1、第八章第八章 真核生物基因真核生物基因 表达调控表达调控教学目的：教学目的：了解真核基因表达调控的特点了解转录前的调控，掌握增强子的作用特点掌握反式作用因子的DNA结合域的结构花式；了解转录后加工水平的调控方式，掌握可变剪接、反式剪接、RNA编辑的概念；了解翻译水平的调控方式及特点。a第一节第一节 概述概述第二节第二节 转录水平转录水平的调控的调控第三节第三节 转录后加工水平转录后加工水平的调控的调控第四节第四节 翻译的调控翻译的调控a第一节第一节 概述概述a原核与真核生物基因表达的差异原核与真核生物基因表达的差异 重复序列重复序列 重叠基因重叠基因 割裂基因割裂基因 无内含子无内含子 RNA
2、转录后加工转录后加工 转录和翻译同步进行转录和翻译同步进行真核生物真核生物 原核生物原核生物 DNA+组蛋白组蛋白 核小体核小体 裸露的裸露的 DNA 单顺反子单顺反子 多顺反子（操纵子）多顺反子（操纵子）a染色质结构染色质结构DNA的甲基化的甲基化a第一节第一节 概述概述第二节第二节 转录水平的调控转录水平的调控第三节第三节 转录后加工水平的调控转录后加工水平的调控第四节第四节 翻译的调控翻译的调控a1 顺式作用元件顺式作用元件2 反式作用因子反式作用因子第二节第二节 真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控a 1 基因转录的顺式作用元件基因转录的顺式作用元件(cis-acting el
3、ements)顺式作用元件：顺式作用元件：对基因表达有调节活性的对基因表达有调节活性的DNA序列序列，其活性只影响与其自身同处在一个，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。中。包括包括:启动子、终止子、增强子、沉默子、静息启动子、终止子、增强子、沉默子、静息子、转座子、效应元件等。子、转座子、效应元件等。a1.1 启动子启动子启动子（启动子（promoter）：）：是一段提供是一段提供RNA聚合酶识别和结合聚合酶识别和结合的的DNA序列，它位于基因的上游。序列，它位于基因的上游。RNA
4、聚合酶正是通过与它的结合而启动基因的转录。聚合酶正是通过与它的结合而启动基因的转录。*启动子的特征启动子的特征序列特异性序列特异性方向性方向性位置特性位置特性种属特异性种属特异性aTTGACATATAAT转录起始点转录起始点53-35-1016-19 bp5-9 bpT80A95T45A60A50T96T82T84G78A65C54A45原核生物的PromoteraII型启动子组成型启动子组成(1)核心启动子成分，核心启动子成分，如如TATA框；框；(2)上游启动子成分上游启动子成分（UPE），如，如CAAT框，框，GC框，八聚体（框，八聚体（octameramer）等；）等；(3)转录起始子
5、（转录起始子（Inr）a真核启动子含有不同的序列，不同序列的位置、种类、真核启动子含有不同的序列，不同序列的位置、种类、距离和方向都不完全相同；距离和方向都不完全相同；SV40 早期启动子早期启动子胸苷激酶胸苷激酶组蛋白组蛋白H2B-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1Oct CAAT GC TATAa 170 160 150 140 130 120 110.60 50 40 30 20 10 1 10 20 上游控制区上游控制区 核心启动子核心启动子 基 因 内 启 动 子 起 始 位 点 boxA boxC 基 因 内 启 动 子 boxA boxB 基 因 外
6、 启 动 子 O CT PSE TATA 图 12-23 真 核 RN A Pol 的 基 因 内 启 动 子 和 基 因 外 启 动 子 I 型型II 型型III型型 型启动子型启动子型启动子型启动子a1.2 增强子增强子 又称远端上游序列远端上游序列（far upstream sequence）。最早最早SV40病毒中发现，可使旁侧基因转录提高病毒中发现，可使旁侧基因转录提高100倍。倍。组成：组成：100-200bp，单拷贝或多拷贝串连形式，单拷贝或多拷贝串连形式存在。存在。正性调控元件，转录因子结合，促进转录。正性调控元件，转录因子结合，促进转录。a增强子的作用特点：增强子的作用特点：
7、促进基因的转录效率远距离发挥作用促进基因的转录效率远距离发挥作用 (100500bp，10Kb)促进转录，不具有启动子专一性促进转录，不具有启动子专一性功能与方向、位置无关功能与方向、位置无关具有组织或细胞特异性具有组织或细胞特异性对同源或异源基因均有功能。对同源或异源基因均有功能。a1.3 沉默子沉默子 silencersilencer负性调控元件负性调控元件，转录因子结合抑制转录。转录因子结合抑制转录。作用特点作用特点：不受序列方向的影响不受序列方向的影响，能能远距离发挥远距离发挥作用，作用，并可对并可对异源基因异源基因的表达起作用。的表达起作用。a1.4 转座子转座子转座子-跳跃基因跳跃
8、基因的移动，有时候能够的移动，有时候能够激活或抑制某些结构基因的表达。激活或抑制某些结构基因的表达。av一组受到共同调控的基因，都有一个相同的元件（序一组受到共同调控的基因，都有一个相同的元件（序列），此元件能与某一个列），此元件能与某一个(类类)专一蛋白因子结合，使基因专一蛋白因子结合，使基因对其作出反应。对其作出反应。1.5 效应元件效应元件(Response element):表表 真核生物的效应元件和相应的蛋白因子真核生物的效应元件和相应的蛋白因子调节剂调节剂效应效应元件元件保守序列保守序列DNADNA长度长度因子因子大小大小(DaDa)热激热激HSEHSECNNGAANNTCCNNG
9、CNNGAANNTCCNNG27bp27bpHSTFHSTF93,00093,000糖皮质激素糖皮质激素GREGRETGGTACAAATGTTCTTGGTACAAATGTTCT20bp20bp受体受体94,00094,000弗波酯弗波酯TRETRETGACTCATGACTCA22bp22bpAP1AP139,00039,000血清血清SRESRECCATATTAGGCCATATTAGG20bp20bpSRFSRF52,00052,000a效应元件的特点：效应元件的特点：有短的保守顺序；有短的保守顺序；是启动子或增强子的上游元件。是启动子或增强子的上游元件。在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷在
10、不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝；贝；与转录起点距离不固定。与转录起点距离不固定。类固醇激素信号类固醇激素信号接受金属刺激接受金属刺激增强子增强子应答佛波酯应答佛波酯应答元件应答元件肿瘤诱导剂肿瘤诱导剂a1 顺式作用元件顺式作用元件2 反式作用因子反式作用因子第二节第二节 真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控a 2 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factors）反式作用因子反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达，调节蛋白）控制其他基因的表达，其编码基因其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个与其识别或
11、结合的靶序列不在同一个DNA分子分子上。上。包括：包括：转录因子、转录因子、RNA聚合酶、调控蛋白等。聚合酶、调控蛋白等。2.1 反式作用因子的分类反式作用因子的分类2.2 反式作用因子的调控作用反式作用因子的调控作用a2.1 反式作用因子的分类：反式作用因子的分类：(1)通用因子通用因子，在一般细胞中普遍存在，在一般细胞中普遍存在，表表 哺乳动物哺乳动物RNA Pol启动子上游转录因子结合的序列元件启动子上游转录因子结合的序列元件组件组件保守顺序保守顺序DNA长长度度转录因子转录因子大小（大小（Da）丰度（丰度（/细细胞）胞）分布分布TATA boxTATAAAA10bpTBP27,000?
12、普遍普遍CAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF160,000300,000普遍普遍GC boxGGGCGG20bpSP1165,00060,000普遍普遍OctamerATTTGCAT20bpOct-176,000?普遍普遍OctamerATTTGCAT 23bpOct-252,000?淋巴细胞淋巴细胞KBGGGACTTTCC10bpNFKB44,000?淋巴细胞淋巴细胞(2)特异作用因子：特异作用因子：特殊组织与细胞中的，如淋巴细胞中的特殊组织与细胞中的，如淋巴细胞中的 Oct-2 还包括：还包括：转录激活因子转录激活因子（结合增强子结合增强子）和）和转录抑制因子转录抑制因子
13、（结结合沉默子合沉默子）。）。a(3)诱导型因子：诱导型因子：和和效应元件效应元件（特异调控序列特异调控序列）结合的结合的蛋白因子蛋白因子。表表 真核生物的效应元件真核生物的效应元件调节剂调节剂元件元件保守顺序保守顺序DNADNA长度长度作用因子作用因子大小大小(DaDa)热激热激HSEHSECNNGAANNTCCNNGCNNGAANNTCCNNG27bp27bpHSTFHSTF93,00093,000糖皮质激素糖皮质激素GREGRETGGTACAAATGTTCTTGGTACAAATGTTCT20bp20bp受体受体94,00094,000弗波酯弗波酯TRETRETGACTCATGACTCA2
14、2bp22bpAP1AP139,00039,000血清血清SRESRECCATATTAGGCCATATTAGG20bp20bpSRFSRF52,00052,000a蛋白质和蛋白质和DNA相互作用；相互作用；蛋白质和配基结合；蛋白质和配基结合；蛋白质之间的相互作用蛋白质之间的相互作用;蛋白质的修饰。蛋白质的修饰。2.2 反式作用因子的调控作用反式作用因子的调控作用aDNA结合域结合域，binding domain，BD：100aa，大沟大沟转录激活域转录激活域，active domain，AD：30-100aa2.2.1 蛋白质和蛋白质和DNA相互作用相互作用a（1）转录激活域转录激活域带负电荷
15、的螺旋结构带负电荷的螺旋结构 如如GCN4，GAL4rich-Gln 如如SP1,AP2,oct1,oct2rich-pro 如如CTF/NF1a（2）DNA结合域的结构花式结合域的结构花式/基元（基元（motif）锌指结构（锌指结构（Zinc finger）螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）同源异形结构域同源异形结构域（Homeodomains，HD）螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）亮氨酸亮氨酸“拉链拉链”（leucine zipper）a 锌指（锌指（zinc finger）由一小组保守的由一小组保守
16、的氨基酸氨基酸和锌离子和锌离子结合，形成了结合，形成了相对独立的功能域，像相对独立的功能域，像一根根手指伸向一根根手指伸向DNA的的大沟大沟。有两种基本构型；有两种基本构型；-螺旋螺旋-折叠折叠 a23aa，两指间，两指间7-8aa共有序列：共有序列：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His串联重复排列，串联重复排列，锌指数目多少不等锌指数目多少不等A A.Cys2/His2aSP1SP1与与GC盒结合的转录因子盒结合的转录因子SP1中有连续中有连续的的3个锌指重复结构。个锌指重复结构。a表表 带有带有Cis/His锌指结构的转录因子和锌指结构的转录因子
17、和DNA结合蛋白结合蛋白蛋白蛋白来源来源大小大小指指结合的结合的DNA靶靶启动子启动子功能功能TFA哺乳动物哺乳动物37,000950bp5S基因基因pol 5S基因转录因子基因转录因子SP1哺乳动物哺乳动物105,000310bpGC boxpol II一般的转录因子一般的转录因子ADR1果蝇果蝇150,000222bpADH2基因基因pol II激活激活ADH基因基因Kruppel果蝇果蝇60,0005?？胚的分化胚的分化aB.Cys2/Cys2B.Cys2/Cys2Zn2+与与4个个Cys结合结合共有序列：共有序列：Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys无大量重复性锌指无大量
18、重复性锌指 a表表 Cys2/Cys2型的作用因子型的作用因子蛋白蛋白大小大小指指靶靶糖皮质激素受体糖皮质激素受体94,0002GRE中中20bp雌激素受体雌激素受体66,0002ERE中中20bpGAL4(酵母酵母)99,0001UAS中中17bp例如：甾类激素受体家族例如：甾类激素受体家族a糖皮质激素特异性糖皮质激素特异性雌激素特异性雌激素特异性v 甾类激素受体以二聚体形式发甾类激素受体以二聚体形式发挥其促进转录的作用。挥其促进转录的作用。v 两个锌指的功能不同：两个锌指的功能不同：与与DNA结合结合形成二聚体形成二聚体a（2）DNA结合域的结构花式结合域的结构花式/基元（基元（motif
19、）锌指结构（锌指结构（Zinc finger）螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构（螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）同源异形结构域同源异形结构域（Homeodomains，HD）螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）亮氨酸亮氨酸“拉链拉链”（leucine zipper）a 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）至少有两个至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的螺旋，其间由短肽段形成的转角连接，转角连接，二聚体形式存在，二聚体形式存在，距离正好相当于距离正好相当于DNA一个螺距（一个螺距（3.4nm），两个），两个螺
20、旋刚螺旋刚好分别嵌入好分别嵌入DNA的深沟。的深沟。a许多调控蛋白都有许多调控蛋白都有HTHHTHLacO的阻抑蛋白的阻抑蛋白阻遏蛋白与阻遏蛋白与cro蛋白蛋白CAP酵母接合型调控蛋白酵母接合型调控蛋白1，2玉米的玉米的Kn1水稻的水稻的OSH1 a（2）DNA结合域的结构花式结合域的结构花式/基元（基元（motif）锌指结构（锌指结构（Zinc finger）螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）同源异形结构域（同源异形结构域（Homeodomains，HD）螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）亮氨酸亮氨酸“拉
21、链拉链”（leucine zipper）a编码编码60aa的序列，几乎存在于所的序列，几乎存在于所有真核生物中；有真核生物中；有有3个个-helix,H1与与H2平行平行H3位于大沟中，与位于大沟中，与DNA特异结合特异结合N端多余臂部分与小沟结合，稳定端多余臂部分与小沟结合，稳定性高。性高。同源异形结构域（同源异形结构域（Homeodomains，HD）a HD与与HTH的不同：的不同：（1）HD的的C端由端由3个个-螺旋构成，螺旋螺旋构成，螺旋3结合于结合于大沟；大沟；而而HTH至少至少2个个-螺旋构成；螺旋构成；（2）HD以单体形式与以单体形式与DNA结合，靶序列不是回结合，靶序列不是回
22、文结构，文结构，而而HTH以二聚体形式与以二聚体形式与DNA结合，靶序列结合，靶序列是回文结构。是回文结构。a（2）DNA结合域的结构花式结合域的结构花式/基元（基元（motif）锌指结构（锌指结构（Zinc finger）螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）同源异形结构域同源异形结构域（Homeodomains，HD）螺旋螺旋-环环-螺旋结构（螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）亮氨酸亮氨酸“拉链拉链”（leucine zipper）a螺旋螺旋-环环-螺旋结构（螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）4050aa含含2个
23、个-helix（1516aa）,由连接由连接区（区（1228aa）连接；）连接；两亲性；通过疏水面作用形成二聚两亲性；通过疏水面作用形成二聚体；体；NH2端为端为DNA结合区，结合区，16aa，其其中中6aa6aa为保守序列为保守序列。H O O C C O O H H O O C C O O H L L L L L L L L +N H2 N H2 +N H2 N H2 亮 氨 酸 拉 链 螺 旋 环 螺 旋(H L H)a-COOH，每隔，每隔7个氨基酸出现一个氨基酸出现一个个Leu，所有，所有Leu出现在同一侧出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面面，成直线排列，形成疏水面依靠依靠Leu
24、的疏水作用的疏水作用,2个个helix 相互缠绕，相互缠绕，形成拉链结构形成拉链结构-NH2，富含碱性氨基酸，富含碱性氨基酸,螺旋状螺旋状,+,DNA结合域，结合域，与与DNA双螺旋链上带负双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合电荷的磷酸基团结合碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucine zipper，ZIP）aZIP motif Y形结构形结构 H O O C C O O H H O O C C O O H L L L L L L L L +N H2 N H2 +N H2 N H2 亮 氨 酸 拉 链 螺 旋 环 螺 旋(H L H)在真核生物中广泛存在在真核生物中广泛存在C/EBP 家族：家
25、族：与增强子与增强子、CAAT盒结合GCN4 酵母激活因子酵母激活因子CREB（cAMP应答元件结合应答元件结合蛋白）蛋白）a2.2 反式作用因子的调控方式反式作用因子的调控方式(1)蛋白质和蛋白质和DNA相互作用相互作用 各种各种转录因子和顺式作用元件转录因子和顺式作用元件的的相互识别、相互相互识别、相互作用。作用。表表 哺乳动物哺乳动物RNA Pol启动子上游转录因子结合的序列元件启动子上游转录因子结合的序列元件顺式作用顺式作用元件元件保守顺序保守顺序DNA长度长度转录因子转录因子大小（大小（Da）丰度（丰度（/细细胞）胞）分布分布TATA boxTATAAAA10bpTBP27,000?
26、普遍普遍CAAT boxGGCCAATCT22bpCTF/NF160,000300,000普遍普遍GC boxGGGCGG20bpSP1165,00060,000普遍普遍OctamerATTTGCAT20bpOct-176,000?普遍普遍OctamerATTTGCAT 23bpOct-252,000?淋巴细胞淋巴细胞KBGGGACTTTCC10bpNFKB44,000?淋巴细胞淋巴细胞a 通常转录因子与通常转录因子与DNA的大沟内的碱基或磷酸的大沟内的碱基或磷酸接触，通过接触，通过a-螺旋的一个区域与螺旋的一个区域与DNA结合。结合。锌指结构锌指结构螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋结构同源异
27、形结构域同源异形结构域螺旋螺旋-环环-螺旋结构螺旋结构亮氨酸亮氨酸“拉链拉链”a2.2 反式作用因子的调控方式反式作用因子的调控方式蛋白质和蛋白质和DNA相互作用；相互作用；蛋白质和配基结合；蛋白质和配基结合；蛋白质之间的相互作用蛋白质之间的相互作用;蛋白质的修饰。蛋白质的修饰。a(2)蛋白质和配基的结合蛋白质和配基的结合有的调节蛋白并不直接与有的调节蛋白并不直接与DNA接触，而先和配基结接触，而先和配基结合被活化，如甾类受体蛋白等。合被活化，如甾类受体蛋白等。a激素激素-受体复合受体复合物进入细胞核，物进入细胞核，与增强子结合从与增强子结合从而激活启动子，而激活启动子，开始转录。开始转录。甾
28、类激素作为甾类激素作为配基配基进入细胞，与相应进入细胞，与相应受体蛋白受体蛋白结合；结合；甾类激素对转录的调控甾类激素对转录的调控a甾类受体蛋白通常有三个功能区甾类受体蛋白通常有三个功能区a2.2 反式作用因子的调控方式反式作用因子的调控方式蛋白质和蛋白质和DNA相互作用；相互作用；蛋白质和配基结合；蛋白质和配基结合；蛋白质之间的相互作用蛋白质之间的相互作用;蛋白质的修饰。蛋白质的修饰。a(3)(3)蛋白质之间的相互作用蛋白质之间的相互作用 酵母半乳糖代谢中酵母半乳糖代谢中GAL80GAL80和和GAL4GAL4的相互作用。的相互作用。(4)蛋白质的修饰蛋白质的修饰蛋白质的磷酸化和去磷酸化是其
29、转录活性调节的一种蛋白质的磷酸化和去磷酸化是其转录活性调节的一种普遍形式。普遍形式。a第一节第一节 概述概述第二节第二节 转录水平的调控转录水平的调控第三节第三节 转录后加工水平的调控转录后加工水平的调控第四节第四节 翻译的调控翻译的调控a1 rRNA和和tRNA的加工：剪切和修饰的加工：剪切和修饰2 mRNA加工成熟：加工成熟：第三节第三节 转录后加工水平的调控转录后加工水平的调控a真核真核tRNA的加工的加工:剪切、修剪和剪接剪切、修剪和剪接；甲基修饰；甲基修饰；3-OH连接连接-CCA结构。结构。剪接内含子；剪接内含子；a1 rRNA和和tRNA的加工：剪切和修饰的加工：剪切和修饰2 m
30、RNA加工成熟：加工成熟：1）mRNA前体的可变剪接前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接前体的反式剪接 3）RNA编辑编辑第三节第三节 转录后加工水平的调控转录后加工水平的调控a2.1 mRNA前体的可变剪接前体的可变剪接1）mRNA剪接的种类：剪接的种类：组成型拼接组成型拼接:一个基因的一个基因的mRNA前体按一种方式前体按一种方式剪切，产生一种剪切，产生一种mRNA，一种蛋白质。，一种蛋白质。可变剪接可变剪接（选择性拼接选择性拼接，alternative splicing）：有些基因的有些基因的mRNA前体，按不同方式剪切，产生前体，按不同方式剪切，产生两种以上两种以上mRNA，翻译
31、产生多种蛋白质。，翻译产生多种蛋白质。a可变剪接可变剪接选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质组成型剪接组成型剪接a2）可变剪接的方式：可变剪接的方式：（1）选用）选用不同的起始位点不同的起始位点，得到不同的蛋白质；（，得到不同的蛋白质；（酵酵母蔗糖酶母蔗糖酶Suc基因基因，小鼠小鼠-淀粉酶淀粉酶基因）；基因）；（2）选用）选用不同的加尾位点不同的加尾位点产生不同的蛋白质（如免疫产生不同的蛋白质（如免疫球蛋白）；球蛋白）；（3）选用）选用不同的剪接位点不同的剪接位点；（4）同时采用以上）同时采用以上两种方式两种方式；av酵母蔗糖酶基因，有两种不同形式酵母蔗糖酶基因
32、，有两种不同形式:v胞内酶的合成胞内酶的合成不受葡萄糖存在的影响，但含量低；不受葡萄糖存在的影响，但含量低；v胞外酶的合成胞外酶的合成受到葡萄糖的抑制。受到葡萄糖的抑制。v胞外酶仅多了信号序列，经切除后胞外酶比胞内酶在胞外酶仅多了信号序列，经切除后胞外酶比胞内酶在N-N-端仅多了一个端仅多了一个SerSer。不同的起始位点不同的起始位点a大鼠肌钙蛋白基因大鼠肌钙蛋白基因在不同的发育阶段以及不同横纹肌种类中由于在不同的发育阶段以及不同横纹肌种类中由于不同的选择性剪接内含子，结果产生了不同的肌钙蛋白不同的选择性剪接内含子，结果产生了不同的肌钙蛋白。不同的剪接位点不同的剪接位点选择不同外显子选择不同
33、外显子a剪接选择不同的剪接选择不同的5端和外显子端和外显子a剪接选择不同的剪接选择不同的3端和外显子端和外显子a3)可变剪接的调控机制可变剪接的调控机制实质是实质是5供体与供体与3受体剪接点的选择搭配受体剪接点的选择搭配如何选择不同的位点？如何选择不同的位点？SR蛋白家族蛋白家族：SF2剪接因子，与剪接因子，与mRNA 结合，决定结合，决定5剪接位点剪接位点RNP的调节的调节：hnRNP-A1,U5-snRNPa人类编码蛋白的基因约人类编码蛋白的基因约27000个，蛋白种类约个，蛋白种类约90000。4060人类编码蛋白的基因发生可变剪接；人类编码蛋白的基因发生可变剪接；高等真核生物基因组很大
34、，完全能容纳更多的基高等真核生物基因组很大，完全能容纳更多的基因。因。为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方面它又使一个基因产生出多种产物？面它又使一个基因产生出多种产物？4)可变剪接的意义可变剪接的意义令人不解令人不解！？！？a1 rRNA和和tRNA的加工：剪切和修饰的加工：剪切和修饰2 mRNA加工成熟：加工成熟：1）mRNA前体的可变剪接前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接前体的反式剪接 3）RNA编辑编辑a2.2 mRNA前体的反式剪接前体的反式剪接顺式剪接（顺式剪接（cis-splicing）：内含子的剪接一般都：内含子的剪接一般
35、都是发生在同一个基因内，切除内含子，相邻的外是发生在同一个基因内，切除内含子，相邻的外显子彼此连接。显子彼此连接。反式剪接（反式剪接（trans-splicing）：不同基因的外显子：不同基因的外显子剪接后相互连接。剪接后相互连接。a反式剪接的反式剪接的典型例子是典型例子是锥虫表面糖蛋白基因锥虫表面糖蛋白基因VSG，线虫线虫肌动蛋白基因肌动蛋白基因和和衣藻叶绿体衣藻叶绿体DNA中的中的psa基因基因。锥虫锥虫表面糖蛋白基因表面糖蛋白基因VSG中许多中许多mRNA的的5端都有共端都有共同的同的35b前导序列，但在每个转录单位上游并未编码前导序列，但在每个转录单位上游并未编码这个前导序列，这个前导
36、序列，来源于基因组中位于别处序列转录的小片段来源于基因组中位于别处序列转录的小片段RNA，通过通过反式剪接反式剪接，将，将35nt的前导序列加到的前导序列加到 mRNA的的5端。端。反式剪接产生的反式剪接产生的5端外显子称为端外显子称为剪接前导剪接前导RNA（spliced leader RNA，SL RNA）。）。avSL RNAs存在于几存在于几种锥虫和线虫中，具种锥虫和线虫中，具有共同的特点；有共同的特点；其结构类似于其结构类似于U1，即即SL RNA和和U1 snRNA一样具有可以一样具有可以和内含子和内含子5端剪接位端剪接位点识别和结合的功能点识别和结合的功能。转酯反应转酯反应a1
37、rRNA和和tRNA的加工：剪切和修饰的加工：剪切和修饰2 mRNA加工成熟：加工成熟：1）mRNA前体的可变剪接前体的可变剪接 2）mRNA前体的反式剪接前体的反式剪接 3）RNA编辑编辑a2.3 RNA 编辑编辑1)定义定义 RNA编辑（编辑（editing）指遗传信息在指遗传信息在mRNA水平上发生改水平上发生改变的过程。变的过程。RNA的编码序列与转录产生它的的编码序列与转录产生它的DNA序列不序列不同，同，转录后的转录后的RNA在编码区发生在编码区发生碱基的加入，丢失或转换碱基的加入，丢失或转换等现象。等现象。1986年年R.Benne在研究锥虫线粒体在研究锥虫线粒体mRNA转录加工
38、时发现转录加工时发现mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。a锥虫细胞色素氧化酶亚基锥虫细胞色素氧化酶亚基(coxII)基因的编辑基因的编辑 TUAUAUGUUUUGUUGUUUAUUAUGUGAUUAUGGUUUUGUUUUUUAUUGGUAUUUUUUAUAUUUAUUUAAUUUGUUGAUAAAUACAUUUUAUUUGUUUGUUAAUUUUUUUGUUUUGUGUUUUUGGUU TT TTTTUAGGUUUUUUUGUUGUUGUUGUUUUGUAUUAUGAU
39、UGAGUUUGUUGUUUGGUUUUUUGUUUU TT TTTTUUGUGAAACCAGUUAUGAGAGUUUGCAUUGUUAUUUAUUACAUUAAGUUGGUGUUUUUGGUUC 图13-44 锥虫(T.brucei)cox基因的部分RNA 顺序。很多U(红色)在DNA 中未编码，而另一些在 DNA 中编码的T(紫色)在mRNA 中被删除了。(参考B.Lewin:GENES,1997，Fig31.16)a2)编辑的生物学意义：编辑的生物学意义：(1)校正作用；校正作用；(2)调控翻译；调控翻译；(3)扩充遗传信息。扩充遗传信息。a TUAUAUGUUUUGUUGUUUAUUA
40、UGUGAUUAUGGUUUUGUUUUUUAUUGGUAUUUUUUAUAUUUAUUUAAUUUGUUGAUAAAUACAUUUUAUUUGUUUGUUAAUUUUUUUGUUUUGUGUUUUUGGUU TT TTTTUAGGUUUUUUUGUUGUUGUUGUUUUGUAUUAUGAUUGAGUUUGUUGUUUGGUUUUUUGUUUU TT TTTTUUGUGAAACCAGUUAUGAGAGUUUGCAUUGUUAUUUAUUACAUUAAGUUGGUGUUUUUGGUUC 图13-44 锥虫(T.brucei)cox基因的部分RNA 顺序。很多U(红色)在DNA 中未编码，而另一
41、些在 DNA 中编码的T(紫色)在mRNA 中被删除了。(参考B.Lewin:GENES,1997，Fig31.16)扩充遗传信息扩充遗传信息锥虫锥虫coxcoxII的的mRNAmRNA上上158158个位点插放了个位点插放了394394核苷酸；核苷酸；在在9 9个位点删去了个位点删去了1818个尿苷酸，个尿苷酸，实际增加了实际增加了376376个核苷酸，使个核苷酸，使coxIIcoxII的长度增加了的长度增加了55%55%。因此因此coxcoxII的基因比成熟的的基因比成熟的mRNAmRNA小了很多，故称其小了很多，故称其隐匿基因隐匿基因。a ApoB基因有29个外显子 CAA 第2153个
42、密码子编码Glu 编辑 CAA UAA 翻译 翻译 在肝中剪接后的mRNA 肠中的mRNA经编辑 编码了4563aa的载脂蛋白 产生了终止密码子，在 2153aa处终止合成 图 13-42 载脂蛋白的基因ApoB 在肠中经过编辑，引入终止密码子，不能翻译成完整的载脂蛋白。(参考B.Lewin:GENES,1997，Fig31.14)编辑的调控作用编辑的调控作用a 基 因 组 中 编 码 I S S L C I K V E N L V G V M D N A 序 列 ATA T C A A G T T TA G C T TAT A A A G TA G A G A A C C T G G TA
43、G G T G TA AT 480 400 500 移 框 1 个 碱 基 R N A 序 列 A U A U C A A G U U U A G G U A U A A A A G U A G A U U G U A U A C C U G G U A G G U G U A A U蛋 白 质 顺 序 I S S L G I K V D C I P G R C N图 13-43 锥 虫 cox基 因 片 断 及 其 产 物 顺 序 的 比 较。核 酸 序 列 的 数 字 是 以 起 始 密 码 子 AUG 的 A 开 始 编 号。蛋 白 质 以 单 个 字 母 表 示。方 框 表 示 与 酵
44、 母、人 类 同 源 的 氨 基 酸。黑 体 表 示 编 辑 位 点。(参 考 B.Lew in:G EN ES ,1997，Fig31.15)编辑的校正作用编辑的校正作用a3)编辑的机制编辑的机制1990年年L.Simpsom等等指导指导RNA（guide gRNA）：一类小分子：一类小分子RNA，对，对mRNA前前体分子的编辑起了指导作用。体分子的编辑起了指导作用。特点：特点：55-70nt 3端有端有5-25个个U 5端与端与mRNA转录产物互补：转录产物互补：非常规的互补，非常规的互补，G-U配对配对。a插入插入U 的两步转酯反应的两步转酯反应gRNA的的3OH攻击攻击mRNA产生产生
45、5端与端与gRNA3相连相连5端的端的3-OH攻击攻击gRNA的的U-U生成生成RNA编辑产物编辑产物(插入一个插入一个U)gRNA（少一个（少一个U）aRNA编辑相继在真核生物和病毒中发现编辑相继在真核生物和病毒中发现:如小鼠脑中的谷氨酸受体，如小鼠脑中的谷氨酸受体，哺乳动物载脂蛋白哺乳动物载脂蛋白B，植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基。植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基。生物学意义生物学意义 生物适应中的保护措施之一生物适应中的保护措施之一 中心法则的发展：中心法则的发展：a第一节第一节 概述概述第二节第二节 转录水平的调控转录水平的调控第三节第三节 转录后加工水平的调控转录后加工水平的调控第
46、四节第四节 翻译的调控翻译的调控a第四节第四节 翻译水平的调控翻译水平的调控1 mRNA运输控制运输控制2 mRNA稳定性的调控稳定性的调控3 mRNA结构结构4 翻译的起始调节翻译的起始调节5 选择性翻译选择性翻译 6 反义反义RNA调控调控7 翻译的自我调节翻译的自我调节a1 mRNA运输控制运输控制 运输控制（运输控制（transport control）是对初始转录产物是对初始转录产物从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。合成的合成的RNA大约有大约有1/12能被运出核进入细胞质，能被运出核进入细胞质，50左右的在核内降解，还有一些留在核。左右的在
47、核内降解，还有一些留在核。a2 mRNA稳定性的调控稳定性的调控 mRNA的寿命；的寿命；原核生物原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约的半衰期很短，平均大约3min。高等真核生物迅速生长的细胞中高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均的半衰期平均3h。在高度分化的终端细胞中许多在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命极其稳定，有的寿命长达数天。长达数天。a3 mRNA的结构的结构3.1 mRNA53.1 mRNA5前导序列对翻译水平的影响前导序列对翻译水平的影响 5 5 m7m7G G帽结构帽结构是否存在是否存在起始密码子的位置和其侧翼的序列起始密码子的位置和其侧翼的序列
48、的影响。的影响。55端端UTRUTR的长度的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性，也会影响到翻译的效率和起始的精确性，当此区长度在当此区长度在171780Nt80Nt之间时，体外翻译效率与其长度之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。变成正比。5UTR5UTR中存在碱基配对区形成中存在碱基配对区形成二级结构二级结构时，会阻止核糖时，会阻止核糖体体40S40S亚基的迁移，对翻译起始有抑制作用。亚基的迁移，对翻译起始有抑制作用。a3.2 mRNA33.2 mRNA3端的结构对翻译速率和端的结构对翻译速率和mRNAmRNA寿命的影响寿命的影响mRNA 3端的端的poly(A)不仅和不仅和mRNA穿越
49、核膜穿越核膜的能力有的能力有关，而且影响到关，而且影响到mRNA的的稳定性和翻译效率稳定性和翻译效率。poly(A)越长，越长，mRNA作为模板的使用的半作为模板的使用的半衰期越长衰期越长。a4 翻译的起始调节翻译的起始调节-翻译起始因子的磷酸化翻译起始因子的磷酸化翻译起始因子翻译起始因子eFI-2磷酸化磷酸化，磷酸化后不能重，磷酸化后不能重复利用，从而选择性的复利用，从而选择性的降低或加强降低或加强一些一些mRNA的翻译。的翻译。80S GTP eIF6 eIF2GTP 60S+40S eIF-2 eIF-3 Met-tRNA eIF-2 eIF-2 40SeIF-3(天然的 40S)GDP
50、 eIF-2GTPMet-tRNA 40SeIF-3eIF-2GTPMet-tRNA (40S 前起始复合体)eIF1 mRNA 4B 4A CBP(4E+4F)eIF-4 40SeIF-34A4BeIF-2GTPMet-tRNA (40S 起始复合体)移动到 AUG 60S-eIF6 GTP eIF5 GDP+Pi eIF-3(eIF-2GDP)IF-6 EIF-5,4A,4B 80SmRNAMettRNA (80S 起始复合体)图 15-19 真核生物蛋白质合成中 80S 起始复合物的形 当细胞处在异常环境（如饥饿、当细胞处在异常环境（如饥饿、pH变动、重金属处变动、重金属处理、加入化学药
