基因表达调控基本理论课件.ppt

1、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始1.DNA水平的调控水平的调控1.1 染色质的丢失染色质的丢失1.2 基因扩增基因扩增1.3 基因重排基因重排1.4 DNA甲基化甲基化(表达降低表达降低,X染色体失活中心染色体失活中心)1.5 染色体结构染色体结构(常染色质常染色质 和和 异染色质异染色质)1.1 染色质的丢失：不可逆染色质的丢失：不可

2、逆 核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因基因1.2 基因扩增（基因扩增（gene amplification）：增加基因的拷：增加基因的拷贝数贝数 非洲爪蟾卵母细胞非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增2000倍，达倍，达1012个核糖体个核糖体 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加拷贝数异常增加1.3 基因重排（基因重排（gene rearrangement）：）：1.4 DNA甲基化（甲基化（DNA methylation）：）：mCpG，即，

3、即“CpG岛岛(CpG-rich islands)”甲基化甲基化(methylated)程度高，基因表达程度高，基因表达降低降低；去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因表达：基因表达增加增加。机理：机理：DNA 甲基化导致某些区域甲基化导致某些区域DNA构象构象变化，从而影变化，从而影响蛋白质与响蛋白质与DNA 的相互作用，抑制了转录因子与的相互作用，抑制了转录因子与启动区启动区DNA的结合效率。的结合效率。结构收缩结构收缩弱启动子弱启动子：稀少的甲基化就能使其完全失活。稀少的甲基化就能使其完全失活。强启动子（带增强子）强启动子（带增强子）：即使不去甲基化也可恢复其转录活性。

4、即使不去甲基化也可恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动 子仍无转录活性。子仍无转录活性。DNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活 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 X染色体失活中心（X-chromosome inactivation center，Xic）：Xist基因(Xi-specific transcript)XistX染色体染色体其他位点其他位点甲基化，不转录甲基化，不转录活性活性去甲基化，活性去甲基化，活性去甲基化，转录去甲基化，转录失活失活甲基化，失活甲基化，失活常染色质常染色质:结构松散，基因

5、结构松散，基因表达表达异染色质异染色质:结构紧密，基因结构紧密，基因不表达不表达有基因表达活性的染色质有基因表达活性的染色质DNA对对 DNase更敏感，更敏感，即即Dnase的敏感性可作为的敏感性可作为该基因的转录活性的标志。该基因的转录活性的标志。1.5 染色质（染色质（chromatin）或染色体）或染色体（chromosome）结构对基因表达的）结构对基因表达的调控：调控：Acetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin,while methylation is associated with inactive c

6、hromatin.组蛋白的修饰组蛋白的修饰乙酰化的组蛋白乙酰化的组蛋白抑制了抑制了核小体的浓缩，使转录核小体的浓缩，使转录因子因子更容易更容易与基因组的这一部分相接触，有利与基因组的这一部分相接触，有利于于提高基因的转录活性提高基因的转录活性。Sites of post-translational modifications on the histone tailsZhang Y.,Reinberg D.Genes Dev.2001;15:2343-23602.转录水平调控转录水平调控转录水平的调控转录水平的调控-最重要最重要 转录起始转录起始-反式作用因子活性调节反式作用因子活性调节 顺式作

7、用元件顺式作用元件 和和 反式作用因子的相互作用反式作用因子的相互作用;以正调控为主以正调控为主转录起始转录起始2.1.1 真核基因顺式作用元件影响基因转录活性真核基因顺式作用元件影响基因转录活性（1）启动子）启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一点周围的一组转录控制组件，至少包括一个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒2.1 RNA Pol II转录起始的调节转录起始的调节非常复杂非常复杂CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生

8、物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母图图13-7 真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构（2）增强子）增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。无关。（3）沉默子）沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。反式作用因子是

9、真核细胞中重要的转录调控蛋反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白白（1）转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因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。的时间、空间特异性表达。转录激活因子转

10、录激活因子 转录抑制因子转录抑制因子（2）转录调节因子结构）转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域最常见的最常见的DNA结合域：结合域：锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒ZnCysHis图图13-8 锌指结构锌指结构a a-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 2.1.2 mRNA转录激活需要转录起始复合物的转录激活需要转录起始复合物的形成

11、形成真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图图13-9 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 转录起始的调控转录起始的调控 反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节 反式作用因子与顺式作用元件反式作用因子与顺式作用元件,通过通过成环、扭曲、滑动成环、扭曲、滑动等等方式调控。方式调控。反式作用因子间存在反式作用因子间存在组合式组合式调控调控（使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达）(1)表达式调节表

12、达式调节：合成后即有活性，需要时合成，合成后即有活性，需要时合成，可迅速降解可迅速降解(2)共价修饰共价修饰：磷酸化：磷酸化-去磷酸化，糖基化去磷酸化，糖基化(3)配体结合配体结合：如激素与受体的结合：如激素与受体的结合(4)蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体：二聚体cAMP response elementCRE binding protein转录激转录激活因子活因子依赖于依赖于cAMP的的蛋白激酶蛋白激酶2.2 RNA Pol II转录终止的调节机制转录终止的调节机制尚不清楚尚不清楚（1）HIV基因组转录终止调节基因组转录终止调节（2）热休克蛋白基因的转录终止调节）热休克

13、蛋白基因的转录终止调节病毒蛋白病毒蛋白Tat与转录产物与转录产物5端特异端特异RNA序列结序列结合，并与宿主蛋白质、合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止相互作用，阻止HIV基因组转录的提早终止。基因组转录的提早终止。在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白质即热休克蛋白(heat shock protein)的表达。的表达。3.转录后转录后水平的调节也是基水平的调节也是基因表达调控的重要环节因表达调控的重要环节3.1 hnRNA加工成熟的调节加

14、工成熟的调节3.2 mRNA运输、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。基修饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。进行。是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度，长度约约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为度为7090个碱基的单链个碱基的单链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。3.3 小分子小分子RNA对基因表达

15、的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂3.3.1 微小微小RNA(microRNA,miRNA)其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：是细胞内一类双链是细胞内一类双链RNA(double-stranded

16、RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度具有特定长度(2123个碱基个碱基)和特定序列的小片段和特定序列的小片段RNA。双链双链siRNA参与参与RISC组成，与特异的靶组成，与特异的靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉干涉(RNA interference，RNAi)。3.3.2 小干扰小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)30bp 双链双链RNA（dsRN

17、A）水解生成水解生成21-23nt siRNA 5335 RISC形成形成 识别特异序列识别特异序列并使其降解并使其降解RNA干扰干扰作用机制作用机制siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较4.基因表达在翻译水平以及翻

18、译后基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节阶段仍然可以受到调节 4.1 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。的活性对起始阶段有重要的控制作用。4.2 RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding prot

19、ein,RBP），），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。4.3 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达控基因表达 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。能的作用，是基因表达的快速调节方式。