[高等教育]基因组学-课件-73基因表达的转录后调控.ppt

1、基因表达的转录后调控基因表达的转录后调控l真核生物前体真核生物前体mRNA剪接剪接 l高等植物内含子的结构特性高等植物内含子的结构特性l变位剪接变位剪接 lRNA编辑编辑 真核生物前体真核生物前体mRNA剪接剪接lpre-mRNA，hn RNAl剪接反应剪接反应l剪接体的组成与循环剪接体的组成与循环l剪接体中心的动态剪接体中心的动态RNA骨架骨架l初始转录产物初始转录产物pre-mRNA，不均一核，不均一核RNA(heterogeneous nucIear RNA，hn RNA)l基因长度存在差异基因长度存在差异：RNA大小十分不均一，大小十分不均一，平均相对分子质量为平均相对分子质量为210

2、7，比细胞质中成，比细胞质中成熟熟mRNA的平均相对分子质量的平均相对分子质量1.5106大大十十倍倍lRNA合成至大约合成至大约30个核苷酸时，个核苷酸时，5末端加入末端加入甲基化甲基化鸟苷鸟苷的的“帽子帽子”；转录终止时，；转录终止时，3末端加入末端加入100200个腺苷酸，成为个腺苷酸，成为poly(A)尾尾l经剪接经剪接去除内含子去除内含子，成熟，成熟mRNA经核孔进人细胞质经核孔进人细胞质mRNA稳定性的调控稳定性的调控l原核生物原核生物mRNA的半衰期的半衰期平均平均3min。高等真核生。高等真核生物迅速生长的细胞中物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均的半衰期平均3h。高度分化的

3、终端细胞中许高度分化的终端细胞中许多多mRNA极其稳定，有的极其稳定，有的寿命长达数天。寿命长达数天。lmRNA的的3端尾巴通过影端尾巴通过影响响mRNA寿命来影响翻译寿命来影响翻译效率。效率。l剪接反应剪接反应：去除基因序列中的内含子，连接外：去除基因序列中的内含子，连接外显子，成为有功能的成熟显子，成为有功能的成熟mRNA的过程。的过程。l剪接与三个特征序列相关联：剪接与三个特征序列相关联：5剪接位点序列剪接位点序列GU，3剪接位点序列剪接位点序列AG和分支点序列和分支点序列Al两次连续的两次连续的转酯基转酯基反应反应 trans-esterification reactionsl两次连续

4、的两次连续的转酯基转酯基反应反应trans-esterification reactionsl第一步第一步：分支点腺苷酸：分支点腺苷酸2-OH亲核攻击亲核攻击5剪接剪接位点的位点的磷酸基磷酸基，此处裂解，产生套索中间物和，此处裂解，产生套索中间物和5外显子，外显子，套索通过套索通过2-5磷酸二酯键把内含子磷酸二酯键把内含子的的5末端与分支点的腺苷酸相连接末端与分支点的腺苷酸相连接l第二步第二步：第一步释放的游：第一步释放的游离离5外显子的外显子的3-OH，亲核攻击亲核攻击3剪接位点的剪接位点的磷酸基磷酸基，从而释放套索，从而释放套索内含子，并把外显子连结起来内含子，并把外显子连结起来l剪接体的

5、组成与循环剪接体的组成与循环l剪接体剪接体splicesome：剪接由：剪接由RNA介导、各种介导、各种蛋白质蛋白质参与。参与剪接的参与。参与剪接的RNA和蛋白质共同构成一个庞大的颗和蛋白质共同构成一个庞大的颗粒复合体。粒复合体。l5060 S的核糖核蛋白颗粒的核糖核蛋白颗粒l主要组成单位主要组成单位：富含鸟苷酸的核内小核糖核蛋白：富含鸟苷酸的核内小核糖核蛋白U sn RNPs，由核内小分子，由核内小分子RNA-sn RNA和一些蛋白质组成和一些蛋白质组成l剪接体在剪接过程中逐步组装起来，涉及到剪接体在剪接过程中逐步组装起来，涉及到RNARNA、蛋白质蛋白质RNA、蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质相互

6、作用相互作用l核心核心：各种：各种RNARNA相互作用形成相互作用形成动态骨架动态骨架l蛋白质蛋白质促进促进RNA的的重排重排使其保持使其保持稳定稳定或失去稳定或失去稳定l催化正确的催化正确的识别识别、内含子切割内含子切割和之后的和之后的外显子连接外显子连接l参与剪接的参与剪接的sn RNP：U1、U2、U5和和U4/U6，根据所含的，根据所含的sn RNA来命名。来命名。lU1、U2和和U5 sn RNP都包含都包含一个一个sn RNA和和几个几个(20)蛋白质；蛋白质；lU4/U6 sn RNP则包含则包含U4、U6 sn RNA和几个蛋白质和几个蛋白质l初级剪接体初级剪接体：U1 sn

7、RNP中的中的sn RNA与与5剪切位点剪切位点序列互补结序列互补结合、合、U2 sn RNP中的中的sn RNA与与分支点分支点序列互补结合序列互补结合lU4/U6和和U5 sn RNP以三聚体形式进入剪接体组装过程，与已形以三聚体形式进入剪接体组装过程，与已形成的成的初级剪接体初级剪接体通过通过蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质相互作用，形成剪接体相互作用，形成剪接体（60S的核糖核蛋白复合物）。的核糖核蛋白复合物）。l配对的配对的sn RNA和前体和前体mRNA之间出现重排，形成之间出现重排，形成活性剪接体活性剪接体l前体前体mRNA上各种上各种U sn RNP的组装是一个有序的途径，并且需要的组

8、装是一个有序的途径，并且需要其他非其他非U sn RNP蛋白的暂时结合，这种剪接体组装和解体的途径蛋白的暂时结合，这种剪接体组装和解体的途径称为称为剪接体循环剪接体循环剪接体中心的动态剪接体中心的动态RNA骨架骨架高等植物内含子的结构特性高等植物内含子的结构特性l异质内含子的加工异质内含子的加工l剪接体剪接体核心核心序列在不同系统中是序列在不同系统中是相似相似的的l具有具有哺乳动物内含子哺乳动物内含子，或植物与哺乳动物内，或植物与哺乳动物内含子杂合体的前体含子杂合体的前体mRNA，在植物细胞中表，在植物细胞中表达时，一般达时，一般不被剪接不被剪接或被或被不正确不正确地剪接地剪接l一些一些植物内

9、含子植物内含子在转染的哺乳动物细胞或在转染的哺乳动物细胞或HeLa细胞的细胞的离体剪接提取物离体剪接提取物中，中，不被加工不被加工或者低效、或者低效、不正确剪接不正确剪接l内含子加工的单子叶、双子叶植物差别内含子加工的单子叶、双子叶植物差别l单子叶单子叶来源的内含子，来源的内含子，在双子叶在双子叶植物细胞植物细胞中表达时，中表达时，不被加工不被加工或者或者低效加工低效加工。l双子叶双子叶来源的内含子，来源的内含子，在单子叶在单子叶细胞中表细胞中表达时，呈现达时，呈现正确、有效地加工正确、有效地加工l哺乳动物来源哺乳动物来源的内含子能在的内含子能在单子叶植物单子叶植物中加工，但中加工，但完全不能

10、完全不能在双子叶植物在双子叶植物l内含子加工的种间差别内含子加工的种间差别 不同的双子叶植物种不同的双子叶植物种也呈现出加工活性的差异也呈现出加工活性的差异 玉米玉米转座子转座子En/Spm在不同双子叶植物种表达在不同双子叶植物种表达En-1编码的两个基因，编码的两个基因，tnpA和和tnpD可通过选择可通过选择性剪接产生。性剪接产生。l在天然寄主在天然寄主玉米玉米中表达时中表达时tnpA转录物与和转录物与和tnpD转录物的比例为转录物的比例为100:1;l在双子叶植物在双子叶植物拟南芥拟南芥中此比例与在玉米中中此比例与在玉米中相同相同;l在在马铃薯马铃薯中表达时，中表达时，tnpD转录物转录

11、物反而反而占优势占优势。l高等植物内含子的结构特点高等植物内含子的结构特点l内含子的大小：内含子的大小：比大多数哺乳动物内含子比大多数哺乳动物内含子短得短得多多，高等植物前体，高等植物前体mRNA内含子在长度上差异内含子在长度上差异较大，约较大，约2/3150nt，大部分处在，大部分处在80-139nt的长的长度范围；度范围；l内含子内含子5剪接位点剪接位点：双核苷酸：双核苷酸GU在所有天然的在所有天然的植物内含子中均是保守的，个别情况植物内含子中均是保守的，个别情况GU可以由可以由GC代替。代替。l双子叶和单子叶双子叶和单子叶植物有植物有1的的GC频率频率l拟拟南芥南芥中含中含GC的频率为的

12、频率为0.4l哺乳动物中无哺乳动物中无GC位点位点l内含子内含子3剪接位点剪接位点l3剪接位点剪接位点AG在天然高等植物内含子中是在天然高等植物内含子中是恒定的，末端恒定的，末端G缺失、替换或突变缺失、替换或突变，会使，会使3剪接位点剪接位点丧失丧失功能功能l 植物植物3剪接位点共有序列与哺乳动物相似，剪接位点共有序列与哺乳动物相似，但共有序列包含的核苷酸更多。植物为但共有序列包含的核苷酸更多。植物为UGYAGGU，而哺乳动物为，而哺乳动物为YAGGl 分支点：分支点：大多数高等植物内含子中存在着大多数高等植物内含子中存在着与哺乳动物相应的分支点序列与哺乳动物相应的分支点序列CURAY，酵，酵

13、母分支点序列母分支点序列UACUAAC是严格保守的是严格保守的l高等植物前体高等植物前体mRNA内含子富含内含子富含AU序列序列 特别是特别是双子叶双子叶植物，平均达植物，平均达70。哺乳动物或单子。哺乳动物或单子叶植物内含子在双子叶植物中叶植物内含子在双子叶植物中不被加工不被加工或或低效低效加工加工的原因的原因变变 位位 剪剪 接接l简单的转录单位简单的转录单位：一个基因经转录后，其初级转录：一个基因经转录后，其初级转录产物经剪接只产生产物经剪接只产生一个成熟的一个成熟的mRNA。没有内含子的。没有内含子的真核生物基因前体真核生物基因前体mRNA不需剪接，只需加不需剪接，只需加poly(A)

14、等等加工过程。有的虽有内含子存在，但剪接后加工过程。有的虽有内含子存在，但剪接后只产生一只产生一个个有功能的有功能的mRNA。组成性剪接组成性剪接l变位剪接，选择性剪接变位剪接，选择性剪接：有些真核生物基因属于：有些真核生物基因属于复杂转录单位复杂转录单位，含有数量不等的内含子，其前体，含有数量不等的内含子，其前体mRNA经不同的剪接方式可产生经不同的剪接方式可产生多个成熟多个成熟mRNA，继，继而产生而产生不同的蛋白质不同的蛋白质。l变位剪接意义变位剪接意义 基因表达调节基因表达调节的的常见常见机机制，与制，与基因的发育和组织特基因的发育和组织特异性调控异性调控有关。有关。许多基因前体许多基

15、因前体mRNA经经不同剪接方式产生多种不同剪接方式产生多种mRNA，翻译出，翻译出不同功能的不同功能的蛋白质蛋白质。从单个转录本产生。从单个转录本产生多达多达20 种不同的蛋白质。种不同的蛋白质。l变位剪接的基本类型变位剪接的基本类型l5剪接位点变位剪接位点变位：基因含有：基因含有几个几个5剪接位点剪接位点或转录起或转录起始位点，利用相同始位点，利用相同3剪接位点，而产生不同蛋白质；剪接位点，而产生不同蛋白质；l3剪接位点变位剪接位点变位：5末端只有一个转录起始位点，末端只有一个转录起始位点，3端端有有多个加多个加poly(A)位点位点，产生不同，产生不同3外显子的蛋白质；外显子的蛋白质；l在

16、不同外显子中进行剪接在不同外显子中进行剪接，形成带不同外显子的蛋白，形成带不同外显子的蛋白质产物；质产物；l保留内含子保留内含子；植物中变位剪接较多是采取此方式，而；植物中变位剪接较多是采取此方式，而内含子保留能引起内含子保留能引起功能肽功能肽在细胞在细胞定位中的改变定位中的改变；l基因中点突变而产生基因中点突变而产生新的剪接位点新的剪接位点、消除正常剪接点消除正常剪接点、活化隐蔽剪接垃点活化隐蔽剪接垃点RNA 编编 辑辑 基因转录后水平上的又一种表达调控方式基因转录后水平上的又一种表达调控方式l核苷酸替换：核苷酸替换：C Ul核苷酸的插入和缺少核苷酸的插入和缺少lmRNA在编辑中插入了在编辑

17、中插入了4个个U，不仅，不仅增加了一增加了一个氨基酸密码子个氨基酸密码子，而且因此，而且因此变动了阅读框架变动了阅读框架，形成形成-1的的移码突变移码突变N-末端信号肽的切除末端信号肽的切除 二硫键的形成二硫键的形成 氨基酸共价修饰：乙酰化，甲基化，磷酸化氨基酸共价修饰：乙酰化，甲基化，磷酸化 蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化翻译和翻译后调控翻译和翻译后调控磷酸化磷酸化/脱磷酸化的调控脱磷酸化的调控leIF-2磷酸化对翻译起始的影响：磷酸化对翻译起始的影响：用兔网织红细胞无细胞体系体用兔网织红细胞无细胞体系体外翻译时发现，如果不向这一外翻译时发现，如果不向这一体系添加血红素，几分钟后蛋体系添加血红

18、素，几分钟后蛋白合成会下降且停止。白合成会下降且停止。l原因：血红素可抑制原因：血红素可抑制eIF-2激酶激酶（HRI）的活性，）的活性，HRI可使可使eIF-2的的 亚基磷酸化，磷酸化的亚基磷酸化，磷酸化的eIF-2与与eIF-2B紧密结合，影响紧密结合，影响eIF-2的再利用，使翻译起始效的再利用，使翻译起始效率降低。率降低。uORF对翻译的调控对翻译的调控l上游开放读码框上游开放读码框(uORFs)是是细胞增殖和分化的重要调控元细胞增殖和分化的重要调控元件，编码脊椎动物生长调控因件，编码脊椎动物生长调控因子的子的mRNA约有约有2/3含含uORF。l酵母的酵母的GCN4 mRNA的翻译。的翻译。GCN4作为一种转录激活因子，作为一种转录激活因子，通过与启动子上通过与启动子上TGACTC元元件的结合，调控酵母细胞中包件的结合，调控酵母细胞中包括氨基酸生物合成酶系基因在括氨基酸生物合成酶系基因在内的表达调控。内的表达调控。