,、,甲基化,、,磷酸化,、,泛素化,和,多聚ADP-核糖基化,。这些多样化的修饰及其时空的组合可以使组蛋白与DNA的亲和力改变，改变染色质的结构，从而影响生物学功能。因此被称为,组蛋白密码（histone code）,。,47,H2A,H4,H3,H2B,H2B,H2A,H3,H4,H3,H2A,48,Nucleosome Structure,Wikipedia,49,Anatomy of Nucleosome and Histone Chaperons,Ransom(2010)Cell,50,Histone modification,Zhou(2011)Nat Rev Genet,核小体重塑：ATP依赖性核小体重塑复合体参与的核小体的,移位,、,替换,和,去组装,改变等。,核小体重塑过程：,基因活化蛋白结合；,ATP依赖性酶蛋白复合体,结合转录活性区；,ATP依赖性酶水解ATP，提供能量；,移去或替换核小体。,3、核小体重塑（nucleosome remodeling）,53,Nucleosome Remodeling,Kasten(2011)Cell,54,Chromatin remodelers,are ATP-dependent machines that act to alter the local structure of chromatin by repositioning(or sliding),ejecting or incorporating,nucleosomes,histone,variant replacing,or to be platform to recruit chromatin-associated proteins such as DNMT,HDAC,etc.,During DNA replication,for example,a group of chromatin,remodellers,act to insert,nucleosomes,into the newly forming chromatin fiber.,SWI/SNF,(switch/sucrose,nonfermentable,)and,CHD,(,chromodomain,helicase,DNA-binding)family proteins can trigger ejection of a,nucleosome,(top left).,ISWI,(imitation switch)family proteins,can slide a,nucleosome,(top right).,INO80,(,inositol,-requiring 80)family proteins exchange,histone,dimers,(,histone,variants or modified,histones,),having a local impact on chromatin activity,.,Modification Types of Nucleosomes during Cellular Processes,SWI/SNF,Or,CHD,INO80,ISWI,Alexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol,55,Chromatin Remodeling Determines Transcription On/Off,Zhou(2011)Nat Rev Genet,repositioning,56,Converting between Euchromatin and Heterochromatin,Alexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol,Chromatin Remodeling(Epigenetics),Histone,(i)chemical modification:methyl,acetyl,Ub,etc.(ii),histone,variant replacement H2AZ,H2AX,H2A,H3.3).,DNA methyl modification,CpG,.,Nucleosome,repositioning(sliding,ejection,insertion),57,Chromatin in Pluripotent Stem Cell vs Differentiated Cell,Alexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol,58,Chromatin Remodeling&Tissue Specificity,4-Types of,chromatin remodelers,Remodelers vs architecture,第 三 节,Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene Expression,真核基因表达的转录水平调控,一、转录起始的调控,基因活化蛋白与增强子或UASs的结合；,基本转录因子在启动子处的组装；,辅助激活蛋白(coactivator)和/或中介子（mediator）在基本转录因子/RNA聚合酶II复合物与基因活化蛋白之间的辅助和中介作用。,RNA聚合酶II与启动子的结合，即,转录起始复合物的组装,需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括,：,pol-,F,A,B,Pol-,F,H,E,TBP,TAF,TATA,A,B,TATA,H,E,CTD-,P,参与,RNA-pol,转录的,基本转录因子,的组装,TBP,TAF,转录前起始复合物,修饰,剪接,编辑,定向转运,降解,二、转录后调控,（一）mRNA 5端加帽和3端加尾修饰,除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有5,端的,帽子,和3,端的,PolyA尾,结构。,它们的作用在于：,有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；,5,帽结合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来起始翻译。,促进mRNA从细胞核转运到细胞浆；,协助mRNA的剪接。在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；,（二）选择性剪接,（alternative RNA splicing）,许多初始转录本可以通过选择性剪接方式，去除不同的内含子而被加工形成不同的mRNAs，因而形成不同的多肽。,真核细胞转录物选择性加工的两种机制,大鼠降钙素基因转录物的选择性加工,人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接,mRNA,Pre-mRNA,同种异型mRNA,初始转录本含有所有选择性加工途径所需要的分子信号。,一种细胞偏好何种选择性加工途径取决于加工因子RNA结合蛋白的特异性。,（三）mRNA编辑,RNA编辑指转录后除了选择性剪接以外的加工导致RNA剪辑序列的改变，导致蛋白质产物的氨基酸序列与基因初级转录物的序列不完全对应。,RNA编辑最初是在某些原生细胞线粒体细胞色素氧化酶的亚基基因的转录后加工中发现，通过RNA编辑在该基因的初级转录物中插入了4个尿嘧啶核苷酸，从而使原来的阅读框架发生移动。,原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑,(a)原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑,(b),指导RNA,在RNA的编辑中的作用(模板作用),apo-B基因（载脂蛋白B基因）的组织特异性表达,5 3 5 3,apo B-100 apo B-48,C,AA,U,AA,未编辑的RNA,5,3,脱氨基作用的RNA编辑,（终止密码子）,1 4536 1 2152,C,AA,（四）mRNA的转运,现象：,估计有1/5的核内成熟mRNAs能进入细胞浆。留在核内的mRNAs约在1小时内降解。mRNA通过核膜的过程是一个主动运输过程，常常需要借助于,核输出受体(nuclear export receptors),才可穿过9nm的核孔通道。,机制：,调控RNA从核运输至细胞浆的机制还不很清楚。,（五）mRNA定位,现象：,一些mRNA分子携带有信息，可以在翻译开始前自我导向定位于细胞内的特定位置。,作用：,在细胞的特定部位集中产生所需要的大量蛋白质。,mRNA分子的3种不同定位过程,（六）mRNA的稳定性,意义：,降解途径保证mRNA不在细胞中累积并避免合成过多的蛋白质。,真核细胞mRNA降解有两种途径，是由每种mRNA分子的序列所决定。,Poly(A,),的逐渐短缩：最常见的途径,mRNA,分子一旦进入细胞浆中，核酸外切酶会使,Poly(A,),末端逐步短缩，当剩下约,30,个,A,时，,5,端发生脱帽，,mRNA,分子被迅速降解。,一些,mRNA,分子的,3,UTR,的特殊序列有助于特殊蛋白质的结合，增加或降低,Poly(A,),短缩的速度。,可将,Poly(A,),直接从,mRNA,分子上切除。这种切除也有赖于,mRNA,分子的,3,UTR,特殊序列可以被内切酶识别。,特殊内切酶的作用,转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)mRNA分子 3,UTR柄环（stem-loop）结构铁反应元件(iron-response element，IRE)。,IRE-BP对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节,低铁状态,转铁蛋白受体,mRNA,5,编码区,活化的IRE-BP,3,Poly(A)n,翻译,TfR蛋白,IRE,高铁状态,转铁蛋白受体,mRNA,5,编码区,铁,失活的IRE-BP,3,Poly(A)n,mRNA降解,IRE,