《基因转录与翻译生物化学》课件.pptVIP

*************************************基因表达调控的意义1个体功能种族延续和适应环境2组织功能特异性生理活动3细胞分化获得特定功能和形态4基因效率资源和能量优化分配5基因选择性表达精确控制何时何地表达何基因基因表达调控对多细胞生物尤为重要，它使具有相同基因组的细胞分化为不同类型，执行特定功能。例如，虽然人体所有细胞含有相同的约2万个基因，但红血细胞特异性表达血红蛋白基因，神经元表达神经传递素相关基因，肝细胞表达解毒酶基因。这种差异表达创造了组织和器官多样性，是生物复杂性的基础。精确的时空表达调控也是发育过程的核心。胚胎发育中，基因表达序列决定了细胞命运，组织形成和器官发育。例如，Hox基因的表达梯度决定身体前后轴的形成；Sonichedgehog信号分子的表达梯度指导神经管和肢体发育。表达调控异常可导致发育畸形或疾病，如癌症常与原癌基因表达增加或抑癌基因表达降低相关。转录水平调控启动子活性调节是转录调控的核心。核心启动子（约-35至+35bp区域）是RNA聚合酶结合的最小DNA序列，而近端启动子（约-250至-35bp）含有多种顺式元件，可结合特异性转录因子。转录因子结合后，可通过直接互作或招募辅激活/抑制因子影响RNA聚合酶复合物的组装和活性，从而调控转录起始频率。增强子是远距离作用的顺式调控元件，可位于基因上游、下游甚至内含子中，距离启动子可达数十万碱基。增强子通过与启动子形成DNA环结构，将结合的激活蛋白复合物（增强子结合复合物）物理接近启动子区域，促进转录起始。与之相反，沉默子通过招募抑制蛋白复合物抑制转录。染色体结构域边界上的绝缘子阻止增强子或沉默子活性扩散至相邻基因，确保调控特异性。转录后调控mRNA稳定性mRNA的寿命直接影响蛋白质合成总量，是重要调控点。哺乳动物mRNA半衰期从数分钟到数天不等。mRNA稳定性主要受其5帽子、3多聚A尾和降解信号（如AU富集元件）影响。RNA结合蛋白通过识别特定序列或结构，保护mRNA免受降解或促进其降解。例如，铁调节蛋白结合转铁蛋白受体mRNA的3UTR，阻止核酸酶接触，延长其半衰期；而三叶因子结合AU富集元件，加速mRNA降解。RNA干扰RNA干扰是通过小非编码RNA调控基因表达的机制。microRNA(miRNA)是长约22nt的内源性小RNA，以不完全配对方式结合mRNA3UTR，抑制翻译或促进mRNA降解。短干扰RNA(siRNA)是外源性或内源性产生的双链小RNA，通过完全配对靶向特定mRNA，导致其切割降解。长非编码RNA(lncRNA)通过多种机制调控基因表达，如募集染色质修饰复合物、形成RNA-蛋白复合物或作为miRNA海绵。RNA干扰系统为细胞提供了精细调控基因表达的工具，也成为研究和治疗的重要靶点。选择性RNA剪接是转录后调控的另一重要机制。通过使用不同的剪接位点，单一基因可产生多种mRNA亚型，编码不同功能的蛋白质。剪接调控受顺式元件（如外显子/内含子剪接增强/抑制子）和反式因子（如SR蛋白和hnRNP）控制。例如，性别决定因子Sxl在果蝇雌性中表达，调控tra基因的性别特异性剪接，进而影响发育。翻译水平调控起始因子调控翻译起始是翻译过程的限速步骤，也是主要调控点。真核起始因子eIF2的α亚基磷酸化是应激响应的关键机制：在氨基酸饥饿、病毒感染或内质网应激时，特定激酶磷酸化eIF2α，阻碍eIF2-GTP-Met-tRNAi复合物形成，抑制整体翻译。eIF4E结合蛋白(4E-BP)在营养不足时与eIF4E结合，阻止eIF4F复合物形成，抑制帽依赖性翻译。这些机制使细胞在压力条件下保存资源，同时维持特定mRNA的翻译。核糖体结合位点调控mRNA5UTR的结构影响核糖体扫描效率。复杂二级结构如茎环需要解旋酶参与解开，减慢扫描速度。上游开放阅读框(uORF)是5UTR中的小翻译单位，其翻译可抑制主ORF翻译。例如，GCN4mRNA含有4个uORF，在氨基酸充足时全部被翻译，阻碍主ORF翻译；饥饿时核糖体跳过uORF2-4，增加主ORF翻译。内部核糖体进入位点(IRES)允许核糖体直接结合mRNA内部，绕过帽依赖性起始，在细胞压力时尤为重要。RNA结合蛋白调控RNA结合蛋白通过结合mRNA特定区域，调控翻译效率。细胞质多聚腺苷酸结合蛋白(CPEB)结合特定mRNA3UTR的胞质多聚腺苷酸化元件，调控卵母细胞中储存mRNA的激活。铁调节蛋白(IRP)在铁缺乏时结合铁蛋白mRNA5UTR的铁响应元件，阻碍翻译；同时保护转铁蛋白受体mRNA免受降解，协调细胞铁代谢。Bruno蛋白在果蝇卵