真核生物的基因表达调控省名师优质课赛课获奖课件市赛课百校联赛优质课一等奖课件.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,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,第13章 真核生物基因表示调控,Section 13 Regulation of Gene Expression in Eukaryotes,1/62,1,真核生物基因表示调控特点,真核生物表示调控与原核生物不一样：,（1）染色体结构不一样；,（2）原核生物含有正调控和负调控并重特点，真核生物当前已知主要是正调控；,（3）原核生物转录和翻译是相偶联，真核生物转录和翻译在时空上是分开；,（4）真核生物是多细胞，在生物个体发育过程中其基因表示在时间和空间上含有特异性，即细胞特异性或组织特异性表示。,2/62,2,真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大：310,9,bp、染色质、染色体、核膜,单顺反子(monocistron),含有大量重复序列,基因不连续性：断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、外显子(exon),非编码区多于编码序列(9:1),3/62,3,多层次调控,4/62,4,染色体水平调控,染色质结构：,基本结构是核小体。,在细胞中状态：,（1）紧密压缩,（2）被阻遏状态,（3）有活性状态,（4）被激活状态,异染色质化,5/62,5,6/62,6,组蛋白对基因活性影响,占先模型（,pre-emptive model,）:认为基因能否转录用决于特定位置上组蛋白和转录因子之间不可逆竞争性结合。转录因子先结合在DNA特定位点上，基因正常转录；反之，组蛋白先与,DNA特定位点结合，则形成核小体，转录停顿。,(2)动态模型（,dynamic model,）：认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上改变，即染色质重塑。在染色质重塑过程中，一些转录因子能够在结合DNA同时使核小体解体。,7/62,7,组蛋白乙酰化-去乙酰化,蛋白乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调整一个主要形式，经过乙酰化或去乙酰化，改变了染色质结构或是转录因子活性，能够调整基因转录活性。组蛋白乙酰化和去乙酰化能打开或关闭一些基因，增强或抑制一些基因表示。,组蛋白8个亚基上有32个潜在乙酰化位点。组蛋白乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶催化完成。,8/62,8,组蛋白乙酰化-去乙酰化生物功效：,（1）,组蛋白乙酰化造成组蛋白表面正电荷降低，组蛋白与DNA结合能力下降，引发核小体解聚并阻止核小体装配，使得染色体处于松弛状态，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在基因DNA上，促进基因转录；,（2）,组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用一个“识别信号”，如H4组蛋白乙酰化作用参加了指示和吸引TFIID到对应开启子上，促进转录前起始复合物装配；,（3）,在细胞分裂期，组蛋白乙酰化参加细胞周期和细胞分裂调控；,（4）,组蛋白去乙酰化引发或维持基因缄默。,9/62,9,非组蛋白（NHP),非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰方式调整细胞代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接收外来信号，组成核内信息转导系统，形成一条调整基因表示主要路径。,10/62,10,核基质(nuclea matrix),定义：核基质是由3-30nm微纤丝组成网络状骨架蛋白，主要成份包含DNA拓扑异构酶、核基质蛋白以及各种DNA结合蛋白，并含有少许RNA。,特点：,（,1）限定DNA环状结构域大小；,（2）各种核基质蛋白之间相互作用，控制染色体组装密度程度，调整DNA复制与转录；,（3）可能存在着基因某种增强元件；,（4）可能有DNA复制起始位点,11/62,11,核基质为DNA复制提供结构支架,参加RNA转录和加工,12/62,12,基因丢失：不可逆,一些真核生物随细胞分化丢失了染色体上一些DNA片段现象称为基因丢失，如原核生物大核体和小核体。,基因扩增：增加基因拷贝数,非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增倍，达10,12,个核糖体。,药品：诱导抗药性基因扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加,。,基因重排(gene rearrangement)：,如免疫球蛋白基因重排，多样性。,13/62,13,DNA水平上调控,DNA甲基化（,DNA Methylation,),哺乳动物基因中5-CG-3序列中C5甲基化称之CpG 甲基化。5-CG-3序列是在表示基因位点处染色体保持适当包装水平主要化学修饰序列。当基因序列中,CpG 密度到达10/100bp时称为CpG 岛。,图：持家基因CpG岛及其开启子,14/62,14,甲基化酶,构建性甲基化酶：对CpG进行甲基化修饰；,维持性甲基化酶：把甲基化特征遗传给子代。,15/62,15,DNA甲基化与转录抑制,甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制调控能力越强。,去甲基化(undermethylated)：基因转录激活,基因组印记：,哺乳动物一些等位基因性状表示因为基因起源不一样而展现出差异，甚至只表示单一亲系起源（父源或母源）基因版本。如人类亨延顿氏舞蹈病，其基因突变是来自父源或母源基因甲基化。,16/62,16,雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活（异染色质化）；,异染色质中CpG被高度甲基化，基因不转禄,DNA甲基化与X染色体失活,17/62,17,甲基化影响DNA与蛋白质相互作用,DNaseI超敏感区域,(1)组蛋白被一个序列特异性蛋白结合而被破坏，DNA裸露出来；,（2）转录区域，DNA链打开而暴露；,（3）活跃转录区,（1）,（2）,（3）,18/62,18,甲基化以两种方式调控基因表示,（1）甲基化增强或减弱DNA与调整蛋白质之间 相互作用；,（2）甲基化改变DNA正常构型。,19/62,19,真核基因转录水平调控,顺式作用元件,(,cis-acting element）,反式作用因子,(trans-acting Factor),20/62,20,顺式作用元件,(cis-acting element),顺式作用元件,是指含有调整功效特定DNA序列或影响,本身基因,表示活性,DNA,序列，在基因同一条DNA分子上；,顺式作用元件类型：,（1）开启子(promoter):3种类型；,（2）增强子(enhancer)：,（3）缄默子(silencer)：负性调整元件，起阻遏作用。,（4）绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因及其调控区一段DNA序列。,21/62,21,22/62,22,23/62,23,增强子,Enhancer,在远离转录起始点（上游或下游）一段可增强开启子活性调控元件，大小为100-200bp。最初在DNA病毒SV40基因组中发觉。,特征：,（1）加强相连基因从正确起始位点转录活性,（2）增强子不论是在下游或在上游均可激活转录,（3）不论是在下游或在上游，可在远离起始位点1Kb以上发挥作用,（4）两个开启子串联在一起时，增强子优先激活距离最近那一个,24/62,24,增强子关键序列,：,(G)TGGA/TA/TA/T(G),25/62,25,26/62,26,增强子作用机理：,（1）为转录因子提供进入开启子区位点,（2）改变染色体构像,缄默子(silencer),：负性调整元件，起阻遏作用。,绝缘子(insulator,boundary element):,在真核基因及其调控区一段DNA序列。功效是阻止激活或阻遏作用在染色质上传递，使染色质活性限定于结构域之内。,27/62,27,反式作用因子结构与功效,（1）概念：为DNA结合蛋白，,核内蛋白,，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。,（2）通用或基本转录因子RNA聚合酶结合开启子所必需一组蛋白因子。如：TFA、TFB、TFD、TFE等。,（3）特异转录因子(,special transcription factors,)个别基因转录所必需转录因子.如：OCT-2：在淋巴细胞中特异性表示，识别Ig基因开启子和增强子。,28/62,28,29/62,29,反式作用因子结构特点,（1）三个功效结构域：DNA结合结构域(DNA-binding domain)；转录激活结构域(transcriptional activation domain)；二聚化结构域。,（2）能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element),（3）正调控与负调控,30/62,30,31/62,31,反式作用因子结构域模式,（一）DNA结合结构域(DNA-banding domain),锌指结构,(zinc finger motif),同源结构域(homodomain,HD)：,螺旋-转角-螺旋,(helix-turn-helix domain),亮氨酸拉链,结构(leucine zipper),螺旋-环-螺旋,(helix-loop-helix,HLH),碱性螺旋(alkaline-helix),32/62,32,锌指结构域,The zinc finger domain,锌指结构有2种形式：,C,2,H,2,zinc finger,和,C4 zinc finger,C,2,H,2,zinc finger：由12个氨基酸组成环，经过2个半胱氨酸（C，Cys）和2个组氨酸（H，His）残基固定，这4个残基与Zn,2+,在空间上形成一个四面体结构。普通情况下需要3个或更多C,2,H,2,型锌指才能与DNA结合，如在TFIIA有9个重复，转录因子SP1有3个重复。,C4 zinc finger：Zn,2+,与4个半胱氨酸（C，Cys）结合，存在于类固醇激素受体转录因子中。,33/62,33,-,折叠,-,螺旋,半胱氨酸Cys,半胱氨酸Cys,碱性保守氨基酸,组氨酸His,34/62,34,The zinc finger domain,锌指结构域,半胱氨酸,组氨酸,-,折叠,-,螺旋,35/62,35,The helix-turn-helix domain,螺旋-转角-螺旋结构域,特点：,DNA结合蛋白包含有60个氨基酸同源域（,Homeodomain,），由同源框序列编码（homeobox）。,果蝇DNA结合结构域由4个-helices（螺旋）组成，螺旋和 保持了适当角度，并被一个特异-turn（转角）所分隔。,这些结构域在噬菌体Cro阻抑物、乳糖、和色氨酸阻抑物中存在。也存在与真核生物中，包含人类。,识别螺旋处于DNA大沟中，并与DNA发生作用,两个同源域因子,Bicoid and Antennapedia,识别螺旋能够交换，也就交换了他们DNA结合特征。,36/62,36,亮氨酸拉链(leucine zipper),结构域,（,1）富含碱性氨基酸残基,（2）通常与亮氨酸拉链或H LH（helix-loop-helix)基序中一个联合在一起，称为碱性亮氨酸拉链（bZIP）或碱性H LH 蛋白,（3）蛋白二聚作用使2个碱性结构域相邻，进而可与DNA发生作用。,37/62,37,亮氨酸拉链(leucine zipper),38/62,38,39/62,39,螺旋-环-螺旋结构域 The helix-loop-helix domain，HLH结构域。如：Myo D 蛋白。,可变连接区,DNA特异位点,DNA特异位点,40/62,40,螺旋-环-螺旋,DNA特异位点,41/62,41,(1)酸性激活结构域,Acidic activation domains,酵母Gcn4 和Gal4、哺乳动物糖皮质激素受体、疱疹病毒激活子转录激活结构域均含有高百分比酸性氨基酸，称为,酸性激活结构域,(2)富含脯氨酸结构域,Prolin-rich domain,在c-Jun、AP2和OCT-2等转录因子中发觉,富含脯氨酸结构域,，,这个结构域能够激活转录。,(3)富含谷氨酰胺结构域,Glutamine-rich domains,在SP1转录因子2个激活区域上发觉,富含谷氨酰胺结构域，,这些结构域与果蝇触角蛋白质结构域能够交换。,反式作用因子结构域模式（续）,（二）转录激活结构域(,transcriptional activation domain,),42/62,42,（三）二聚体结构域,Dimerization domains,亮氨酸拉链（Leucine zipper）肽链上每隔7个残基就有一个疏水亮氨酸残基，这些残基位于DNA结合域C端,-,螺旋上，形成一个疏水表面，疏水表面相互作用，形成了二聚体卷曲卷曲结构（coiled-coil structure）如bZIP转录因子。,43/62,43,5,端加帽(cap)和3端多聚腺苷酸化(polyA)调控意义,使mRNA稳定，在转录过程中不被降解,mRNA选择剪接,(alternative splicing)对基因表示调控,外显子选择(optional exon)、内含子选择(optional intron)、互斥外显子、内部剪接位点,mRNA 运输控制,真核基因转录后水平调控,44/62,44,45/62,45,46/62,46,47/62,47,翻译水平调控,5端UTR(非翻译区）结构与翻译起始调整,5帽子结构甲基化：1）保护mRNA免遭5外切酶降解。2）为mRNA从核中输出提供转运信号。3）提升翻译模板稳定性和翻译效率。,翻译起始因子调控：,eIF-2-4F磷酸化能提升翻译速度,eIF-2,磷酸化能抑制翻译起始,48/62,48,翻译起始因子(eIF,2,)调控,49/62,49,3UTR（非翻译区）结构与mRNA稳定性,多聚腺苷酸尾调整作用,poly A尾巴功效：,1）稳定mRNA分子，抵抗3-端外切酶攻击作用。,2）有利于细胞质中成熟mRNA翻译。,3）,3,UTR区域含有保护5端帽子结构作用。,50/62,50,3UTR序列及结构对mRNA稳定性调整,球蛋白mRNA3URT序列含有许多CCUCC重复蛋白序列，这些序列发生突变将降低mRNA稳定性。,一些不稳定mRNA起3UTR含有50nt共有序列AUUUA，称为ARE。ARE结合蛋白能够聚集外切多聚腺苷酸酶和内切酶，加速mRNA降解。,51/62,51,新生肽链水解：酶解,肽链N端第一个氨基酸：稳定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）与去稳定氨基酸,肽链中氨基酸共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化,经过信号肽(signal peptide)分拣、运输、定位,翻译后水平调控,52/62,52,翻译调控,Translational control,在原核生物中,不一样基因翻译水平受以下原因调控:,原核生物本身产生较短反义RNA与mRNA结合,抑制了翻译;,多顺反子mRNA对核酸酶相对稳定性,调整翻译进程;,mRNA本身结合,阻止了其与核糖体附着蛋白质结合,.,53/62,53,在真核生物中,，,真核生物通惯用改变基因转录水平和RNA加工来控制特定蛋白质合成量，但也有一些调控发生在细胞质中，如：,（,1）蛋白质结合掩盖了mRNA，妨碍了翻译,（2）mRNA3非编码区存在5 AUUUA3重复序,列，使得mRNA不稳定，降低翻译效率。,2.多蛋白,Polyproteins,单一翻译产物被切割形成两个或多个独立蛋白，称为,多蛋白,54/62,54,3.蛋白质定位,Protein targeting,蛋白质在细胞内定位是取决于生物本身蛋白质特征、相对长短以及其氨基酸序列。这些序列能够决定蛋白质是否是被分泌、转运至核内还是转运至其它细胞器内。,原核生物蛋白定位：分泌（右图）,55/62,55,真核生物蛋白质定位：有两条路径,（1）,（2）,56/62,56,第1条路径,Post-translational targeting pathways,57/62,57,第2条路径,CO-translational targeting pathways,共翻译路径也叫分泌路径,58/62,58,4.蛋白质修饰,Protein modification,新生多肽没有功效，除了要有正确折叠及形成二硫键外，还必须经过修饰，包含切割和各种共价修饰。,切割 Cleavage,（1）去掉信号肽,（2）多蛋白切割,（3）肽链内部切割，如右图,前胰岛素原,胰岛素原，无活性,59/62,59,共价修饰 Covalent modification,蛋白质化学修饰发生在N端、C端以及大部分氨基酸侧链上，主要类型有,(1)乙酰化 Acetylation,(2)羟基化 Hydroxylation,(3)磷酸化 Phosphorylation,(4)甲基化 Methylation,(5)糖基化 Glycosylation,(6)核苷添加 Addition of,nucleotides,60/62,60,5.蛋白质降解,Protein degradation,不一样蛋白质有不一样半衰期，调整蛋白需要快速更新，而且细胞要能够除去有缺点和受损蛋白。,真核生物中N端残基在蛋白质稳定性上起关键作用。在20个氨基酸中：,8个N端高度稳定（Ala,Cys,Gly,Met,Pro,Ser,Thr,Val),8个N端半衰期短(Arg,His,Ile,Leu,Lys,Phe,Trp,Tyr),4个N端经化学修饰后稳定性降低(Asn,Asp,Gln,Glu),61/62,61,思索题：第433页2-7；12；14；16；17。,Good luck for everyone!,62/62,62,