Section N Regulation of transcription in eukaryotes Molecular Biology Course 研究基因调控主要应回答研究基因调控主要应回答3个问题个问题 1 什么是诱发基因转录的信号 2 基因调控主要是在哪一步实现的 3 不同水平基因调控的分子机制是什么 真核基因表达调控的种类真核基因表达调控的种类 根据调控性质分类根据调控性质分类 1 瞬时调控 可逆性调控 是对环境条件变化所做出的反应 包 括某种底物或激素水平升降时 或细胞周期不同阶段中酶活性的 调节 瞬时调控 可逆性调控 是对环境条件变化所做出的反应 包 括某种底物或激素水平升降时 或细胞周期不同阶段中酶活性的 调节 2 发育调控 不可逆调控 是真核基因调控的精髓部分 它决定 了真核细胞生长 分化 发育的全部过程 发育调控 不可逆调控 是真核基因调控的精髓部分 它决定 了真核细胞生长 分化 发育的全部过程 根据的先后次序分类 展开教学的分类 根据的先后次序分类 展开教学的分类 1 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 2 转录转录regulation水平上的调控 水平上的调控 transcriptional regulation 3 转录后水平上的调控 转录后水平上的调控 post transcriptional regulation mRNA加工水平上的调控 加工水平上的调控 RNA processing 翻译水平上的调控 翻译水平上的调控 translation regulation 蛋 白 质 加 工 水 平 的 调 控 蛋 白 质 加 工 水 平 的 调 控 protein maturation and processing 一 一 DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 1 基因家族基因家族 2 真核基因的断裂结构真核基因的断裂结构 3 真核生物真核生物DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 4 真核生物外遗传对基因表达调控机制真核生物外遗传对基因表达调控机制 1 真核生物的基因家族真核生物的基因家族 在在原核细胞原核细胞中 密切相关的基因往往组成操纵子 并 且以多顺反子 中 密切相关的基因往往组成操纵子 并 且以多顺反子mRNA的方式进行转录 整个系统被置 于一个启动子的控制之下 的方式进行转录 整个系统被置 于一个启动子的控制之下 真核细胞的真核细胞的DNA是单顺反子结构 很少有置于一个启 动子的控制之下操纵子结构 是单顺反子结构 很少有置于一个启 动子的控制之下操纵子结构 真核细胞中许多相关的基因按功能成套组合 被称为 基因家族 真核细胞中许多相关的基因按功能成套组合 被称为 基因家族 gene family 简单多基因家族 以串联方式前后相连 如简单多基因家族 以串联方式前后相连 如rRNA基因 基因 复杂多基因家族 一般由几个基因家族构成 基因家族之间 由间隔序列隔开 并作为独立的转录单位 复杂多基因家族 一般由几个基因家族构成 基因家族之间 由间隔序列隔开 并作为独立的转录单位 发育调控的复杂多基因家族 常常是在每个基因家族中 基 因排列的顺序的就是它们在发育阶段的表达顺序 发育调控的复杂多基因家族 常常是在每个基因家族中 基 因排列的顺序的就是它们在发育阶段的表达顺序 2 真核基因的断裂结构真核基因的断裂结构 外显子外显子 编码序列编码序列 与内含子与内含子 非编码序列非编码序列 只有真核生 物具有切除基因中内含子 产生功能型 只有真核生 物具有切除基因中内含子 产生功能型mRNA和蛋白 质的能力 原核生物一般不具有这种能力 和蛋白 质的能力 原核生物一般不具有这种能力 外显子与内含子的连接区外显子与内含子的连接区 指外显子与内含子的交界序 列 它有两个重要特征 指外显子与内含子的交界序 列 它有两个重要特征 内含子两端序列不互补 不能形成发卡式二级结构 内含子两端序列不互补 不能形成发卡式二级结构 短小但高度保守短小但高度保守 5 GT AG3 是 是RNA剪接的信号序列剪接的信号序列 外显子与内含子的可变调控外显子与内含子的可变调控 mRNA的选择性剪接 是下一次讲课的主要内容 的选择性剪接 是下一次讲课的主要内容 3 真核生物真核生物DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 在个体发育过程中 用来合成在个体发育过程中 用来合成RNA的的DNA模 板也会发生规律性变化 从而控制基因的表 达和生物的发育 发育调控 模 板也会发生规律性变化 从而控制基因的表 达和生物的发育 发育调控 1 基因扩增 是指某些基因的拷贝数专一性大 量增加 例如 非洲爪蟾的卵母细胞原有 基因扩增 是指某些基因的拷贝数专一性大 量增加 例如 非洲爪蟾的卵母细胞原有 rDNA基因基因500个拷贝 在减数分裂期可以扩 增到 个拷贝 在减数分裂期可以扩 增到200万拷贝 万拷贝 2 基因重排 变换和剪切 将某些基因从远离 启动子的地方移到距启动子很近的位点 从 而启动转录 并将多余的等位基因剪切 基因重排 变换和剪切 将某些基因从远离 启动子的地方移到距启动子很近的位点 从 而启动转录 并将多余的等位基因剪切 抗体 特异性 抗体 特异性 4 真核生物外遗传外遗传对基因表达调控机制 基因表达并不单独由DNA序列自身决定 还由一种所谓 的 外遗传系统 调控 外遗传学 epigenetics 是一类研 究不涉及DNA序列本身改变的 能产生具有调控遗传基 因表达变化的各种因素的学科 调控机制主要包括 1 DNA甲基化作用甲基化作用 由甲基转移酶将胞嘧啶转变为5 甲基 胞嘧啶的一种化学修饰 而去甲基化则是逆向过程 2 染色质重塑染色质重塑 包括组蛋白乙酰化 磷酸化 甲基化 遍 在蛋白化等 造成 核小体结构的消除或改变 DNA从右旋型变为左旋型 Z DNA 3 RNA干涉干涉 小分子干涉RNA抑制基因表达 4 印迹印迹 imprint 印迹的本质是DNA分子的甲基化 是记 录外遗传信息的一种方式 通过印迹 使子代保留了与 亲本一致的染色体甲基化区域 因此 印迹基因 的表 达 多编码生长因子 能以亲本特异性的方式进行 1 DNA甲基化与基因活性的调控 DNA甲基化能关闭某些基因的活性 去甲基化则诱导了基因的重 新活化和表达 1 DNA的甲基化 类型 5 甲基胞嘧啶 N6 甲基腺嘌呤 7 甲基鸟嘌呤 出现5 mC的序列 CpG CpXpG CCA TGG 和GATC 2 关闭基因的机理 甲基化达到一定的程度时会发生B DNA向 Z DNA的过渡 不利于转录 研究前沿 3 例子 DNA甲基化与X染色体失活 Xist基因 产物Xist RNA是 X染色体失活因子 的表达是决定X染色体失活的关键因素 有 活性的X染色体上的Xist基因总是甲基化 而失活的X染色体 Xist基因都是去甲基化的 的唯一X染色体Xist基因都高度 甲基化 有两条X染色体 活性X染色体上的Xist位点都高 度甲基化 而失活X染色体上Xist位点都没有甲基化 3 RNA 干涉和RNA基因大家族 RNA干涉干涉 1995年康奈尔大学Su Guo发现 给线虫注射正义RNA会 特异性地抑制该基因的表达 称为RNA干涉 机制是 形成的双链 RNA被酶切为21 25bp的小分子 它们 指导降解同源单链mRNA 引导同源DNA甲基化 RNA基因大家族的分类 RNA 非编码RNA 转录RNA rRNAtRNA 编码RNA mRNA RNA 小的干涉小的干涉 RNA 微小 RNA 核仁 RNA 核小 RNA N1 Eukaryotic Transcription FactorsN1 Eukaryotic Transcription Factors N2 Examples of transcriptional regulationN2 Examples of transcriptional regulation 1 Transcription factor domain structure DNA binding dimerization transcription activation repressor 2 Targets for transcriptional regulation SP1 hormonal regulation phosphorylation of STAT proteins HIV Tat myoD homeodomain proteins Transcription factor domain structure 1 DNA binding domains 2 Dimerization domains 3 Transcription activation domains 4 Repressor domains Targets for transcriptional regulation N1 Eukaryotic Transcription Factors Section N Regulation of transcription in eukaryotes Transcription of a single gene may be regulated by many different factors interacting with regulatory elements upstream or downstream of the transcribed sequence Gene X Start site 1 Regulatory elements to bind transcription factors 真核基因的一般构造真核基因的一般构造 Common featuresof transcription factors 1 bind specifically to some DNA sites specific motifs in promoters upstream regulatory elements UREs or enhancer regions Some factors modulate transcription by protein protein interaction 2 Activate repress transcription dimerization domains Many transcription factors occur as homo or heterodimers held together by dimerization domains regulation 二聚体二聚体 ligand binding domains Allowing regulation of transcription factor activity by binding of an accessory small molecule The steroid hormone receptors are an example containing all for of these types of domain regulation 配体结合结构域配体结合结构域 The activity of a transcription factor can be assigned to separate protein domains activation domains activity 激活结构域激活结构域 DNA binding domains activity DNA结合结构域结合结构域 1 DNA binding domain 3 Dimerization domain in some dimer factor 2 Activation domain Domain swap experiments 结构域交换实验结构域交换实验 The experiment of fusing activa