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第三节 真核基因表达调控

背景情况（ overview ） ： 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的 时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？ …… 基因组的全能性 细胞的多潜能性 (totipotency) (pluripotency). 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. 真核细胞基因组的复杂性： e.g., human genome: 约 30 亿 bp DNA ；包含约 3 万个基因； 95 ％的非编码 DNA 序列（功能？）；

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第三节 真核基因表达调控

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Presentation Transcript

  1. 背景情况（overview）： • 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的 • 时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？ • …… • 基因组的全能性 细胞的多潜能性 • (totipotency) (pluripotency) 第三节 真核基因表达调控

  2. 真核细胞基因组全能性的实验证据

  3. 真核细胞基因组的复杂性： • e.g., human genome: 约30亿 bp DNA；包含约3万个基因；95％的非编码DNA序列（功能？）； • 一生合成总蛋白质的种类约10万种，但在一个典型的分化细胞中合成约5000种蛋白质；如何调控？ • 人类基因组计划（HGP） 功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能。 不同组织器官中表达不同的蛋白质组 （2D-gel）

  4. 真核基因表达的多级控制 从DNA到蛋白质的可能的调控步骤

  5. 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）

  6. 一、转录水平的调控 • 基本概念： • 事件：DNA/protein, 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，用以识别特 • 定的DNA序列或其他蛋白质；e.g., helix-turn-helix, • zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc.

  7. 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）；

  8. （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-initiation complex）的形成，etc. RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:1844-46

  9. 真核基因的结构

  10. 转录的起始

  11. 2，激活因子（activator）和辅激活因子（co-activator）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

  12. 转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域：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

  13. 真核基因转录的调控（gene control regions）

  14. 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）

  15. 基因远端的增强子促进转录复合体的装配

  16. （二）、转录的阻抑（transcriptional repression） • 1，顺式作用元件／反式作用因子 • 阻抑物（repressor）：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）

  17. 阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制

  18. 2，DNA甲基化（DNA methylation） • CG岛（CG island）：基因组DNA中富含CG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） • – 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。

  19. 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）

  20. 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。

  21. DNA甲基化抑制基因转录的机制

  22. 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）。

  23. 鼠中基因“印记”的传递方式

  24. 基因的转录后调控 • （post-transcriptional control ） 转录后调控的步骤和方式

  25. 二、RNA加工水平的调控 (RNA processing) 1, 选择性剪接（alternative splicing） 以区别 组成型剪接（constitutive splicing） 选择性剪接：一个hnRNA（pre-mRNA）转录本，通过外显 子的剪、接、重组，产生多个成熟的mRNA的机制。 i.e., 一个基因 多个mRNA 多个蛋白质（isoforms）

  26. 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。

  27. 选择性剪接的实际例子：α - 原肌球蛋白 mRNA (α-tropomyosin)

  28. 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）

  29. RNA剪接的机制

  30. 2，RNA 编辑（RNA editing） 改变成熟的 mRNA 的序列，从而改变其“含义”（meaning）的机制；如：插入一个或多个 “U”。 由 “guide RNA” 引导编辑过程。

  31. 5’-UTR Coding region 3’-UTR -…AAAA-3’ 5’-met G- AUG • 三、翻译水平的调控（translational control） • 成熟mRNA 的结构： • 5’帽子（5’-cap, metG），5’－UTR，编码区，3’－UTR，多聚（A）尾部。

  32. （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 motor; Center: random diffusion; Right: degradation of unanchored mRNAs; Black open circus: anchor complex

  33. （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

  34. 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”）

  35. （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., α-globin mRNA 3’-UTR含有 • 许多CCUCC repeats，可稳定mRNA，而AUUUA序列则 • 使mRNA 不稳定。

  36. mRNA 降解的机制

  37. mRNA翻译和降解的竞争：5’-帽子和 3’-poly(A) 在 mRNA 降解中的作用

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