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1、基因表达的调控Regulation of Gene Expression主要内容 基因表达调控的概念 原核生物基因表达调控 真核生物基因表达调控 基因表达调控异常与疾病 Non-coding RNA在基因表达调控中的作用microRNALncRNA1. 基因表达调控的概念 真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态； 基因表达有一定的时间-空间有次序； 生理和病理条件下基因的表达水平差异显著。 基因表达调控研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因表达或不表达调控的不同水平2. 原核生物细胞的基因调控的特点和意义原核生物基因表达调控（1）-乳糖操纵子原核生物基因表达调控（2）-色氨酸
2、操纵子原核生物基因表达调控（3）-Stringent Response应急反应关闭tRNA和核糖体形成的能力 原核生物基因表达调控（4）-SOS Regulon原核生物基因表达调控-其他形式原核生物基因表达调控-其他形式Lambda 噬菌体的基因表达调控3. 真核生物细胞基因表达调控调控的不同水平（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）4.基因表达调控异常与疾病表观遗传学与肿瘤 表观遗传的概念是 1942 年由 Waddington 提出的 表观遗传被定义为 DNA 序列不发生变化但基因表达却发生了可遗传的改变 肿瘤中存在表观遗传修饰的异常DNA甲基化修饰 肿瘤中常伴随基因组整体甲基化水平降
3、低和某些基因 CpG 岛区域甲基化水平异常升高如抑癌基因 关键酶：DNA甲基转移酶（DNMT）组蛋白乙酰化修饰 组蛋白是染色质的基本结构蛋白，组蛋白的 N2 末端可以发生多种共价修饰作用其中乙酰化最为重要； 组蛋白氨基末端赖氨酸残基的高乙酰化与染色质松散及基因转录激活有关 而低乙酰化与基因沉默或抑制有关。 关键酶：组蛋白乙酰化酶 HAT 和组蛋白去乙酰化酶 HDAC是组蛋白乙酰化的关键酶 决定着组蛋白的乙酰化程度，参与肿瘤异常基因表达表观遗传修饰与肿瘤治疗 DNA甲基转移酶抑制剂 靶向诱导DNA甲基化：针对某基因启动子或其附近的区域设计一段甲基化的寡聚核苷酸链，使其与靶基因中一条DNA 链的特
4、定位点结合 形成半甲基化的中间体，该中间体成为 DNMT1 的底物，使 DNA 另一链甲基化 从而使靶基因的特定位点完全甲基化 组蛋白乙酰化抑制剂5. Non-coding RNA在基因表达调控中的作用 miRNA是广泛存在于真核生物中的一组短小的、不编码蛋白质的RNA家族，它们是由19-25个核苷酸组成的单链RNA（3端可有12个碱基长度的变化）； miRNA的表达具有组织特异性和阶段特异性。即：在不同组织中表达有不同类型的miRNA,在生物发育的不同阶段里有不同的miRNA表达。 miRNA具有高度保守性，即各种miRNA都能在其他种系中找到同源体； miRNA独有的特征：其5端第一个碱基
5、对U有强烈的倾向性，而对G却有抗性，但第二到第四个碱基缺乏U，一般来讲，除第四个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏C miRNA执行一定的生物学功能： 对与其互补的mRNA表达水平具有调节作用； 一些偏大的miRNA可能参与了基因组的重组装（27nt）；miRNA的成熟 据体内外实验研究表明miRNA的生成至少需要两个步骤： 1）由长的内源性转录本（pri-miRNA)生成70nt左右的miRNA前体（pre-miRNA)，该过程发生在细胞核; 2)将pre-miRNA加工为成熟miRNA，该过程发生在细胞质中。Pre-miRNA Pre-miRNA 是由内源性基因间区或内含子的DNA反向重复序列
6、转录而来,它是一种长约70nt的非编码RNA, 具有发夹状结构。 Pre-miRNA在Dicer的作用下可被剪切成miRNA miRNA 只是pre-miRNA 发夹的一个分支miRNA与靶mRNA的作用模式： 1）二者不完全互补，即二者不完全时配对结合时，主要影响翻译过程而对mRNA的稳定性无任何影响。如线虫的lin-4 2）二者完全互补，即二者完全配对结合后，类似siRNA与靶mRNA的结合，特异性的切割mRNA。如miR39/miR171。miRNA与siRNA的作用机制miRNA与siRNA的区别： miRNA 产生： 细胞内RNA的固有组 分之一（正常）来源： 内源转录本直接来源：发
7、夹状pre-miRNA 结构： 单链互补性： 不完全互补，存在 错配现象对靶RNA特异性： 相对较低，一个 突变不影响miRNA的 的效应途径 ： miRNA途径对RNA的影响： 在RNA代谢的 各个 层面进行调控功能： 调节内源基因的表达 在蛋白质合成水平发挥作用， 与mRNA的稳定性无关 siRNA RNAi的活性形式，病毒感染和人工插入dsRNA之后诱导而产生（异常） 转基因或病毒（外源） 长dsRNA 双链，3端有2个非配对碱基， 通常为UU 完全互补 较高，一个突变即引起RNAi 沉默效应的改变 RNAi途径 降解靶mRNA 抑制转座子活性和病毒感染 在转录后水平发挥作用，影 响mR
8、NA的稳定性 长链非编码RNA(lncRNA) 是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。哺乳动物 基因组序列中4%9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%）。 lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。 近年来的研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程。但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。 根据lncRNA在基因
9、组上的位置，可将其分为5种类型：1. sense, 2. antisense, 3. bidirectional, 4. intronic, 5. intergenic。lncRNA主要可能具有以下几个方面的功能：1）通过在蛋白编码基因上游启动子区 发生转录，干扰下游基因的表达2）通过抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因 表达3）通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链，进而干扰mRNA的剪切，从而产生不同的剪切形式4）通过与 蛋白编码基因的转录本形成互补双链，进一步在Dicer酶作用下产生内源性的siRNA，调控基因的表达水平5）通过结合到特定蛋白质 上，lncR
10、NA转录本（绿）能够调节相应蛋白的活性6）作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体7）通过结合到特定蛋白上，改变该蛋白的胞质定 位8）作为小分子RNA，如miRNA，piRNA的前体分子转录 分泌酶能够产生淀 粉样蛋白，后者的累积是阿兹海默症的主要诱因。作为BACE1反义链的一个lncRNA，BACE1AS， S能够在各种外界压力刺激条件下，增加BACE1 mRNA的稳定性，从而导致更多的淀粉样蛋白累积，并促进BACE1AS的表达，这个正反馈循环将会加速阿 兹海默症的发展。当使用了特异性针对BACE1AS的siRNA降低BACE1AS的表达水平后，淀粉样蛋白的表达水平也同时下降了，这表明 BACE1AS是一个非常理想的治疗阿兹海默症的药物靶点。
