第七讲真核基因表达调控课件.ppt

1、讲真核基因表达调控讲真核基因表达调控 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。第二类是发育调控或称不可逆调控

2、，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。转录水平调控（）；转录后水平调控（）；翻译水平调控（）；蛋白质加工水平的调控（）等。研究基因调控主要应回答个问题：什么是诱发基因转录的信号？基因调控主要是在哪一步（模板的转录、的成熟或蛋白质合成）实现的？不同水平基因调控的分子机制是什么？一、一、真核基因组的一般构造特点真核基因组的一般构造特点 在真核细胞中，一条成熟的链只能翻译出一条在真核细胞中，一条成熟的链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。形式。真核细胞都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，真核细胞都与组蛋

3、白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分是裸露的。只有一小部分是裸露的。高等真核细胞中很大部分是不转录的，大部分高等真核细胞中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基进行片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。因的拷贝数。在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因上游区构型来影响它与聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调

4、节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑聚合酶与它的结合。真核生物的在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程（），才能顺利地翻译成蛋白质。二、二、真核基因的启动子真核基因的启动子 启动子是一段特定的直接与聚合酶及启动子是一段特定的直接与聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的序列。不同的启动子对聚合酶的亲和否的序列。不同的启动子对聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子（力不同，所结合的反式作用因子（）也

5、不）也不同，因此，基因转录活性也很不相同。同，因此，基因转录活性也很不相同。.典型的原核启动子有四大要素典型的原核启动子有四大要素:转录起始位点，区，区和区与区之间的间隔。转录起始位点，区，区和区与区之间的间隔。原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为（为起始位点）。（为起始位点）。区是一个碱基保守序列（常以为中心）。，有助区是一个碱基保守序列（常以为中心）。，有助于的解链。于的解链。区是另一个碱基保守序列（常以为中心）。区是另一个碱基保守序列（常以为中心）。研究表明，当区和区中心位置相距时，该启动子研究表明，当区和区中心位置相距时，该启动子的功能较强；

6、相距较近或较远时，起始转录的功能都的功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相应减弱。相应减弱。.真核基因启动子真核基因启动子 真核生物有类聚合酶，负责转录类不同的启动子。由聚合酶负责转录的基因，启动子（类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子（），由位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。另一部分由位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。由聚合酶负责转录的是、和某些核内小分子（），其启动子（类）组成较复杂，又可被分为三个亚类。两类 和基因的启动子是内部启动子（），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成。第三类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点

7、上游。由聚合酶负责转录的类基因包括所有蛋白质编码基因和部分基因，后者的启动子结构与类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的类基因启动子在结构上有共同的保守序列。转录起始位点没有广泛的序列同源性，但第一个碱基为腺嘌呤，而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子（，），序列可表示为。元件位于。仅由元件组成的启动子是具有可被聚合酶识别的最简单启动子形式。多数类启动子有一个被称为盒的共有序列，通常处于区，相对于转录起始位点的位置比较固定。盒存在于所有真核生物中，盒是一个保守的七碱基对，其序列为：也有一些类启动子不含有盒，这样的启动子称为无盒启动子。三、三、增强子及其对转录的影响增强子及其对转录的影响

8、增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的序列。作为基因表达的重要调节元件，增增加的序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：强子通常具有下列性质：、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白加倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高倍基因表达频率比该基因正常转录高倍!、增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以、增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（什么方向排列（或或），甚至和基因相距），甚至和基因相距，或在

9、基因下游，均表现出增强效应；或在基因下游，均表现出增强效应；、大多为重复序列，一般长约，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（）（），是产生增强效应时所必需的；、增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能；、没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；、许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子的作用原理是什么呢？一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从到的构象变化。增强子的功能是可以

10、累加的。增强子序列可以被分为两半，每一半序列本身作为增强子功能很弱，但合在一起，即使其中间插入一些别的序列，仍然是一个有效的增强子。因此，要使一个增强子失活必须在多个位点上造成突变。对增强子而言，没有任何单个的突变可以使其活力降低倍。四、四、反式作用因子对转录的影响反式作用因子对转录的影响 真核生物启动子和增强子是由若干可真核生物启动子和增强子是由若干可以区分的序列组成的，由于它们和特定的以区分的序列组成的，由于它们和特定的功能基因连锁在一起，因此称为顺式作用功能基因连锁在一起，因此称为顺式作用元件。真核生物转录调控大多是通过顺式元件。真核生物转录调控大多是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的

11、相互作用作用元件和反式作用因子复杂的相互作用而实现的，下面介绍的是与顺式作用成分而实现的，下面介绍的是与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。一般认为，专一性结合的一些转录因子。一般认为，如果某个蛋白是体外转录系统中起始合成如果某个蛋白是体外转录系统中起始合成所必需的，它就是转录复合体的一部分。所必需的，它就是转录复合体的一部分。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合体分为部分：将整个复合体分为部分：参与所有或某些转录阶段的聚合酶亚基，不具有基因特异性。与转录的起始或终止有关的辅助因子，也不具有基因特异性。与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认

12、为是转录复合体的一部分，因为所有或大部分基因的启动子区含有这一特异序列，如区和，更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白，它们是起始某个（类）基因转录所必需的。结合结构域基序结合结构域基序 .（螺旋转角螺旋）。（螺旋转角螺旋）。是最早发现于原核生物中的是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长一个关键因子，该结构域长约个，主要是两个约个，主要是两个螺旋区和螺旋区和将其隔开的将其隔开的转角。其中的一转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与序列它常常带有数个直接与序列相识别的氨基酸。相识别的氨基酸。.（锌指）。长约个，其中个氨基酸（或个，两个）与一个

13、原子相结合。与结合后锌指结构较稳定。.（同源域），最早来自控制躯体发育的基因，长约个氨基酸，其中的结合区与 相似，人们把该序列称为。主要与大沟相结合。.（亮氨酸拉链）是亲脂性（）的螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（）和精氨酸（）组成结合区。.碱性螺旋环螺旋（）该调控区长约个残基，同时具有结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。.结合蛋白主要转录激活结构域结合蛋白主要转录激活结构域 转录激活结构域（）一般由个氨基酸残基组成。如

14、分子中有个这种结构域，分别位于多肽链的第位和第位；的转录激活结构域位于多肽链的第位。.酸性螺旋()该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性螺旋，包含这种结构域的转录因子有、糖皮质激素受体和等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。.谷氨酰胺丰富区()的末端含有个主要的转录激活区，氨基酸组成中有的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的、和及哺乳动物的、和也含有这种结构域。.脯氨酸丰富区()家族（包括、）的末端与其转录激活功能有关，含有的脯氨酸残基。.与已知序列相结合的反式作用

15、因子与已知序列相结合的反式作用因子 .盒激活因子盒激活因子 （）家族是能识别盒的一组转录因子。这）家族是能识别盒的一组转录因子。这一组因子是由单个基因通过可变换的剪接而形成一组因子是由单个基因通过可变换的剪接而形成的一组产生的。家族成员对各种盒有相同的亲和的一组产生的。家族成员对各种盒有相同的亲和力。另一组区结合蛋白被称为，它们是从人的细力。另一组区结合蛋白被称为，它们是从人的细胞中得到的。具有对胞中得到的。具有对球蛋白和腺病毒晚期基因球蛋白和腺病毒晚期基因启动子区的高亲和力，具有对启动子区的高亲和力，具有对血纤蛋白原基因血纤蛋白原基因启动子区的高亲和力，而能与腺病毒相结合。族启动子区的高亲和

16、力，而能与腺病毒相结合。族蛋白主要以异源多聚体的形式存在。蛋白主要以异源多聚体的形式存在。除了和族蛋白能与区结合外，科学家还从小鼠肝细胞里发现两个区结合蛋白。对序列有较强的亲和力，而则对卵清蛋白基因启动子区的有高亲和力。因此，在启动区发现某个保守序列，并不等于同一个蛋白因子参与了该基因的调控。对个哺乳动物类球蛋白基因和个人球蛋白基因调控区的研究发现，几乎每个基因都具有（位左右）区和（左右）区。.区结合蛋白 聚合酶需要与其他转录因子结合，才能顺利起始转录。通常把辅助因子需要量最小的启动子称为一般性启动子（），具有组成型表达特性，这些启动子上游调控区及所需转录因子在绝大多数甚至全部基因中都是高度保

17、守的。结合于的小沟。与的结合在体外实验中保护了大约一圈双螺旋免受核酸酶的降解，其覆盖的位置处于。的加入延伸了对的覆盖，整个复合物可覆盖区域。.区结合因子 区结合蛋白是的单体，能与链上包括在内约的序列特异结合。在启动子区，从的个区全部与结合，所以这个区域的不会被降解。在胸腺嘧啶激酶启动子区，既与上游的（区结合蛋白）相互作用，又与下游的紧密相关。区对的结合是必需的，但该序列对于亲和力却很不相同，证明区两翼序列同样在的识别及结合过程中发挥作用。人们推测区、尤其是多次重复的区，与基因的永久型表达有关。.八碱基对元件激活蛋白 八碱基对元件也能被多个激活蛋白识别。是非淋巴样细胞中结合八碱基对元件的转录激活

18、因子，没有组织特异性。则是组织特异的激活因子。一般说来，一个特定的共有序列元件能被相应的转录因子或一个转录因子家族的成员所识别，而相同的元件也能被不同的转录因子所识别。五、真核基因转录后加工的多样性五、真核基因转录后加工的多样性简单转录单位简单转录单位 .复杂转录单位复杂转录单位 含有复杂转录单含有复杂转录单位的主要是一些编码位的主要是一些编码组织和发育特异性蛋组织和发育特异性蛋白质的基因，它们除白质的基因，它们除了含有数量不等的内了含有数量不等的内含子以外，其初级转含子以外，其初级转录产物能通过多种不录产物能通过多种不同方式加工成两个或同方式加工成两个或两个以上的。两个以上的。利用多个加（）

19、位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。这类基因末端虽只有一个转录起始位点，但有两个或多个加（）位点，因此可通过不同的剪接方式得到不同的蛋白质。.稳定性控制稳定性控制 真核生物能否长时间、及时地利用成熟的分子翻译出蛋白质以供真核生物能否长时间、及时地利用成熟的分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是和的稳定性以及屏蔽状态的解除相关的。生长、发育的需要，是和的稳定性以及屏蔽状态的解除相关的。原核生物的半衰期很短，平均大约。高等真核生物迅速生长的细原核生物的半衰期很短，平均大约。高等真核生物迅速生长的细胞中的半衰期平均。在高度分化的终端细胞中许多极其稳定，胞中的半衰期平均。在高度分化的终端细胞中许多

20、极其稳定，有的寿命长达数天。有的寿命长达数天。转运铁蛋白受体（）和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件（，）。与结合蛋白（）相互作用控制了这两个的翻译效率。当细胞缺铁时，与具有高亲和力，两者的结合有效地阻止了铁蛋白的翻译，与此同时，上非翻译区中的也与特异结合，有效地阻止了 的降解，促进蛋白的合成。.蛋白质因子的修饰与翻译起始调控蛋白质因子的修饰与翻译起始调控 用兔网织红细胞粗抽提液研究蛋白质合成时发现，如果不向这一体系中添加用兔网织红细胞粗抽提液研究蛋白质合成时发现，如果不向这一体系中添加氯高铁血红素，网织红细胞粗抽提液中的蛋白质合成抑制剂就被活化，蛋氯高铁

21、血红素，网织红细胞粗抽提液中的蛋白质合成抑制剂就被活化，蛋白质合成活性在几分钟之内急剧下降，很快就彻底消失。现已查明，网织白质合成活性在几分钟之内急剧下降，很快就彻底消失。现已查明，网织红细胞蛋白质合成的抑制剂是受氯高铁血红素调节的的激酶，可以使该因红细胞蛋白质合成的抑制剂是受氯高铁血红素调节的的激酶，可以使该因子的子的亚基磷酸化并由活性型转变为非活性型。亚基磷酸化并由活性型转变为非活性型。六、六、真核基因表达调控举例真核基因表达调控举例 现代分子生物学上把能与某个（类）专一蛋白因现代分子生物学上把能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的上游序列称为子结合，从而控制基因特异表达的

22、上游序列称为应答元件（应答元件（）。它们与细胞内高度专一的转录因）。它们与细胞内高度专一的转录因子相互作用，协调相关基因的转录。子相互作用，协调相关基因的转录。最常见的应答元件有：最常见的应答元件有：热激应答元件（热激应答元件（，），），糖皮质应答元件（糖皮质应答元件（，），），金属应答元件（金属应答元件（，），）七、真核基因表达研究方法与应用七、真核基因表达研究方法与应用、基因敲除技术、基因敲除技术()注意事项：（）、有合适的胚胎干细胞（）；（）、有已知的单拷贝基因位点；（）、用线性载体或不能自我复制的载体.蛋白质相互作用（）,()基因表达后导致细胞炎症，而基因的活化受炎症诱发因子的刺激。、及（）抑制基因的表达。、导弹药物药物导向治疗 肿瘤或癌细胞表面通常过量表达某些特征性蛋白质（如人乳腺癌细胞表面的 蛋白），可作为肿瘤导向治疗的作用靶。将抗体的某些部分与外毒素相连接，就可以把毒素直接送到病变细胞表面，有效地杀死病变细胞，保护健康细胞。,();,();,();，()。