分子生物学笔记 第三章 基因表达的调控

第三章 基因表达的调控 基因表达：DNA→mRNA→蛋白质的遗传信息传递过程基因表达的调控 第一节 基因的活化 基因的“开关”-染色质的活化一、活性染色质的结构间期核染色质：异染色质(heterochromatin)，高度压缩(不转 录)；常染色质(euchromatin)，较为松散， 常染色质中约10%为活性染色质(更开放疏松)。活性染色质→←非活性染色质二、活性染色质的结构特点 (一)DNaseI敏感性 转录活性(或有潜在转录活性)的染色质对DNase I更敏感． DNase I超敏感位点(DNase I HyperSensitive Sites，DHSS) (二)组蛋白H3的CyS110上巯基暴露，三、活性染色质结构的形成（一)、核小体位相(Phased positioning) 1．核小体的旋转定位(rotational positioning) 指核小体核心与DNA双螺旋在空间结构中的相互关系，主要包括DNA双螺旋的大沟是面向还是背向核心结构． ‘ 2．核小体的平移定位(translational positioning) 指核小体与特定DNA序列的结合位置和方式，特别是转录活性相关的DNA调控元件（启动子、增强子等）序列与核小体的相互位置关 系。 (二)、组蛋白修饰 1．H1组蛋白磷酸化促进染色体包装，影响转录活性， 2．核心组蛋白修饰乙酰化：常发生在组蛋白的Lys，一般活性染色质是高度乙酰化的。（三)HMG蛋白结合 HMG（high mobility group)蛋白―高迁移率蛋白, 如HMG14/HMG17. 与核小体核心颗粒结合，有利转录。四、DNA甲基化与基因表达 ． (一)、真核生物基因组DNA的甲基化(Methylation) 哺乳动物基因组中5%的C为甲基化(m C)，mC主要存在于CpG二核苷酸中． CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因组中，形成CpG岛(CpG islands)．人基因组中约每10Kb就有一个CpG岛． CpG岛常与基因相连(可作为寻找基因的标记)。 (二)DNA甲基化的转录抑制作用。基因表达与甲基化呈负相关基因甲基化状态： 1、高度甲基化： 基因为持续失活(如女性的一条X染色体； 2、诱导去甲基化：如组织或发育阶段特异性表达基因； 3、持续低水平甲基化：具有转录活性(如持家基因)。持家基因(housekeeping gene)： 是指对所有类型组织细胞在任何时候都需要其表达的基因，通常都是维持细胞基本生存所必须的基因，其表达常保持在固定的水平。又称 为组成性基因(Constitutive gene)。（三）甲基化与基因组印迹基因组印迹(genomic imprinting)：指基因表达活性只局限于来自双亲之一的基因版本。被印迹(imprinted)的基因．基因组印迹的机 制--DNA高度甲基化基因组印记与肿瘤． 第二节 转录水平的调控转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节。一、真核基因转录基本条件：特异性基因转录的基本条件包括： ①启动子(特别是核心启动子) ②转录模板(转录起始点（+1）---终止点) ③RNA PolⅡ ④普通转录因子(GTFs) (一)启动子(promoter) 与基因转录启动有关的一组DNA序列，一般位于RNA poII转录起始点上游100-200bp以内，其功能是决定转录的起始点和调控转录频率．启动子区域包括核心启动子和启动子上 游近侧序列： 1、核心启动子(core promoter) 是决定转录起始位置的关键序列，也是普通转录因子TFⅡD的结合位点， ①TATA盒(TATA box) 位于转录起始点上游-25～-30bp． ②起始子(initiator，Inr) Inr是与转录起始位点重叠的短的较保守序列．注：①不是所有基因都含有TATA盒或Inr序列．有的只有其中之一，有的两者都 无． ②这些核心启动子的序列和它们之间的间隔多变 2、上游启动子元件(Upstream Promoter element，UPE) 位于较上游(-30一-110bp)，能较强影响转录起始的频率，如CAAT 盒和GC盒．其中GC盒是转录因子SPl的结合位点。 (二)RNA聚合酶Ⅱ 负责真核生物蛋白编码基因的转录(产物mRNA)，有7-10个亚基，最大亚基的羧基末端结构域(CTD)具有7个氨基酸(Ty r-Ser-Pro-Thr-Ser -Pro-Set)的重复序列，其中有多个磷酸化位点．CTD磷酸化对调控基因转录有重要作用． (三)基础转录因子(basal transcription factor) 真核基因转录除RNA聚合酶外还需要许多蛋白因子―转录因子参加，其中一些转录因子是RNA聚合酶Ⅱ转录起始必需的，并且可以维 持基础水平的转录，因此称为基础转录因子或普通转录因子(general transcription factor) 1．RNA聚合酶 II的普通转录因子(TF II) 包括TFIID,TFⅡB,TFIIF，TFIIE，TFIIH，TFIIA等． TFIID是由TATA盒结合蛋白(TATA binding protein，TBP)和8种TBP协同因子(TBP associated factor，TAF)组成的复合物，TFIID可识别和结合核心启动子(TATA盒和Inr)； TFⅡB的C端与TFIID和DNA的复合物结合，N-端与TFⅡF协同作用募集RNA聚合酶II，再加上TFIIE,TFII H形成完整的转录复合物． TFIIH有蛋白激酶活性，可使RNA Pol最大亚基CTD磷酸化，使转录起始过渡到转录延伸． TFIIA有助于TFIID与TATA盒核心启动子结合． 2、TAF的作用 TFIID中包括至少8种TBP协同因子,分子量为30―250kD,分别命名为TAFⅡ-30～250． TAFⅡ150识别起始子(1nr)序列． TAF是基因转录调控的辅助因子，它的作用是通过与多种转录调控因子（激活物或阻遏物）的转录调控结构域结合，而介导转录激活或 抑制。二、基因转录的顺式调控元件顺式调控元件(cis-regulating element)是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因．顺式调控元件中的 短核心序列：共有序列或一致序列（consensus sequence)。 (一)启动子(promoter) (二)增强子(enhancer) 能显著提高基因转录效率的一类顺式调控元件（其核心序列常为8-12bp)．增强子的作用特点： 1．能(通过启动子)提高同一条链上的靶基因转录速率； 2．增强子对同源基因或异源基因同样有效； 3．增强子的位置可在基因5’-上游、基因内或3’下游序列中； 4．自身没有5’-或3’-方向性； 5．增强子可远离转录起始点(最多30Kb)； 6．增强子一般具有组织或细胞特异性． (三)负调控元件―沉寂子 负调控元件是能抑制基因表达的序列．如沉寂子(silencer) (四)其它顺式调控元件 1．应答元件(responsive elements) 真核细胞中对某些特定的环境作出应答的基因，常具有相同的顺式元件―应答元件．应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别 (又称为可诱导的顺式调控元件／反式作用因子)。 2．转座元件对基因表达的调控， 。三、基因转录的反式作用因子转录水平的调控主要是通过与多种DNA元件结合的蛋白因子来实现．反式作用因子(trans-ac ting factor)是通过识别和结合顺式调控元件的核心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质．反式作用因子对基因表达的调控可正( 激话)可负(阻遏)． (一)反式作用因子的结构： 结构域(domain)是指蛋白质中可以具有独立的超二级结构的部分。通常由一个基因外显子编码，并可具有特定的功能。在较大的 蛋白质中， 多个结构域间可通过较短的多肽柔性区互相联接．基序(motif)：一般指构成任何一种特征序列的基本结构．作为结构域中的亚单 元，其功能是体现结构域的多种生物学作用． 1．反式作用因子的DNA结合结构域(DNA binding domain)中的几种常见基序： ①螺旋/转角/螺旋（Helix-turn-helix,HTH）基序两段螺旋被一短的转角结构分开，其中一段螺旋为DNA识别 螺旋．同源异形结构域(Homeodomain，由同源异形盒编码)中含有HTH基序。具有Homeodomain的转录调控蛋 白在胚胎发育和正常细胞分化的基因表达调节中有重要作用。 ②锌指(Zinc finger)基序由肽链的保守序列中的一对组氨酸加一对半胱氨酸(His2／Cys2)或2对半胱氨酸(cys2／cys2) 与一个锌离子形成配位键，这些氨基酸对之间的多肤链成环状突出并折迭成指形结构，多个指结构常串联重复。锌指族转录因子以二聚体 形式同DNA上的顺式调控元件结合。含锌指基序的转录因子：与GC盒结合的SPl、类固醇激素受体家族，抑癌蛋白WT1等。 ③亮氨酸拉链(Leucine-Zipper)基序由一段每隔6个a a 就有一个Leu的伸展肽链组成，这些周期性出现的Leu都位于α―螺旋的同―侧面，因此两条均含Leu拉链基序的蛋白质通过亮氨 酸侧链的相互作用形成二聚体。具有亮氨酸拉链基序的转录因子：原癌基因C-Jun/C-fos(APl家族) ④螺旋-环-螺旋(Helix-loop-Helix，HLHt)基序．由2个α螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成．如原 癌基因产物C-myc及其结合蛋白Max．含HLH和Leu-拉链基序的转录因子的相似性： ①均至少含有一个α螺旋，其中都有一侧亲水面和一侧疏水面，因此这两种基序又称为两亲α―螺旋基序． ②两类转录因子均依靠α螺旋氨基端附近的碱性区（带正电荷aa区）与DNA结合，因此又分别称为bzip和bHLH （b=basic，碱性) ③两类转录因子活性都依赖于二聚体化 2、反式激活结构域(Transactivation domain) ‘ 是反式作用因子的转录调控结构域，一般由DNA结合结构域外的30-100个aa组成．常见的反式激活域有以下几种： ①酸性α谨螺旋结构域(acidic a-Helix domain)如Jun； ②富含谷氨酰胺结构域(glutamine―rich domain)如SPl． ⑧富含脯氨酸的结构域(proline-rich domain)。 (二)反式作用因子家族同一类序列特异性转录因子一般由基因家族编码，它们的蛋白结构同源，并结合特异的顺式调控元件，这些蛋白 组成一个反式作用因子家族。 1．POU家族这一家族中都有一个独特的DNA结合结构域-POIJ结构域． POU结构域包括： N端POU特异结构域(POUs)+C端POU同源异形结构域(POUH）． POU结构域是Pit1，octl／oct2和unc86等反式作用因子共有的保守区，因此这类蛋白统称为POU结构域蛋白。 2、类固醇激素受体家族包括：糖皮质激素受体(GR），性激素受体(ER／AR)，甲状素激素受体 (TR)，维甲酸受体(RAR)，VitD3受体(VD3R)．这些受体位于胞质或核内，通过激活基因转录起作用．这些受体的D NA结合结构域都含有2个Cys2／Cys2型锌指基序，(分别由2个外显子编码)，可识别DNA上的激素应答元件(HRE：H ormone responsive elements) 3、NF-κB家族 包括RelA(P65)，P60，RelB，C-Rel，P50五种．主要是P50／RelA异二聚体．胞质中P50／RelA •Iκ B抑制蛋白(失活状态)→释放Iκ B而被激活→易位至核内→激活转录。

 第三节 转录后加工在细胞核内对基因产物(mRNA前体)进行各种修饰、剪接和编辑，使编码蛋白质的外显子部分连接成为一个连续的开放读 框(open reading frame，ORF)的过程称为转录后加工．一、mRNA前体加工的分子机制 - 核内mRNA前体―异质性核RNA(heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)， hnRNA与蛋白质结合形成核异质性核糖核蛋白(hnRNP), mRNA前体的加工在hnRNP上进行． (一)5’-端加帽(capping) ―mRNA前体的5’-端加甲基化鸟苷(m7pppN) 5’端m7G帽子结构的作用： 1．使mRNA更稳定 2．增加蛋白质合成的效率 3．帽子结构对mRNA前体的剪接是必需的（二)3’-端接多聚腺苷(poly(A)) ―在mRNA前体3’端接上一个约200―250个腺嘌呤核苷酸(A)的尾巴。 poly(A)尾巴的作用： 1．有利于mRNA通过核孔； 2．参与稳定mRNA； 3．增强翻译效率。（三)mRNA前体的剪接剪接(sp!icing)―剪除内含子，并将外显子连接 1．真核内含子的序列特征：真核内含子总是由Gu开始，以AG结束，内含子的5’-端剪接点(供位)和3’-端剪接点(受位)， 以及内含子中的一个内部序列分支点（branch site)是mRNA前体正确剪接所必需的。 2．mRNA前体的剪接机制 -剪接过程由二步连续的转酯反应组成．该过程中产生一个套索状中间体（ lariat intermediate)，结果使2个原先被分隔的外显子连接。 3．剪接体(spliceosome) 细胞核内的小分子RNA(一般≤300碱基)―SnRNA（small nuclear RNA)，包括U1―U6等。 snRNA与特异的蛋白质形成复合物-SnRNP．mRNA前体与snRNP形成的复合物―剪接体．mRNA前体的剪接通过剪接 体进行。 U2，U6，U4／U6 SnRNP等是活性剪接体的主要成份． (四)RNA编辑(RNA editing) 是一种与mRNA剪接不同的加工方式，指mRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了DNA模板来源的遗传信息，从而翻 译出氨基酸序列不同的多种蛋白质， RNA编辑的例子：apo―B的编辑：C→U替换。二、内含子的选择性剪接选择性剪接(alternative splicing)：在mRNA前体的剪接过程中，参加剪接的外显子可以不按其线性次序剪接，内含子也可以不被切除而保留，即一 个外显子或内含子是否出现在成熟mRNA中是可以选择的，这种剪接方式称为选择性剪接。此外，不同的启动子或不同的poly(A )加尾位点的选择，也可看作选择性剪接．选择性剪接的主要方式。由来自一个基因的mRNA前体因选择性剪接而产生多种mRNA， 并翻译出的不同蛋白质，称为同源异构体(isoform)． >5%的人基因可在不同的组织或生理状态下，通过选择性剪接产生不同的蛋白质异构体，这是造成真接生物高度异质性的基础。

 第四节 翻译水平调控 一、翻译起始因子(IF)的调节：可逆磷酸化的作用． 1．eIF-4F的磷酸化激活蛋白质的合成． 2．eIF-2的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平二、mRNA结构与翻译控制 ，（一)5’-UTR结构 1、mRNA5’端m7G帽有增强翻译水平的作用． 2、“上游AUG密码子”(位于起始AUG上游的其他AUG密码子)的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率． 3、起始AUG旁侧序列对翻译效率的影响．Kozak序列：GCCAUGG (二)3’-UTR结构 1．poly(A)尾增加翻译效率 2．富含UA序列抑制翻译。三、mRNA稳定性与翻译控制 mRNA稳定性主要取决于3’―UTR结构 1．poly(A)尾增加mRNA稳定性， 2．3’-UTR中UA序列导致mRNA不稳定．四、翻译后修饰 1、 氨基酸侧链的共价修饰：乙酰化、磷酸化、糖基化（N-、O-）； 2、 蛋白质前体的切割和成熟。Proprotein→protein.例：胰岛素的成熟。五、蛋白质的分泌和胞内定位信号肽：作为蛋 白质定位信号的短肽序列，指导蛋白质运输到正确位置，定位结束后通常被特异的信号肽酶切除。常见几种信号肽的特点： 1内质网和细胞分泌信号：N-端约20个左右氨基酸，疏水。 2 线粒体定位信号：N-端，一面为正电残基另一面为疏水残基的两亲α螺旋。 3 核定位信号：内部，常为碱性氨基酸加脯氨酸链两部分构成。如SV40 T 抗原：pro-lys-lys-lys-Arg-lys(127-132)