真核基因表達與調控

ExpressionandRegulationofEukaryoticGenesEverycellinamulti-cellulareukaryote(多細胞真核生物)doesnotexpressallitsgenesallthetime(usuallyonly3-5%)Long-termcontrolofgeneexpressionintissue=differentiationControlofexpression?RegulationattranscriptionRegulationaftertranscription=Post-transcription1ppt課件RolesofEukaryoticRNAPolymerasesSensitivityofpurifiedRNApolymerasestoa-amanitin2ppt課件YeastRNAPolymeraseIISubunitsFivesubunits—Rpb5,Rpb6,Rpb8,Rpb10,andRpb12—arefoundinallthreeyeastnuclearpolymerases.3ppt課件CrystalstructureofyeastRNApolymeraseII.Thestereoviewatbottomshowsall10subunitsoftheenzyme(lackingRpb4andRpb7),color-codedaccordingtothesmalldiagramattheupperright.4ppt課件真核基因轉錄(EukaryoticTranscription)通用轉錄因子(Generaltranscriptionfactors)結合到啟動子區域

(thepromoterregion).RNApolymeraseIIthenbindstothepromotertobegintranscriptionatthestartsite(+1).特異轉錄因子(specifictranscriptionfactors)結合到增強子(Enhancers)增加轉錄速率決定基因的時間、空間特異性表達。轉錄激活因子轉錄抑制因子5ppt課件ClassIIPromoters(recognizedbyRNApolymeraseII)ThecorepromoterThecorepromoterattractsgeneraltranscriptionfactorsandRNApolymeraseIIatabasallevelandsetsthetranscriptionstartsiteanddirectionoftranscription.TheproximalpromoterTheproximalpromoterhelpsattractgeneraltranscriptionfactorsandRNApolymeraseandincludespromoterelementsthatcanextendfromabout37bpupto250bpupstreamofthetranscriptionstartsite.Elementsoftheproximalpromoteralsocalledupstreampromoterelements.6ppt課件ClassIITranscriptionFactors(mRNAsandsnRNAs轉錄因子)ThegeneraltranscriptionfactorscombinewithRNApolymerasetoformapreinitiationcomplexthatiscompetentto

initiatetranscription.TheclassIIpreinitiationcomplexcontainspolymeraseIIandsixgeneraltranscriptionfactorsnamedTFIIA,TFIIB,TFIID,TFIIE,TFIIF,andTFIIH.StructureandFunctionofTFIIDTFIIDisacomplexproteincontainingaTATA-boxbindingprotein(TBP)and13coreTBP-associatedfactors(TAFs)TheTATA-Box-BindingProteinTBP

ThefirstpolypeptideintheTFIIDcomplextobecharacterized,ishighlyevolutionarilyconserved:Organismsasdisparateasyeast,fruitflies,plants,andhumanshaveTATA-box-bindingdomainsthataremorethan80%identicalinaminoacidsequence.7ppt課件8ppt課件1.靠近起始點的TATA盒是真核生物啟動子的核心序列真核細胞的啟動子是包括轉錄起始點（transcriptioninitiationsite）在內的、有通用轉錄因子及RNA聚合酶組裝、結合的一段DNA序列。典型的啟動子核心序列（coresequences）是在轉錄起始位點上游25~35bp處，有一保守的TATA序列，被稱為TATA盒（TATAbox，真核細胞的TATA盒多為TATAAAA序列。TATA盒與原核細胞的啟動子一樣，對RNA聚合酶II的轉錄起始位點起定位作用。

9ppt課件ModelforformationoftheDABPolFcomplex.TFIIFbindstopolymeraseIIandtogethertheyjointheDABcomplex.TheresultistheDABPolFcomplex.PolymeraseIIbindstoDNAdownstreamofthebindingsitesforTFIID,A,andB,whichcenterontheTATAbox.10ppt課件StructureoftheTBP–TATAboxcomplexTBPfunctionsnotonlywithpolymeraseIIpromotersthathaveaTATAbox,butwithTATA-lesspolymeraseIIpromoters.ItalsofunctionswithTATAlesspolymeraseIIIpromoters,andwithTATA-lesspolymeraseIpromoters.11ppt課件Amodelfortheparticipationofgeneraltranscriptionfactorsininitiation,promoterclearance,andelongation.(a)TBP(orTFIID),alongwithTFIIB,TFIIF,andRNApolymeraseIIformaminimalinitiationcomplex.AdditionofTFIIH,TFIIE,andATPallowsDNAmeltingattheinitiatorregionandpartialphosphorylationoftheCTDofthelargestsubunitofRNApolymerase,allowingproductionofabortivetranscripts,butthepolymerasestallsatposition110to112.(b)WithenergyprovidedbyATP,theDNAhelicaseofTFIIHcausesfurtherunwindingoftheDNA,releasingthestalledpolymeraseandallowsittoclearthepromoter.(c)WithfurtherphosphorylationofthepolymeraseCTDbyTEFbandwithcontinuousadditionofNTPs,theelongationcomplexcontinueselongatingtheRNA.TBPandTFIIBremainatthepromoter.TFIIEandFIIHarenotneededforelongationanddissociatefromtheelongationTBP:TATABindingProtein12ppt課件EukaryoticTranscriptionCoactivators(共激活因子）andmediators(調控子或介子)arealsorequiredforthefunctionoftranscriptionfactors.coactivatorsandmediatorsbindtotranscriptionfactorsandbindtootherpartsofthetranscriptionapparatus13ppt課件TATA盒CAAT盒GC盒

增強子

順式作用元件

結構基因-GCGC---CAAT---TATA轉錄起始真核生物啟動子保守序列14ppt課件模塊ModulesEnhancers(增強子),silencers(沉默子)5’region,distal(遠端)BasalTranscriptionalComplex(基礎轉錄復合物）15ppt課件有一些編碼蛋白質基因的轉錄可有多個起始點，可產生含不同5末端的mRNA。它們不含TATA盒或起始子，多在起始位點上游約100bp內含有2050個核苷酸的CG序列，被稱做CpG島(CpGisland)。這些基因大多為低轉錄基因，編碼中間代謝酶的管家基因。16ppt課件

2.啟動子中的上游元件協助真核基因調節GC盒(GCbox)(GGGCGG)CAAT盒(CAATbox)(GCCAAT)啟動子上游元件（upstreampromoterelements）是一些位于TATA盒上游的DNA序列，與調節蛋白結合，調節通用轉錄因子與TATA盒的結合、RNA聚合酶與啟動子的結合，以及轉錄起始復合物的形成，從而決定基因的轉錄效率與專一性。常見的序列是：17ppt課件(二）增強子決定基因的時空特異性表達增強子（Enhancer）是能夠結合特異基因調節蛋白，促進鄰近或遠隔特定基因表達的DNA序列；在酵母中，被稱為上游活化序列（upstreamactivatorsequences,UASs）。增強子的作用通常與其所處的位置和方向無關。18ppt課件增強子距轉錄起始位點的距離變化很大，從100nt到50,000nt，甚至更大。但總是作用于最近的啟動子。增強子所處位置在所調控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游內含子當中，乃至下游最后外顯子以外的序列也可含有增強子。很多哺乳動物基因受一個以上的增強子調控。19ppt課件（三）沉默子阻遏基因轉錄沉默子(silencer)是指某些真核基因轉錄調控區中抑制或阻遏基因轉錄的一段DNA序列。沉默序列促進局部DNA的染色質形成致密結構，從而阻止轉錄激活因子結合DNA，是基因轉錄的負性調節因素。20ppt課件在真核細胞核中，有許多蛋白質能夠幫助RNA聚合酶轉錄RNA。這類蛋白質統稱轉錄因子（transcriptionfactors，TF）或轉錄調節蛋白（transcriptionregulatoryprotein）。以反式作用方式調節基因轉錄的轉錄因子稱為反式作用因子（trans-actingfactor），以順式作用方式調節基因轉錄的轉錄因子稱為順式作用蛋白（cis-actingprotein）。反式作用因子和順式作用蛋白是真核基因的轉錄調節蛋白21ppt課件cDNAaDNA反式調節C順式調節mRNAC蛋白質CBA

mRNA蛋白質AA22ppt課件EukaryoticChromosomeStructureEukaryoticDNAispackagedintochromatin.Chromatinstructureisdirectlyrelatedtothecontrolofgeneexpression.ChromatinstructurebeginswiththeorganizationoftheDNAintonucleosomes.NucleosomesmayblockRNApolymeraseIIfromgainingaccesstopromoters.23ppt課件EukaryoticChromosomeStructureMethylation(theadditionof–CH3)ofDNAorhistoneproteinsisassociatedwiththecontrolofgeneexpression.ClustersofmethylatedcytosinenucleotidesbindtoaproteinthatpreventsactivatorsfrombindingtoDNA.Methylatedhistoneproteinsareassociatedwithinactiveregionsofchromatin.24ppt課件

轉錄調節因子(TF)的結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域25ppt課件轉錄因子含有不同的DNA結合域螺旋-轉角-螺旋(Helix-Turn-Helix)是轉錄因子中的常見的DNA結合域同源域(Homeodomain)結構與HTH結構域類似鋅指結構是一類含鋅離子的轉錄因子的DNA結合域亮氨酸拉鏈（leucinezipper)結構域既可介導結合DNA又可介導蛋白質二聚體化堿性螺旋-環-螺旋結構域（basichelix-loop-helix，bHLH)介導結合DNA和蛋白質二聚體化26ppt課件螺旋-轉角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）27ppt課件含Homeodomain

同源域的轉錄因子HomeodomainsareDNA-bindingdomainsfoundinalargefamilyofactivators.Theirnamecomesfromthegeneregions,calledhomeoboxes,inwhichtheyareencoded.HomeoboxeswerefirstdiscoveredinregulatorygenesofthefruitflyDrosophila,calledhomeoticgenes.TheAntennapediaphenotype.Legsappearontheheadwhereantennaewouldnormallybe.28ppt課件鋅指結構ZincFingersZincfingersarecomposedofanantiparallelb-sheet,followedbyana-helix.Theb-sheetcontainstwocysteines,andthea-helixtwohistidines,thatarecoordinatedtoazincion.Thiscoordinationofaminoacidstothemetalhelpsformthefingershapedstructure.29ppt課件

亮氨酸拉鏈（leucinezipper）既參與DNA結合又介導蛋白質二聚體化LeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuDNA大溝DNA大溝Thisdomainactuallyconsistsoftwopolypeptides,eachofwhichcontainshalfofthezipper:ana-helixwithleucine(orotherhydrophobicaminoacid)residuesspacedsevenaminoacidsapart,sotheyareallononefaceofthehelix.Thespacingofthehydrophobicaminoacidsononemonomerputstheminpositiontointeractwithasimilarstringofaminoacidsontheotherproteinmonomer.Inthisway,thetwohelicesactlikethetwohalvesofazipper.Theleucinezippernotonlybringsthetwomonomerstogether,italsoplacesthetwobasicpartsofthedomaininpositiontograsptheDNAlikeapairofforceps,orfireplacetongs,withthebasicmotifsfittingintotheDNAmajorgroove.30ppt課件

堿性螺旋-環-螺旋（basichelix-loop-helix，bHLH）結構參與DNA結合及蛋白質二聚體化ThebHLHisremarkablysimilartothatofthebZIPdomain.Thehelix-loop-helixpartisthedimerizationmotif,butthelonghelix(helix1)ineachhelix-loop-helixdomaincontainsthebasicregionofthedomain,whichgripstheDNAtargetviaitsmajorgroove,justasthebZIPdomaindoes.31ppt課件32ppt課件三、正調節占主導的真核基因表達

調控機制更加復雜*不同的DNA元件組合可產生多種類型的轉錄調節方式；*多種轉錄因子又可結合相同或不同的DNA元件；*轉錄因子與DNA元件結合后，對轉錄激活過程所產生的效果各異，有正調節或負調節之分。33ppt課件基因表達的多級調控:1.轉錄起始(Transcriptioninitiation)

2.轉錄后加工(PosttranscriptionalProcessing3.mRNA降解(mRNAStabilityControl)4.蛋白質合成(Proteinsynthesis)5.翻譯后加工修飾(PosttranslationModification)6.蛋白質降解等(ProteinDegradation)34ppt課件Controlofgeneexpressionatanyofthestage35ppt課件Opportunitiesforgeneexpressioncontrolintheeukaryoticcell

36ppt課件37ppt課件真核基因表達的轉錄水平調控TranscriptionalRegulationofEukaryoticGeneExpression38ppt課件

真核細胞基因開關的分子機制比原核復雜基本共同點：轉錄起始的調節是關鍵點不同點：原核生物：啟動子在缺少轉錄因子情況下就具有天然活性真核生物：強啟動子在缺少調節蛋白的情況下往往沒有活性

39ppt課件真核基因及其調控區域受到染色質結構的限制，轉錄的活化與轉錄調控區域、轉錄區域內染色質結構的變化相關。主要是正調控。因此，每個真核細胞基因需要轉錄激活因子才能被轉錄；真核細胞含有種類很多的調節蛋白。單一啟動子可以受分散在DNA分子上、數量巨大的調節序列所控制。真核基因表達起始的調控和原核基因的主要不同：40ppt課件

一、轉錄起始調控發生在轉錄起始復合物的組裝過程A.

基因活化蛋白與增強子或UASs的結合；B.

通用轉錄因子在啟動子處的組裝；C.

輔助激活子(coactivator)在通用轉錄因子/RNA聚合酶II復合物與基因活化蛋白之間的輔助和中介作用。RNA聚合酶II與啟動子的結合、啟動轉錄需要諸多蛋白質因子的協同作用。通常包括：41ppt課件基因活化蛋白與增強子結合后，通過與全酶復合體中的中介子相互反應，使全酶復合體在空間上更接近啟動子并有效組裝。此外，多數全酶復合體中缺少一些通用轉錄因子，如TFIID與TFIIA，它們需要在啟動子處分別組裝，最后形成穩定的轉錄起始復合物(transcriptioninitiationcomplex),啟動轉錄。42ppt課件TATA盒TFIIDRNA聚合酶II通用轉錄因子轉錄方向中介子活化蛋白活化蛋白增強子增強子DNATFIIA43ppt課件44ppt課件45ppt課件46ppt課件47ppt課件固醇類激素、甲狀腺激素、維甲酸類激素等激素與細胞核內的特異性受體，即特異基因調節蛋白結合，形成的激素-受體復合物結合到DNA特定的基因調節序列——激素反應元件(hormoneresponseelements,HREs)，再通過與其他調節因子的相互作用，活化或抑制相鄰基因的表達。48ppt課件幾種不同的激素反應元件受體共同結合序列*男性激素（Androgen）GG(A/T)ACAN2TGTTCT糖皮質激素(Glucocorticoid)GGTACAN3TGTTCT維甲酸(Retinoicacid)AGGTCAN5AGGTCA維生素D(VitaminD)AGGTCAN3AGGTCA甲狀腺激素(Thyroidhormone)AGGTCAN3AGGTCA類維生素A（RetinoidX＋）AGGTCANAGGTCANAGGTCANAGGTCA49ppt課件PosttranscriptionalRegulationControlofgeneexpressionusuallyinvolvesthecontroloftranscriptioninitiation.Butgeneexpressioncanbecontrolledaftertranscription,withmechanismssuchas:RNAinterferencealternativesplicingRNAeditingmRNAdegradation50ppt課件mRNA5′端加帽和3′端加尾修飾利于mRNA穩定性和轉運二、轉錄后調控涉及修飾、剪接、編輯、定向轉運多個環節除組蛋白外，所有真核細胞mRNA都有5端“帽”和3端的Poly(A)尾結構。51ppt課件5加帽的作用：

①有助于保護mRNA免于被核糖核酸酶降解；④5帽結合蛋白復合體參與mRNA和核糖體的結合來起始翻譯。③促進mRNA從細胞核運輸到細胞質；②協助mRNA的剪接。在剪接第一個外顯子時，剪接體的形成需要帽結合蛋白的參與；52ppt課件poly(A)尾可結合一種或多種特殊蛋白，避免mRNA被酶降解，并在翻譯過程中具有重要作用。許多原核mRNA也含有Poly(A)尾，但是此尾的功能是促進mRNA降解，而不是保護mRNA免于被降解。poly(A)尾的作用：53ppt課件三、可變性剪接可使初始轉錄本產生不同的成熟mRNA許多初始轉錄本可以通過一種以上的選擇性剪接（alternativeRNAsplicing）方式，去除不同的內含子而被加工形成不同的mRNAs，因而形成不同的多肽。54ppt課件Calcitonin:降血鈣素55ppt課件人視黃醛還原酶mRNA的選擇性剪接mRNAPre-mRNA同種異型mRNA56ppt課件初始轉錄本含有所有選擇性加工途徑所需要的分子信號。一種細胞偏好何種選擇性加工途徑取決于加工因子——RNA結合蛋白的特異性。負調節：抑制蛋白質可以通過與原始轉錄本的結合來防止剪接復合體切除內含子序列。選擇性剪接可以被正負調節分子調節：正調節：而不能正常剪接的剪接復合體可以在活化蛋白的幫助下發揮剪接功能。57ppt課件四、編輯加工可增加mRNA分子信息的內涵某些mRNAs在翻譯前被編輯(editing)。結果：轉錄后編輯過程插入了4個U殘基，從而改變了轉錄本的翻譯讀碼框。研究人員已經發現線粒體轉錄一類特殊的RNA分子，其3端有一段poly(U),其5端序列與mRNAs被編輯的區域互補，被稱為引導RNA（guideRNA）。引導RNA可能作為編輯過程的模板，并將其3端的U轉移給被編輯的mRNAs。58ppt課件五、某些mRNA定位于細胞質的特殊區域現象：一些mRNA分子攜帶有信息，可以在翻譯開始前自我導向定位于細胞內的特定位置。作用：在細胞的特定部位集中產生所需要的大量蛋白質。59ppt課件機制：導向信號存在于mRNA的3端非翻譯區（3untranslatedregion,3UTR）mRNA被連接在附著于細胞骨架上的動力蛋白（motorproteins）上，利用其水解ATP所提供的能量沿著骨架成分朝目的方向移動，最終在目的地被錨蛋白（anchorproteins）固定。mRNA在細胞漿中隨機擴散并被不斷地降解，只有碰上錨蛋白才能得到保護。mRNA通過在細胞漿中的隨機擴散，在其定位處被錨蛋白捕捉、固定。第二種情況第三種情況第一種情況60ppt課件功能：降解途徑保證mRNA不在細胞中累積并避免合成過多的蛋白質。不同真核基因的mRNA的降解速率大不相同。暫時需要的基因產物：半衰期可能僅為幾分鐘、甚至幾秒鐘。經常需要的基因產物：其mRNA可在多代細胞中穩定存在。六、通過改變mRNA分子的穩定性調控基因表達61ppt課件Poly(A)的逐漸短縮：最常見的途徑mRNA分子一旦進入細胞質中，核酸外切酶會使Poly(A)末端逐步短縮，當剩下約30個A時，5端發生脫帽，mRNA分子被迅速降解。一些mRNA分子的3UTR的特殊序列有助于特殊蛋白質的結合，增加或降低Poly(A)短縮的速度。真核細胞mRNA降解有兩種途徑，是由每種mRNA分子的序列所決定。62ppt課件可將Poly(A)直接從mRNA分子上切除。這種切除也有賴于mRNA分子的3UTR特殊序列可以被內切酶識別。另一個途徑始于特殊內切酶的作用轉鐵蛋白受體(transferrinreceptor,TfR)mRNA分子3UTR頸環（stem-loop）結構——鐵反應元件(iron-responseelement，IRE)。例如：63ppt課件TheIron-responsiveelement

(IRE)isashortconservedstem-loopwhichisboundbyironresponseproteins(IRPs,alsonamedIRE-BPorIRBP).TheIREisfoundinUTRs(untranslatedregions)ofvariousmRNAswhoseproductsareinvolvedinironmetabolism.Forexample,themRNAofferritin(anironstorageprotein)containsoneIREinits5'UTR.Whenironconcentrationislow,IRPsbindtheIREintheferritinmRNAandcausereducedtranslationrates.Incontrast,bindingtomultipleIREsinthe3'UTRofthetransferrinreceptor(involvedinironacquisition)leadstoincreasedmRNAstability.Allcellsusesomeiron,andmustgetitfromthecirculatingblood.Sinceironistightlyboundtotransferrin,cellshavereceptorsfortransferrin-ironcomplexesontheirsurfaces.Thesereceptorsengulfandinternalizeboththeproteinandtheironattachedtoit.Onceinside,thecelltransferstheirontoferritin,theinternalironstoragemolecule.64ppt課件Iron-responsiveelements(IREs)arecontainedwithinthemRNAsequencesthatcodefortransferrinreceptorsandferritin.IRS-bindingprotein(IRE-BP)bindstothesemRNAsequences.Onitsown,theIRE-BPbindstotheIREsofferritinandtransferrinreceptormRNA.But,whenironbindstotheIRE-BP,theIRE-BPchangesshapethattheIRE-BPscannolongerbindtheferritinmRNA.ThisliberatesthemRNAtodirectthecelltomakemoreferritin.Inotherwords,whenthereishighironinthecell,theironitselfcausesthecelltoproducemoreironstoragemolecules.65ppt課件IRE-BP對轉鐵蛋白受體mRNA穩定性的調節低鐵狀態轉鐵蛋白受體mRNA5’編碼區活化的IRE-BP3’Poly(A)n翻譯TfR蛋白IRE高鐵狀態轉鐵蛋白受體mRNA5’編碼區鐵失活的IRE-BP3’Poly(A)nmRNA降解IRE66ppt課件（七）mRNA分子細胞質中添加Poly(A)

控制蛋白翻譯在一些情況下，特殊的Poly(A)尾端可以在細胞漿得以延伸。例：正在成熟中的卵母細胞與卵細胞一些存在于細胞漿的mRNA分子的3′末端只有10~30個腺苷酸（A），它們并不翻譯。在卵母細胞成熟和受精后的一個特定時段，當需要這些mRNA所編碼的蛋白質時，Poly(A)被添加到這些選定的mRNA分子，大大促進它們翻譯的開始。67ppt課件八、無義變化介導的mRNA降解是真核mRNA的監視系統無義變化介導的mRNA降解

(Nonsense-mediatedmRNAdecay,NMD）當在同一閱讀框架內的翻譯終止密碼子UAA、UAG或UGA提前出現在最后兩個外顯子交界處上游約50nt處時，mRNA被迅速降解。這些錯位終止密碼子被稱為成熟前終止密碼子（prematureterminatio