1、第三节 真核基因表达调控,真核细胞基因组全能性的实验证据,不同组织器官中表达不同的蛋白质组 （2D-gel）,从DNA到蛋白质的可能的调控步骤,真核基因表达的多级控制,主要调控水平： *转录水平调控（transcriptional control） *转录后水平调控（post-transcriptional control） RNA加工水平调控（RNA processing control） 翻译水平调控（translational control） 蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）,一、转录水平的调控 基本概念： 事件：DNA/protei
2、n, protein/protein 相互作用； 顺式作用元件（cis-acting element）：与转录调控蛋白特异 结合的DNA序列； 反式作用因子（trans-acting factor）：与特定DNA序列结 合的调控蛋白因子； “模体”结构（motif）：蛋白质中的小结构域，由一小段保 守的氨基酸构成，用以识别特定的DNA序列或其他蛋白质； e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, -sheet, leucin-zip, etc.,共有序列（consensus sequence）：DNA中一小段保守序列（有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋
3、白结构域所识别，在转录起始调控中起重要作用；e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc. 通用转录因子（general transcription factor）：与核心启动子元件相结合（如TATA-box），启动转录； 特异转录因子（specific transcription factor ）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；,（一）、转录的激活（transcriptional activation） 1，转录的起始 涉及一系列的DNA/protein, protein/protein 相互作用；转录起始复合体（pre-initiati
4、on complex）的形成，etc.,RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:1844-46,真核基因的结构,转录的起始,2，激活因子（activator）和辅激活因子（co-activator） 特异性的转录因子，能在DNA序列上形成复合体，激活转录；e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用：glucocorticoid/GRE,辅激活因子在特定的DNA元件上形成复合体，激活转录,转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域： - DNA结合结构域（DNA-binding domain）：与基因的 调
5、控区域的特定DNA序列识别并结合 - 激活结构域（activation domain）：招募其他激活因子 和蛋白质，共同启动或激活转录,真核基因转录的调控（gene control regions）,3，基因远端的调控元件 增强子（enhancer）特点： 距离基因的起始点较远 位置不定：上游、下游、内含子内部 方向性：正反方向均有作用作用机制： 间隔DNA可以形成环状 通过与enhancer结合的特异因子起作用 染色质构型的改变（重塑）,基因远端的增强子促进转录复合体的装配,（二）、转录的阻抑（transcriptional repression）1，顺式作用元件反式作用因子 阻抑物（rep
6、ressor）：负调控的特异性转录因子 沉默子（silencer）：负调控的DNA元件作用机制： 阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用） 与转录激活因子竞争结合DNA 与转录激活因子相互作用，影响其活性 改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）,阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制,2，DNA甲基化（DNA methylation） CG岛（CG island）：基因组DNA中富含GC碱基的区域， 其中一些对称序列中的 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（C） 常被甲基化修饰；与基因的失活有关。 DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase, DNMT
7、） 维持性DNMT（maintenance DNMT）：使DNA甲基化 的模式（pattern）在细胞分裂中得以保持（可遗传性） 构建性DNMT（establishment DNMT; de novo DNMT）： 使非甲基化的DNA模板甲基化 DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。,胞嘧啶C的甲基化修饰,DNA甲基化 pattern 维持的方式（维持性DNMT的作用）,DNA甲基化抑制基因转录的机制： 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合 将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列 DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修
8、饰因子 DNA甲基化的普遍性： 脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等 生物（果蝇、酵母等）中未发现。,DNA甲基化抑制基因转录的机制,基因组印记（genomic imprinting）和甲基化现象： 在二倍体动物中，有些基因（100个）的表达，依赖于其是来自于父本还是母本染色体，如同印上了“印记”； 印记是由DNA甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受精后不受“去甲基化波”的影响，从而“记忆”住了亲本所标记的表达方式（阻抑或促进）。e.g., 鼠的 Igf2 基因。 这是DNA的“状态”，而不是其序列决定可遗传性状的证据（表观遗传）。,鼠中基因“印记”的传递方式,转录后调控的步骤和
9、方式,基因的转录后调控 （post-transcriptional control ）,选择性剪接的不同形式深蓝：均保留的exon; 浅蓝：仅在一个mRNA 中 保留的exon; 黄色：intron; 红线：被剪切去的区域。,选择性剪接的实际例子： - 原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin),剪接位点的选择和识别： 剪接增强子（splicing enhancer） 剪接因子（splicing factors） 形成“剪接子”（spliceosome）,RNA剪接的机制,2，RNA 编辑（RNA editing） 改变成熟的 mRNA 的序列，从而改变其“含义”（meaning）的机
10、制；如：插入一个或多个 “U”。 由 “guide RNA” 引导编辑过程。,三、翻译水平的调控（translational control） 成熟mRNA 的结构： 5帽子（5-cap, metG），5UTR，编码区，3UTR，多聚（A）尾部。,（一）、mRNA 的细胞定位 mRNA 在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？ 决定：3-UTR 中的信息，可能涉及蛋白质的参与； 转运：微管（microtubule）的作用； 锚定：微丝（microfilaments）的作用。,mRNA 定位的几种方式:Left: travel by associateion with cytoskeleton
11、motor;Center: random diffusion;Right: degradation of unanchored mRNAs;Black open circus: anchor complex,（二）、mRNA 的翻译调控 翻译的负调控（negative translational control） 翻译阻抑蛋白（translational repressor）：与 mRNA 的 5-UTR 和 3-UTR 中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译水平。,翻译的负调控机制e.g., ferritin,翻译起始点的调控 翻译通常从第一个AUG起始，但有时会因第一个AUG周围的、能被
12、核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过，从而由以下的AUG开始翻译（“leaky scanning”）,（三）、mRNA 的稳定性（mRNA stability） mRNA的半衰期（half-life）：从几分钟到十几个小时不等， 多数mRNA 的半衰期不超过30分钟； 影响mRNA稳定性的因素： 多聚（A）尾部的长短：poly(A)/PABP， 30 nt 时降解 5-帽子的解除（de-capping）引起mRNA 降解（通常与 3-poly(A) 的降解过程相伴） 3-UTR序列的不同可影响mRNA 降解，可能与poly(A) 尾部的降解速度有关，e.g., -globin mRNA 3-UTR含有 许多CCUCC repeats，可稳定mRNA，而AUUUA序列则 使mRNA 不稳定。,mRNA 降解的机制,mRNA翻译和降解的竞争：5-帽子和 3-poly(A) 在 mRNA 降解中的作用,
