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1、第1页/共81页基因激活基因激活转录转录 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等翻译翻译翻译后加工翻译后加工转录转录转录起始转录起始多阶段调控（多阶段调控（Multi-stage）最关键的一步?第2页/共81页基因表达的时间特异性第3页/共81页基因表达的空间特异性第4页/共81页第第 一一 节节Features of Eukaryotic Gene Regulation真核基因表达调控的特征第5页/共81页顺式作用元件Cis-acting elements反式作用因子 Trans-acting factors基因表达调控第6页/共81页一、顺式作用元件exon1intr
2、on1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子第7页/共81页一、顺式作用元件 存在于基因内外，与基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的特定的DNA序列称为顺式作用元件（cis-acting elements）。主要包括启动子(pomoter)、增强子(enhancer)和沉默子(silencer)等。第8页/共81页（一）启动子(promoter)真核基因的启动子指的是RNA聚合酶识别、结合的基因转录调控区中启动基因转录的一段特异DNA序列，包含一组转录调控功能组件，其中每
3、一个功能组件的DNA序列约720 bp。第9页/共81页 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始点转录起始点真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列第10页/共81页1.TATA box真真核核细细胞胞的的启启动动子子是是包包括括转转录录起起始始点点（transcription initiation site或或transcription start site）在在内内的的、有有通通用转录因子及用转录因子及RNA聚合酶组装、结合的一段聚合酶组装、结合的一段DNA序列。序列。典典型型的的启启动动子子
4、核核心心序序列列（core sequences）是是在在转转录录起起始始位位点点上上游游2535 bp处处，有有一一保保守守的的TATA序序列列，被被称称为为TATA盒盒（TATA box），真真核核细细胞胞的的TATA盒盒多多为为TATAAAA序序列列。TATA盒盒与与原原核核细细胞胞的的启启动动子子一一样样，对对RNA聚合酶聚合酶II的转录起始位点起的转录起始位点起定位定位作用作用。第11页/共81页u有有一一些些编编码码蛋蛋白白质质基基因因不不含含TATA盒盒或或起起始始子子，多多在在起起始始位位点点上上游游约约100bp内内含含有有20 50个个核核苷苷酸酸的的CG序列，被称做序列，被
5、称做CpG岛（岛（CpG island）。u此此种种基基因因可可有有多多个个转转录录起起始始点点，可可产产生生含含不不同同5 末端的末端的mRNA。u这这些些基基因因大大多多为为低低转转录录基基因因，编编码码中中间间代代谢谢酶酶的的管家基因。管家基因。2.CpG island第12页/共81页 3.启动子上游元件GC盒盒(GC box)(GGGCGG)CAAT盒盒(CAAT box)(GCCAAT)u启动子上游元件（启动子上游元件（promoter-proximal elements,或或upstream promoter elements）是一些位于是一些位于TATA盒上游盒上游的的DNA序
6、列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与TATA盒的结合、盒的结合、RNA聚合酶与启动子的结合，以及转聚合酶与启动子的结合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一性。性。u常见的序列是：常见的序列是：第13页/共81页|一一些些真真核核细细胞胞基基因因含含有有另另一一种种启启动动子子元元件件，称称为为起始子起始子(initiator,Inr)，决定启动子的强度。决定启动子的强度。|起起始始子子共共有有序序列列为为：（5）Y-C-A+1-N-T/A-Y-Y-Y（3）；Y代代表表胞胞嘧嘧啶啶C或或
7、胸胸腺腺嘧嘧啶啶T，N代表任意碱基，代表任意碱基，T/A代表代表T或或A。第14页/共81页(二）增强子决定基因的时空特异性表达二）增强子决定基因的时空特异性表达增强子（增强子（enhancer）是是能能够够结结合合特特异异基基因因调调节节蛋蛋白白，促促进进邻邻近近或或远远隔隔特特定定基基因因表表达达的的DNA序序列列。在在酵酵母母中中，被被称称为为上上游游 活活 化化 序序 列列（upstream activator sequences,UASs）。增增强强子子的的作作用用通通常常与与其其所所处处的的位位置置和和方方向无关。向无关。第15页/共81页增增强强子子距距转转录录起起始始位位点点的
8、的距距离离变变化化很很大大，从从100 nt到到50,000nt，甚甚至至更更大大。但但总总是是作作用用于于最最近近的的启动子。启动子。增强子所处位置增强子所处位置在在所所调调控控基基因因的的上上游游或或下下游游，但但主主要要位位于于上上游游。下下游游内内含含子子当当中中，乃乃至至下下游游最最后后外外显显子子以以外外的的序序列也可含有增强子。列也可含有增强子。很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。第16页/共81页（三）沉默子阻遏基因转录沉默子(silencer)是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百bp）DNA序列。沉默序列促进局
9、部DNA的染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合DNA，是基因转录的负性调节因素。第17页/共81页能够帮助RNA聚合酶转录RNA的蛋白质统称转录因子（transcription factors，TF）。以反式作用方式调节基因转录的转录因子称为反式作用因子（trans-acting factor），以顺式作用方式调节基因转录的转录因子称为顺式作用蛋白（cis-acting protein）。二、反式作用因子第18页/共81页 cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA第19页/共81页基本转录因子general trans
10、cription factors特异转录因子 special transcription factors（一）转录因子分类（按功能特性）（一）转录因子分类（按功能特性）第20页/共81页基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白 因因 子子，决决 定定 三三 种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。第21页/共81页特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定
11、该该基基因因的的时空特异性时空特异性表达。表达。转录激活因子转录激活因子-增强子增强子转录抑制因子转录抑制因子-沉默子沉默子第22页/共81页转录因子结构转录因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域第23页/共81页转录激活可能作用机制介导转录相关蛋白的化学修饰和构象改变改变启动子周围的染色质的结构招募RNA聚合酶，促其快速准确定位第24页/共81页参与RNA-pol转录的基本转录因子 第25页/共81页参与RNA-pol转录的基本转录因子 T
12、BP:TATA结合蛋白,TAF:TBP辅因子CTD:RNA聚合酶大亚基羧基末端的结构域蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（a a）34（b b）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*38TFD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子蛋白激酶活性，使蛋白激酶活性，使CTD磷磷酸化酸化TFHATPase57（a a）34（b b）TFE解螺旋酶解螺旋酶30，
13、74TFF促进促进RNA-pol结合及作结合及作为其他因子结合的桥梁为其他因子结合的桥梁33TFB稳定稳定TFD-DNA复合物复合物12，19，35TFA辅助辅助TBP-DNA结合结合TAF*结合结合TATA盒盒TBP*38TFD功能亚基组成，分子量(kD)转录因子第26页/共81页（二）转录因子含有不同的DNA结合域螺旋-转角-螺旋是转录因子中的常见的DNA结合域 同源异型域结构与HTH结构域类似 锌指结构是一类含锌离子转录因子的DNA结合域 亮氨酸拉链结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白质二聚体化 碱性螺旋-环-螺旋结构域也可同时介导结合DNA和蛋白质二聚体化 第27页/共81页螺旋-回折
14、-螺旋 （helix-turn-helix，HTH）第28页/共81页Helix-turn-helix motifsStructure:about 20 amino acids long2 short alpha helicies(7 9 amino acids long)DNA recognition helix(binds specific DNA sequence)Recognition helix and 2nd helix form 90 anglevery short turn(NOT a beta-turn)Often glycine at start of the turn(h
15、elix breaker)第29页/共81页How does the lac repressor bind DNA?DNADNA recognition helixturnSecond alpha helix第30页/共81页同源异型域同源异型域（homeodomain，HD）第31页/共81页 锌指结构锌指结构（Zinc finger）C2H2型锌指型锌指第32页/共81页反向平行反向平行片层片层DNA大沟大沟螺旋螺旋Zn2第33页/共81页Zinc-Finger MotifsCCHHZnCCHHZnCCHHZnSeveral subtypes(Cys4,Cys2-His2)Example:
16、Cys2 His2 typeZinc does not interact with DNAUsually multiple zinc-fingers in a row At least some also bind RNAConsensus sequence:Y,F-X-C-X2-4-C-XXX-F-XXXXX-L-XX-H-X3-5-H第34页/共81页 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）第35页/共81页Leucine zippers(bZip)Basic region of the protein binds to DNAMainly act as dimers or
17、 other sometimes as other multimersSpecial alpha-helices allow formation of coiled-coil structures.Hydrophobic residues(Leu)align on one side of the helixExample:Jun and Fos7777第36页/共81页碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）bHLH双体双体DNA大沟大沟螺螺旋旋螺旋螺旋环环第37页/共81页三、真核基因表达调控正性调节占主导采用负性调节机制不经济保证基因表达
18、调节的特异性保证基因表达调节的精确性第38页/共81页第第 二二 节节Chromosomal Regulation of Eukaryotic Gene Expression真核基因表达的染色质水平调控第39页/共81页常染色质（euchromatin）异染色质（heterochromatin）组蛋白密码（histone code）染色质重塑（chromatin remodeling）基本概念第40页/共81页 结构松弛，分散分布在核内的染色质，对DNase I敏感，DNA可降解为约200 bp 或其倍数的片断；基因表达处于活性状态，故亦称为活性染色质。使用DNase I处理活性染色质时，常会
19、出现一些高敏感位点(hypersensitive sites)，通常位于转录基因的5和3 侧翼转录调控区的蛋白结合位点附近的裸露DNA上。常染色质（常染色质（euchromatin）第41页/共81页异染色质异染色质（heterochromatin）结构高度致密，处于凝聚状态的染色质，对DNase I不敏感。基因表达处于阻遏状态。组成性异染色质（constitutive heterochromatin）：所有细胞，整个细胞周期都存在的异染色质。其DNA不含基因，因而一直保持凝聚状态。兼性异染色质（facultative heterochromatin）：在特定细胞，生长发育的特定阶段，由常染色
20、质凝聚转变成的异染色质。第42页/共81页染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodeling）通通过过改改变变基基因因的的启启动动子子和和调调节节序序列列区区域域的的染染色色质质结结构构来来调调节节基基因因的的表表达达，称称为为染染色色质质重重塑塑,也也称称为为核小体重塑核小体重塑(nucleosome remodeling)。主要包括：CpG岛甲基化 组蛋白共价修饰第43页/共81页 CpG岛甲基化使DNA结构稳定,其甲基化程度与基因表达活性呈反比关系。1、CpG岛甲基化岛甲基化第44页/共81页2、组蛋白共价修饰、组蛋白共价修饰 组蛋白修饰包括组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、
21、泛素化和多聚ADP-核糖基化。这些多样化的修饰及其时空的组合可以使组蛋白与DNA的亲和力改变，改变染色质的结构，从而影响生物学功能。因此被称为组蛋白密码（histone code）。第45页/共81页46H2AH4H3H2BH2BH2AH3H4H3H2A第46页/共81页47 Nucleosome Structure Wikipedia第47页/共81页48Anatomy of Nucleosome and Histone Chaperons Ransom(2010)Cell第48页/共81页49Histone modification Zhou(2011)Nat Rev Genet 第49页
22、/共81页第50页/共81页核小体重塑：ATP依赖性核小体重塑复合体参与的核小体的移位、替换和去组装改变等。核小体重塑过程：基因活化蛋白结合；ATP依赖性酶蛋白复合体结合转录活性区；ATP依赖性酶水解ATP，提供能量；移去或替换核小体。3、核小体重塑（、核小体重塑（nucleosome remodeling）第51页/共81页52Nucleosome Remodeling Kasten(2011)Cell第52页/共81页531.Chromatin remodelers are ATP-dependent machines that act to alter the local structu
23、re of chromatin by repositioning(or sliding),ejecting or incorporating nucleosomes,histone variant replacing,or to be platform to recruit chromatin-associated proteins such as DNMT,HDAC,etc.2.During DNA replication,for example,a group of chromatin remodellers act to insert nucleosomes into the newly
24、 forming chromatin fiber.3.SWI/SNF(switch/sucrose nonfermentable)and CHD(chromodomain helicase DNA-binding)family proteins can trigger ejection of a nucleosome(top left).4.ISWI(imitation switch)family proteins,can slide a nucleosome(top right).5.INO80(inositol-requiring 80)family proteins exchange h
25、istone dimers(histone variants or modified histones),having a local impact on chromatin activity.Modification Types of Nucleosomes during Cellular Processes SWI/SNF,Or,CHDINO80ISWIAlexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol第53页/共81页54Chromatin Remodeling Determines Transcription On/Off Zhou(2011)Nat Rev Ge
26、net repositioning 第54页/共81页55Converting between Euchromatin and Heterochromatin Alexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol Chromatin Remodeling(Epigenetics)1.Histone(i)chemical modification:methyl,acetyl,Ub,etc.(ii)histone variant replacement H2AZ,H2AX,H2A,H3.3).2.DNA methyl modification,CpG.3.Nucleosome
27、repositioning(sliding,ejection,insertion)第55页/共81页56Chromatin in Pluripotent Stem Cell vs Differentiated CellAlexandre(2011)Nat Rev Mol Cell Biol第56页/共81页57Chromatin Remodeling&Tissue Specificity 4-Types of chromatin remodelersRemodelers vs architecture第57页/共81页第第 三三 节节Transcriptional Regulation of
28、Eukaryotic Gene Expression真核基因表达的转录水平调控第58页/共81页 一、转录起始的调控一、转录起始的调控基因活化蛋白与增强子或基因活化蛋白与增强子或UASs的结合；的结合；基本转录因子在启动子处的组装；基本转录因子在启动子处的组装；辅辅助助激激活活蛋蛋白白(coactivator)和和/或或中中介介子子（mediator）在在基基本本转转录录因因子子/RNA聚聚合合酶酶II复复合合物物与与基基因因活活化化蛋蛋白白之之间间的的辅助和中介作用。辅助和中介作用。RNA聚合酶聚合酶II与启动子的结合，即与启动子的结合，即转录起始复合转录起始复合物的组装物的组装需要诸多蛋白
29、质因子的协同作用。这通常包需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括括：第59页/共81页pol-FABPol-FHETBPTAFTATAABTATAHECTD-P参与RNA-pol转录的基本转录因子的组装TBPTAF第60页/共81页转录前起始复合物第61页/共81页第62页/共81页第63页/共81页修饰剪接编辑定向转运降解二、转录后调控第64页/共81页（一）（一）mRNA 5端加帽和端加帽和3端加尾修饰端加尾修饰除组蛋白外，所有真核细胞除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有都有5端的端的帽帽子子和和3端的端的PolyA尾尾结构结构。它们的作用在于：它们的作用在于：有助于保护有助于保护mRN
30、A免于被核糖核酸酶降解；免于被核糖核酸酶降解；5 帽帽结结合合蛋蛋白白复复合合体体参参与与mRNA和和核核糖糖体体的的结结合合来来起始翻译起始翻译。促进促进mRNA从细胞核转运到细胞浆；从细胞核转运到细胞浆；协协助助mRNA的的剪剪接接。在在剪剪接接第第一一个个外外显显子子时时，剪剪接接体的形成需要帽结合蛋白的参与；体的形成需要帽结合蛋白的参与；第65页/共81页（二）选择性剪接（二）选择性剪接（alternative RNA splicing）许许多多初初始始转转录录本本可可以以通通过过选选择择性性剪剪接接方方式式，去去除除不不同同的的内内含含子子而而被被加加工工形形成成不不同同的的mRNA
31、s，因而形成不同的多肽。因而形成不同的多肽。第66页/共81页真核细胞转录物选择性加工的两种机制 第67页/共81页大鼠降钙素基因转录物的选择性加工 第68页/共81页人视黄醛还原酶人视黄醛还原酶mRNA的选择性剪接的选择性剪接mRNAPre-mRNA同种异型同种异型mRNA第69页/共81页初初始始转转录录本本含含有有所所有有选选择择性性加加工工途途径径所所需需要要的分子信号。的分子信号。一一种种细细胞胞偏偏好好何何种种选选择择性性加加工工途途径径取取决决于于加加工因子工因子RNA结合蛋白的特异性。结合蛋白的特异性。第70页/共81页（三）（三）mRNA编辑编辑n RNA编辑指转录后除了选择
32、性剪接以外的加工导致RNA剪辑序列的改变，导致蛋白质产物的氨基酸序列与基因初级转录物的序列不完全对应。nRNA编辑最初是在某些原生细胞线粒体细胞色素氧化酶的亚基基因的转录后加工中发现，通过RNA编辑在该基因的初级转录物中插入了4个尿嘧啶核苷酸，从而使原来的阅读框架发生移动。第71页/共81页原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑(a)原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基原生细胞线粒体细胞色素氧化酶亚基基因的转录后编辑基因的转录后编辑(b)指导指导RNA 在在RNA的编辑中的作用的编辑中的作用(模板作用模板作用)第72页/共81页apo-B基因（载脂蛋白基因（载脂蛋白B基因）的组织特异性表
33、达基因）的组织特异性表达5 3 5 3 apo B-100 apo B-48CAAUAA 未编辑的未编辑的RNA 5 3 脱氨基作用的RNA编辑（终止密码子）（终止密码子）1 4536 1 2152CAA第73页/共81页 （四）（四）mRNA的转运的转运现现象象：估估计计有有1/5的的核核内内成成熟熟mRNAs能能进进入入细细胞胞浆浆。留留在在核核内内的的mRNAs约约在在1小小时时内内降降解解。mRNA通通过过核核膜膜的的过过程程是是一一个个主主动动运运输输过过程程，常常常常需需要要借借助助于于核核输输出出受受体体(nuclear export receptors)才可穿过才可穿过9nm的
34、核孔通道。的核孔通道。机制：机制：调控调控RNA从核运输至细胞浆的机制还不很从核运输至细胞浆的机制还不很清楚。清楚。第74页/共81页（五）（五）mRNA定位定位现象：现象：一些一些mRNA分子携带有信息，可以在翻分子携带有信息，可以在翻译开始前自我导向定位于细胞内的特定译开始前自我导向定位于细胞内的特定位置。位置。作用：作用：在细胞的特定部位集中产生所需要的大在细胞的特定部位集中产生所需要的大量蛋白质。量蛋白质。第75页/共81页mRNA分子的分子的3种不同定位过程种不同定位过程第76页/共81页（六）（六）mRNA的稳定性的稳定性意意义义：降降解解途途径径保保证证mRNA不不在在细细胞胞中
35、中累累积积并并避免合成过多的蛋白质。避免合成过多的蛋白质。真核细胞真核细胞mRNA降解有两种途径，是由每降解有两种途径，是由每种种mRNA分子的序列所决定。分子的序列所决定。第77页/共81页Poly(A)的逐渐短缩：最常见的途径的逐渐短缩：最常见的途径vmRNA分分子子一一旦旦进进入入细细胞胞浆浆中中，核核酸酸外外切切酶酶会会使使Poly(A)末末端端逐逐步步短短缩缩，当当剩剩下下约约30个个A时时，5 端发生脱帽，端发生脱帽，mRNA分子被迅速降解。分子被迅速降解。v一一些些mRNA分分子子的的3 UTR的的特特殊殊序序列列有有助助于于特特殊殊蛋白质的结合，增加或降低蛋白质的结合，增加或降
36、低Poly(A)短缩的速度。短缩的速度。第78页/共81页v可可将将Poly(A)直直接接从从mRNA分分子子上上切切除除。这这种种切切除除也也有有赖赖于于mRNA分分子子的的3 UTR特特殊殊序列可以被内切酶识别。序列可以被内切酶识别。特殊内切酶的作用特殊内切酶的作用 转转铁铁蛋蛋白白受受体体(transferrin receptor,TfR)mRNA分分子子 3 UTR柄柄环环（stem-loop）结结构构铁反应元件铁反应元件(iron-response element，IRE)。第79页/共81页 IRE-BP对转铁蛋白受体对转铁蛋白受体mRNA稳定性的调节稳定性的调节低铁状态低铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区活化的活化的IRE-BP3Poly(A)n翻译翻译TfR蛋白蛋白IRE高铁状态高铁状态转铁蛋白受体转铁蛋白受体mRNA5编码区编码区铁铁失活的失活的IRE-BP3Poly(A)nmRNA降解降解IRE第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页