第三节 真核基因表达调控 第三节 真核基因表达调控

背景情况（背景情况（ overviewoverview ））：：

• 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的关键问题：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？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 细胞的多潜能性基因组的全能性 细胞的多潜能性 (totipotency) (pluripotency)(totipotency) (pluripotency)

真核细胞基因组全真核细胞基因组全能性的实验证据 能性的实验证据

• 真核细胞基因组的复杂性：真核细胞基因组的复杂性： e.g., human genome: e.g., human genome: 约约 3030 亿 亿 bp DNAbp DNA ；包含约；包含约 33 万个基万个基因；因； 9595 ％的非编码％的非编码 DNADNA 序列（功能？）；序列（功能？）； 一生合成总蛋白质的种类约一生合成总蛋白质的种类约 1010 万种，但在一个典型的分万种，但在一个典型的分化细胞中合成约化细胞中合成约 50005000 种蛋白质；如何调控？种蛋白质；如何调控？ 人类基因组计划（人类基因组计划（ HGPHGP ） 功能基因组学：基因及） 功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能。其产物（蛋白质）的功能。

不同组织器官中表不同组织器官中表达不同的蛋白质组 达不同的蛋白质组 （（ 2D-gel2D-gel ））

从从 DNADNA 到蛋白质的可能的调控步骤 到蛋白质的可能的调控步骤

• 真核基因表达的多级控制真核基因表达的多级控制

• 主要调控水平：主要调控水平：

** －转录水平调控（－转录水平调控（ transcriptional controltranscriptional control ））

** －转录后水平调控（－转录后水平调控（ post-transcriptional controlpost-transcriptional control ））

RNARNA 加工水平调控（加工水平调控（ RNA processing controlRNA processing control ））

翻译水平调控（翻译水平调控（ translational controltranslational control ））

－蛋白质的翻译后修饰（－蛋白质的翻译后修饰（ post-translational modificatiopost-translational modificatio

nn ））

一、一、转录水平的调控转录水平的调控

基本概念基本概念：：

• 事件：事件： DNA/protein, protein/protein DNA/protein, protein/protein 相互作用；相互作用；

• 顺式作用元件（顺式作用元件（ cis-acting elementcis-acting element ）：与转录调控蛋白特）：与转录调控蛋白特异异 结合的结合的 DNADNA 序列；序列；• 反式作用因子（反式作用因子（ trans-acting factortrans-acting factor ）：与特定）：与特定 DNADNA 序列序列结结 合的调控蛋白因子；合的调控蛋白因子；

• “ “ 模体”结构（模体”结构（ motifmotif ）：蛋白质中的小结构域，由一小）：蛋白质中的小结构域，由一小段保段保 守的氨基酸构成，用以识别特定的守的氨基酸构成，用以识别特定的 DNADNA 序列或其他蛋白序列或其他蛋白质；质； e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc.e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc.

• 共有序列（共有序列（ consensus sequenceconsensus sequence ）：）： DNADNA 中一小段保守序中一小段保守序列（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；构域所识别，在转录起始调控中起重要作用； e.g., TATA-box, e.g., TATA-box,

CAAT-box, GC-box, etc.CAAT-box, GC-box, etc.

• 通用转录因子（通用转录因子（ general transcription factorgeneral transcription factor ）：与核心启）：与核心启动子元件相结合（如动子元件相结合（如 TATA-boxTATA-box ），启动转录；），启动转录；

• 特异转录因子（特异转录因子（ specific transcription factor specific transcription factor ）：与基因）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；

（一）、转录的激活（（一）、转录的激活（ transcriptional activationtranscriptional activation ））

11 ，转录的起始，转录的起始

涉及一系列的涉及一系列的 DNA/protein, protein/protein DNA/protein, protein/protein 相互作用；相互作用；转录起始复合体（转录起始复合体（ pre-initiation complexpre-initiation complex ）的形成，）的形成， etc.etc.

RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:1844-46

• 真核基因的结构真核基因的结构

转录的起始转录的起始

22 ，激活因子（，激活因子（ activatoractivator ）和辅激活因子（）和辅激活因子（ co-activatorco-activator ））

特异性的转录因子，能在特异性的转录因子，能在 DNADNA 序列上形成复合体，激序列上形成复合体，激活转录；活转录； e.g., e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用：肾上腺（糖）皮质激素的作用： glucocorticoid/glucocorticoid/

GREGRE

辅激活因子在特定的辅激活因子在特定的 DNADNA 元件上形成复合体，激活转录元件上形成复合体，激活转录

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- DNA 结合结构域（结合结构域（ DNA-binding domainDNA-binding domain ）：与基因的）：与基因的 调控区域的特定调控区域的特定 DNADNA 序列识别并结合序列识别并结合

- - 激活结构域（激活结构域（ activation domainactivation domain ）：招募其他激活因子）：招募其他激活因子 和蛋白质，共同启动或激活转录和蛋白质，共同启动或激活转录

真核基因转录的调控（真核基因转录的调控（ gene control regionsgene control regions ））

33 ，基因远端的调控元件 — 增强子（，基因远端的调控元件 — 增强子（ enhancerenhancer ））

特点：特点：• 距离基因的起始点较远距离基因的起始点较远• 位置不定：上游、下游、内含子内部位置不定：上游、下游、内含子内部• 方向性：正反方向均有作用方向性：正反方向均有作用

作用机制：作用机制：• 间隔间隔 DNADNA 可以形成环状可以形成环状• 通过与通过与 enhancerenhancer 结合的特异因子起作用结合的特异因子起作用• 染色质构型的改变（重塑）染色质构型的改变（重塑）

基因远端的增强子促进转录复合体的装配基因远端的增强子促进转录复合体的装配

（二）、转录的阻抑（（二）、转录的阻抑（ transcriptional repressiontranscriptional repression ））

11 ，顺式作用元件／反式作用因子，顺式作用元件／反式作用因子 阻抑物（阻抑物（ repressorrepressor ）：负调控的特异性转录因子）：负调控的特异性转录因子 沉默子（沉默子（ silencersilencer ）：负调控的）：负调控的 DNADNA 元件元件

作用机制：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）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与转录激活因子竞争结合 DNADNA• 与转录激活因子相互作用，影响其活性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）改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）

阻抑因子（阻抑因子（ repressorrepressor ）抑制）抑制基因转录的可能机制基因转录的可能机制

22 ，， DNADNA 甲基化（甲基化（ DNA methylationDNA methylation ））

• CGCG 岛（岛（ CG islandCG island ）：基因组）：基因组 DNADNA 中富含中富含 GCGC 碱基的区域，碱基的区域， 其中一些对称序列中的 其中一些对称序列中的 5’-CG-3’ 5’-CG-3’ 二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（ CC ）） 常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；与基因的失活有关与基因的失活有关。。

• DNADNA 甲基转移酶（甲基转移酶（ DNA methyltransferase, DNMTDNA methyltransferase, DNMT ）） – – 维持性维持性 DNMTDNMT （（ maintenance DNMTmaintenance DNMT ）：使）：使 DNADNA 甲基甲基化化 的模式（的模式（ patternpattern ）在细胞分裂中得以保持（可遗传）在细胞分裂中得以保持（可遗传性）性） – – 构建性构建性 DNMTDNMT （（ establishment DNMT; de novo DNMestablishment DNMT; de novo DNM

TT ）：）： 使非甲基化的使非甲基化的 DNADNA 模板甲基化模板甲基化

• DNADNA 甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精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。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。

胞嘧啶胞嘧啶 CC 的甲基化修饰的甲基化修饰

DNADNA 甲基化 甲基化 pattern pattern 维持的方式维持的方式（维持性（维持性 DNMTDNMT 的作用）的作用）

• DNADNA 甲基化抑制基因转录的机制：甲基化抑制基因转录的机制： – – 干扰转录因子对干扰转录因子对 DNADNA 元件的识别和结合元件的识别和结合 – – 将转录因子的将转录因子的 DNADNA 识别序列转变为阻抑物的识别序识别序列转变为阻抑物的识别序列列 – – DNADNA 甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子

• DNADNA 甲基化的普遍性：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。生物（果蝇、酵母等）中未发现。

DNADNA 甲基化抑制基因甲基化抑制基因转录的机制转录的机制

• 基因组印记（基因组印记（ genomic imprintinggenomic imprinting ）和甲基化）和甲基化

现象：现象：

在二倍体动物中，有些基因（～在二倍体动物中，有些基因（～ 100100 个）的表达，依赖个）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”；于其是来自于父本还是母本染色体，如同印上了“印记”；

印记是由印记是由 DNADNA 甲基化标记来实现区分的；印记的基因在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）。所标记的表达方式（阻抑或促进）。 e.g., e.g., 鼠的 鼠的 Igf2 Igf2 基因。基因。

这是这是 DNADNA 的“状态”，而不是其序列决定可遗传性状的的“状态”，而不是其序列决定可遗传性状的证据（表观遗传）。证据（表观遗传）。

鼠中基因“印记”的传递方式鼠中基因“印记”的传递方式

转录后调控的步骤和方式转录后调控的步骤和方式

• 基因的转录后调控 基因的转录后调控 （（ post-transcriptional controlpost-transcriptional control ））

二、二、 RNARNA 加工水平的调控 加工水平的调控 (RNA processing)(RNA processing)

1, 1, 选择性剪接（选择性剪接（ alternative splicingalternative splicing ）） 以区别 组成型剪接（以区别 组成型剪接（ constitutive splicingconstitutive splicing ））

选择性剪接：一个选择性剪接：一个 hnRNAhnRNA （（ pre-mRNApre-mRNA ）转录本，通过外显）转录本，通过外显 子的剪、接、重组，产生多个成熟的子的剪、接、重组，产生多个成熟的 mRNAmRNA 的机制。的机制。 i.e., i.e., 一个基因 多个一个基因 多个 mRNA mRNA 多个蛋白质（多个蛋白质（ isoforisofor

msms ））

• 选择性剪接的不同形式选择性剪接的不同形式＊深蓝：均保留的＊深蓝：均保留的 exon;exon; 浅蓝：仅在一个浅蓝：仅在一个 mRNA mRNA 中中 保留的保留的 exon;exon; 黄色：黄色： intron;intron; 红线：被剪切去的区域。红线：被剪切去的区域。

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

• 剪接位点的选择和识别：剪接位点的选择和识别：

剪接增强子（剪接增强子（ splicing enhancersplicing enhancer ））

剪接因子（剪接因子（ splicing factorssplicing factors ））

形成“剪接子”（形成“剪接子”（ spliceosomespliceosome ））

RNARNA剪接的机制剪接的机制

22 ，， RNA RNA 编辑（编辑（ RNA editingRNA editing ））

改变成熟的 改变成熟的 mRNA mRNA 的序列，从而改变其“含义”的序列，从而改变其“含义”（（ meaningmeaning ）的机制；如：插入一个或多个 “）的机制；如：插入一个或多个 “ U”U” 。。

由 “由 “ guide RNA” guide RNA” 引导编辑过程。引导编辑过程。

三、三、翻译水平的调控（翻译水平的调控（ translational controltranslational control ））

• 成熟成熟 mRNA mRNA 的结构：的结构：

5’5’帽子（帽子（ 5’-cap, metG5’-cap, metG ），）， 5’5’ －－ UTRUTR ，编码区，，编码区， 3’3’ －－ UU

TRTR ，多聚（，多聚（ AA ）尾部。）尾部。

5’-met G-5’-UTR 3’-UTRCoding region

-…AAAA-3’

AUG

（一）、（一）、 mRNA mRNA 的细胞定位 的细胞定位 • mRNA mRNA 在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？ 决定：决定： 3’-UTR 3’-UTR 中的信息，可能涉及蛋白质的参与；中的信息，可能涉及蛋白质的参与； 转运：微管（转运：微管（ microtubulemicrotubule ）的作用；）的作用； 锚定：微丝（锚定：微丝（ microfilamentsmicrofilaments ）的作用。）的作用。

mRNA mRNA 定位的几种方式定位的几种方式 ::

LeftLeft: travel by associateion w: travel by associateion with cytoskeleton motor;ith cytoskeleton motor;CenterCenter: random diffusion;: random diffusion;RightRight: degradation of unanch: degradation of unanchored mRNAs;ored mRNAs;Black open circus: anchor coBlack open circus: anchor complexmplex

（二）、（二）、 mRNA mRNA 的翻译调控 的翻译调控 • 翻译的负调控（翻译的负调控（ negative translational controlnegative translational control ）） 翻译阻抑蛋白（翻译阻抑蛋白（ translational repressortranslational repressor ）：与 ）：与 mRNA mRNA

的 的 5’-UTR 5’-UTR 和 和 3’-UTR 3’-UTR 中的特定序列相识别、相互作用，并中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译水平。抑制翻译水平。

翻译的负调控机制翻译的负调控机制e.g., ferritine.g., ferritin

• 翻译起始点的调控翻译起始点的调控

翻译通常从第一个翻译通常从第一个 AUGAUG 起始，但有时会因第一个起始，但有时会因第一个 AA

UGUG周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过，从而由以下的过，从而由以下的 AUGAUG 开始翻译（“开始翻译（“ leaky scanning”leaky scanning” ））

（三）、（三）、 mRNA mRNA 的稳定性（的稳定性（ mRNA stabilitymRNA stability ） ） • mRNAmRNA 的半衰期（的半衰期（ half-lifehalf-life ）：从几分钟到十几个小时不等，）：从几分钟到十几个小时不等， 多数多数 mRNA mRNA 的半衰期不超过的半衰期不超过 3030 分钟；分钟；

• 影响影响 mRNAmRNA稳定性的因素：稳定性的因素： – – 多聚（多聚（ AA ）尾部的长短：）尾部的长短： poly(A)/PABPpoly(A)/PABP ，， < 30 nt < 30 nt 时降时降解解 – – 5’-5’- 帽子的解除（帽子的解除（ de-cappingde-capping ）引起）引起 mRNA mRNA 降解（通常与降解（通常与 3’-poly(A) 3’-poly(A) 的降解过程相伴）的降解过程相伴） – – 3’-UTR3’-UTR 序列的不同可影响序列的不同可影响 mRNA mRNA 降解，可能与降解，可能与 poly(A)poly(A)

尾部的降解速度有关，尾部的降解速度有关， e.g., α-globin mRNA 3’-UTRe.g., α-globin mRNA 3’-UTR 含含有有 许多许多 CCUCC repeatsCCUCC repeats ，可稳定，可稳定 mRNAmRNA ，而，而 AUUUAAUUUA 序序列则列则 使使 mRNA mRNA 不稳定。不稳定。

mRNA mRNA 降解的机制降解的机制

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