mRNA稳定性与基因表达教程文件
mRNA作为基因治疗
mRNA作为基因治疗：怎样控制蛋白质表达鞠俊0942043010生物技术基地班关键词：mRNA转运，脂质体，细胞核障碍，多聚腺嘌呤尾，mRNA 疫苗摘要：很多年来，在人们看来，在有效的基因治疗中，mRNA是不稳定的。
但在过去十年，几个研究团队面对挑战，不仅用令人惊奇的结果，即蛋白质的连续的高效表达证明了mRNA调节转染的可行性，而且证明比起质粒DNA有一些优势。
这些优势将在这篇综述中被提到。
在所有优势中，首先被强调的是，mRNA不需要穿过核膜去发挥它的生理作用；而且由于缺少了CpG岛的修饰，所以减少了细胞免疫反应。
另外，这篇综述还提到mRNA分子的稳定性，mRNA的修饰以增加它的半衰期以及外源mRNA被成功用作转染的必要性。
而且，这篇综述总结了用作mRNA转染的不同的技术和载体，主要有电打孔，基因枪注射和脂质体转染。
并且暗示，现在大多数的注意力集中在疫苗开发方面。
总之，这篇综述提供了一个广阔的视角，关于mRNA转染的主要的理论知识和实际操作以及它在科学研究中的可能性和缺陷简介:人们对mRNA代替质粒DNA在基因治疗中的兴趣，最近才有所增强。
很长一段时间，mRNA被认为是一种不稳定的分子。
在过去的二十年，mRNA转染的研究一直进行着。
研究组大部分运用非病毒的方式来完成转染，也有一些使用病毒载体的。
所有这些工作证明mRNA的不稳定性被过分估计了。
mRNA转染是一种可以取代质粒DNA的治疗方法。
mRNA进入细胞后，它的生命是有限的；由这个mRNA编码的蛋白质只是持续几天的时间。
显然，这限制了mRNA转染的实用性。
它不能被应用于遗传疾病的治疗，因为治疗需要持续的表达。
然而，当只需要短暂的蛋白表达量时，以mRNA为基础的基因治疗能够比质粒DNA 的使用更有效。
这种情况下，mRNA的转染不仅能完成所有的治疗要求，而且有超过质粒DNA的几个优势。
这里，我们将比较mRNA和质粒DNA，强调在非病毒途径中，外源mRNA转染有效性的保证以及讨论它的可能应用。
真核生物mRNA稳定性的控制机制
真核生物mRNA稳定性的控制机制韩 飞 王 高(海南大学生命科学与农学院,海南海口 570228)摘 要:真核生物mRNA的稳定性的调节是调节基因表达的主要机制之一。
调控mRNA的途径主要有4个:mRNA 自身的序列元件(5′-帽结构、5′-非翻译区、编码区、3′-非翻译区、poly(A)尾巴、5′-和3′-两末端的相互作用), mRNA结合蛋白(5′-帽结合蛋白、编码区结合蛋白、3′-UTR结合蛋白、poly(A)结合蛋白),mRNA的翻译产物(自主调控),核酸酶、病毒等因素对mRNA稳定性的控制。
关键词:mRNA序列;结合蛋白;翻译产物中图分类号 Q522 文献标识码 B 文章编号 1007-7731(2007)11-27-03Regul a ti on of eukaryote m RNA st ab ilityHan Fe iW ang Gao (life science and agriculture school Hainan university,Hainan Haikou570228)Abstract:The regulati on of eukaryote mRNA′s stabiluoy turnover is an i m portant deter m inant of levels of gene exp ressi on1 There are four main way t o regulati on of eukaryote mRNA′s stability:sequential ele ment of mRNA(5′-cap;5′-UTR; coding regi on;3′-UTR;poly(A)tail;reacti on of bet w een5′and3′);mRNA binding p r otein(5′Cap-B inding Pr otein; coding regi on p r otein;3′UTR-B inding Pr otein;poly(A)-B inding Pr otein);translati on p r oducti on of mRNA(I ndepend2 ently regulates);ribonuclease,virus and others fact or1Key words:sequential ele ment of eukaryote mRNA;binding p r otein;translati on p r oducti on 对于真核生物的mRNA来说,它的半衰期、丰度、基因表达与调控之间存在着非常重要的联系。
生物化学及分子生物学(人卫第九版)-16基因表达调控说课讲解
色氨酸操纵子的结构及其关闭机制
A.前导序列的结构特征；B.在Trp低浓度时，核糖体停滞在序列1上，2/3发卡结构形成，转录继续进行； C.在Trp高浓度时，3/4发卡结构和多聚U序列使得转录提前终止
3.转录衰减的机制 ①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子 部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行； ②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构 在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。
3.真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表 达调控的层次。
4.原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调 控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子 （monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的 协调表达。
1.原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的
2.操纵子（operon）：由结构基因、调控序列和调节基因组成 ①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结 构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长 链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称 为多顺反子（polycistron）mRNA。
5种E.coli 启动子的共有序列
b. 操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。 ③调节基因（regulatory gene）：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白
基因的表达机理
3.终止子(terminator)
常用大肠杆菌rRNA操纵子上的rrnT1T2 噬菌体上TΦ 4.衰减子(attenuator) 5.绝缘子(insulator) 6.反义子(antisense RNA)
第三节 外源基因表达系统
原核表达系统
真核表达系统
目前广泛应用的为原核系统特点
大肠杆菌、芽胞杆菌、链霉菌等
可直接表达具有完全生物功能的活性蛋白
哺乳动物表达载体 载体一般包含的元件 ①哺乳动物细胞中进行基因转录的元件
启动子、增强子、终止子、poly(A)信号、内含子剪切信号
②基因表达调控元件 ③细菌中进行复制和筛选的元件 ④筛选转化子的选择标记
常用筛选转化子的选择标记
哺乳动物常用表达载体
哺乳动物常用受体细胞
①单细胞、生长快、易控制 ②基因组结构简单 ③含质粒或噬菌体 ④生理代谢途经与基因表达调控比较清楚 ⑤不具备真核生物蛋白加工系统 ⑥内源蛋白酶会降解外源蛋白，表达产物不稳定
一.大肠杆菌表达系统 1.大肠杆菌表达载体 (1)复制子
高拷贝
低拷贝
pMB1、p15A、ColE1等
pSC101等
(2)启动子与终止子
主要存在于细胞质中，也存在于细胞周质
构成
主要为表达的外源蛋白，还有RNA聚合酶、核糖 核蛋白体等，此外还包括一些DNA、RNA、脂 多糖等非蛋白成分
包涵体的形成 ①折叠状态的蛋白聚集作用
高表达导致水难溶的折叠态蛋白分子间相互作
用而聚在一起
②非折叠态的蛋白聚集作用
在较高培养温度的细菌中，热稳定性差的蛋白 处于非折叠态，以二硫键等结合在一起
同于转录元，多编码框排列 同一编码框，多肽段排列
整合型外源蛋白
基因表达调控和稳定性的研究
基因表达调控和稳定性的研究基因表达调控是生命科学研究中的热点问题之一。
基因是生命活动的基础单位，基因的表达不仅决定了生物的形态和功能，还决定了生物在不同环境中的适应能力。
基因表达受到很多因素的影响，其中包括DNA序列、转录因子、表观遗传学修饰等。
而基因表达的稳定性则与基因调控的精度相关。
因此，对基因表达调控机制和稳定性的研究，是生命科学领域不可或缺的重要研究内容。
DNA序列对基因表达的调控具有决定性影响。
DNA序列上的某些区域可以被识别并结合特定的转录因子，以调节基因的转录水平。
这样的DNA序列称为启动子、增强子或抑制子。
例如，果蝇的EVE基因表达可以被与其启动子结合的转录因子Pax6所调节。
Pax6是果蝇胚胎中的一种转录因子，在果蝇神经系统和感觉器官的发育中发挥重要作用。
与此类似，人类胚胎干细胞分化为心肌细胞时，GATA4转录因子可以结合到肌肉特异性启动子区域，促进心肌细胞的分化。
这些研究表明，启动子、增强子和抑制子等DNA序列的分布和构成对基因表达的调控至关重要。
转录因子是基因表达调控的另外一个关键因素。
转录因子是可以识别和结合DNA序列的蛋白质，它们与DNA序列上的启动子、增强子或抑制子结合，调节基因的表达。
例如，酿酒酵母的STP1是一种转录因子，在酵母细胞感应环境胁迫时能调控一系列基因的表达。
另外，一些具有特异性结合序列的转录因子还能参与到信号转导通路中，例如细胞发育、分化、凋亡等。
转录因子的研究是研究基因表达调控机制的重要部分。
表观遗传学是研究基因表达调控的另外一个重要方向。
表观遗传学修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNAs等。
DNA甲基化可以影响基因转录和转录因子结合。
例如，在人类某些癌症细胞中，DNA甲基化的存在可以导致一些基因的失活，甚至影响其修饰的过程。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，调节着染色质的结构和功能。
非编码RNAs则是一种特殊的RNA分子，它们虽然不编码蛋白质，但是可以参与到基因表达调控中。
连接组蛋白mrna
连接组蛋白mrna连接组蛋白mRNA的复杂调控连接组蛋白mRNA的翻译在细胞核中进行，受转录后调控的复杂网络控制。
这些调控机制确保了连接组蛋白的时空表达模式，这是细胞周期进程和染色体功能的关键。
mRNA转录和加工连接组蛋白基因转录产生前体mRNA，随后经过剪接和多腺苷酸化等加工过程。
剪接调节是连接组蛋白mRNA调控的关键步骤，因为它产生不同的异构体，具有不同的功能和稳定性。
mRNA稳定性和降解连接组蛋白mRNA的稳定性由各种RNA结合蛋白（RBP）调控。
某些RBP，如HuR蛋白，稳定mRNA，延长其半衰期。
相反，其他RBP，如AUF1蛋白，促进mRNA降解。
mRNA翻译调控mRNA翻译是连接组蛋白表达的另一个主要调控点。
翻译起始因子（eIF）的可用性，特别是eIF4E，决定了mRNA的翻译效率。
eIF4E的活性受多种信号通路调控，包括mTOR信号通路。
胞内定位和锚定连接组蛋白mRNA在细胞核内的定位对于其局部翻译至关重要。
核定位序列（NLS）的存在有助于mRNA向核仁和核质的转运。
此外，连接组蛋白mRNA可以锚定在特定的核结构上，促进其与核糖体和其他翻译因子的接近。
转录因子调控转录因子通过与连接组蛋白基因的启动子和增强子结合来调节连接组蛋白mRNA的转录。
例如，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21可以上调连接组蛋白H1的转录。
表观遗传调控表观遗传标记，如DNA甲基化和组蛋白修饰，可以影响连接组蛋白基因的转录。
甲基化的DNA区域通常抑制基因表达，而乙酰化的组蛋白区域促进基因表达。
细胞周期调控连接组蛋白mRNA的表达受细胞周期的严格调控。
在不同细胞周期阶段，特定的连接组蛋白异构体表达以满足细胞增殖、染色体凝聚和染色质重塑的特定需要。
应激反应调控细胞应激，如DNA损伤和氧化应激，可以诱导连接组蛋白mRNA 的表达变化。
这些变化有助于维持染色体稳定性并保护细胞免受有害因素的侵害。
疾病中的连接组蛋白mRNA调控异常连接组蛋白mRNA调控的异常与各种疾病有关，包括癌症、神经退行性疾病和发育异常。
mrna lncrna基因表达调控原理
mrna lncrna基因表达调控原理mRNA和lncRNA是基因表达调控的重要角色。
下面是它们各自的基因表达调控原理：1. mRNA的基因表达调控原理：mRNA是蛋白质编码基因的转录产物。
mRNA的表达调控主要包括转录调控和转录后调控两个层次。
- 转录调控：转录调控主要通过调控转录因子的结合来控制基因转录活性。
转录因子是能够结合到DNA上启动子区域的蛋白质，它们能够激活或抑制基因的转录。
转录因子的结合能力受到多种因素的影响，如细胞内信号传导和环境因素等。
- 转录后调控：转录后调控指的是mRNA在转录过程后的调控过程，包括可变剪接、核糖体选择性和mRNA降解等。
可变剪接使得一个基因可以产生多个不同的转录本，从而扩展了基因的功能。
核糖体选择性是指选择性地翻译某些mRNA分子，使之产生蛋白质。
mRNA降解是指通过降低mRNA的稳定性来调控基因表达水平。
2. lncRNA的基因表达调控原理：lncRNA是长链非编码RNA，它们不被翻译成蛋白质，而是通过与DNA、RNA或蛋白质相互作用来调控基因表达。
- 转录调控：lncRNA可以作为转录因子来调控某些基因的转录活性。
它们可以与DNA相互作用并改变某些基因的表达水平。
- 转录后调控：lncRNA还可以通过与mRNA相互作用来调控转录后过程，包括可变剪接调控、mRNA稳定性调控和翻译调控等。
例如，某些lncRNA可以与mRNA形成RNA-RNA 复合物，从而影响可变剪接的进行。
此外，lncRNA还可以通过与蛋白质相互作用来调控基因表达，例如某些lncRNA可以与转录因子或翻译因子相互作用，从而影响基因的转录和翻译过程。
总之，mRNA和lncRNA通过转录调控和转录后调控等多种机制来调控基因表达。
它们的作用可以是促进基因表达，也可以是抑制基因表达。
mRNA稳定性与基因表达
二、原核生物中mRNA稳定性与基因表达
Csr AB是大肠杆菌中的一个调节系统，CsrA是 一个RNA结合蛋白，CsrB是一个非编码RNA分子。 一般条件下CsrA结合到CsrB分子上，调控表达 时，CsrA从CsrB上脱落，结合在受调控的mRNA 分子上，通过改变mRNA的二级结构，使得其变 成易受核酸酶攻击的不稳定构象，最终被降解。 静止期细菌细胞糖原的储存和生长期糖酵解途 径消耗糖原的平衡便是由Csr AB系统调节。
而mRNA分子降解的可能性主要取决于他们的二 级结构。
inhibit
DNA
feedback
RNA聚合酶/转 录复合物
识别蛋白
protein
inhibit
mRNA
RNase/ PNPase/ RNA helicase
mRNA degradation
Figure1 mRNA稳定性调节模型图
PNPase： exonuclease polynucleotide phosphorylase
铁浓较低
不能起始翻译
稳定性高 不降解
铁浓度较高 起始翻译 稳定性低 降解
csrA-csrB 复合体
glg mRNA
csrA
核酸酶
glg mRNA降解
glg mRNA不能作为模版翻译
三、真核生物中mRNA稳定性与基因表达
真核生物中，转铁蛋白受体（TfR）负责铁摄取， 铁蛋白负责铁解毒。在转铁蛋白受体和铁蛋白 mRNA上存在相似的铁应答元件（iron responsive element，IRE），IRE与IRE结合蛋 白（IRP）之间的相互作用控制了两个mRNA的翻 译效率。 其中，铁蛋白中，IRE和IRP的相互作用促使 mRNA构象改变，无法起始铁蛋白mRNA的翻译。 在转铁蛋白受体中，IRE和IRP的相互作用使得 mRNA变得更加的稳定，不易受到细胞中核酸酶 的攻击，可以稳定的翻译出新的蛋白质。
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mRNA degradation
Figure1 mRNA稳定性调节模型图
PNPase： exonuclease polynucleotide phosphorylase
二、原核生物中mRNA稳定性与基因表达
Csr AB是大肠杆菌中的一个调节系统，CsrA是 一个RNA结合蛋白，CsrB是一个非编码RNA分 子。一般条件下CsrA结合到CsrB分子上，调控 表达时，CsrA从CsrB上脱落，结合在受调控的 mRNA分子上，通过改变mRNA的二级结构， 使得其变成易受核酸酶攻击的不稳定构象，最 终被降解。
mRNA稳定性的调节主要通过各种识别蛋白 （确定mRNA是否需要调节的蛋白）和核酸酶 降解来进行调节。
而mRNA分子降解的可能性主要取决于他们的 二级结构。
inhibit DNA
feedback
protein
mRNA
inhibit
RNA聚合酶/转 录复合物
识别蛋白
RNase/ PNPase/ RNA helicase
铁浓度较低 不能起始翻译
铁浓度较高
起始翻译
稳定性高 不降解
稳定性低 降解
静止期细菌细胞糖原的储存和生长期糖酵解途 径消耗糖原的平衡便是由Csr AB系统调节。
csrA-csrB 复合体
csrA
glg mRNA
核酸酶
glg mRNA降解
glg mRNA不能作为模版翻译
三、真核生物中mRNA稳定性与基因表达
真核生物中，转铁蛋白受体（TfR）负责铁摄取， 铁蛋白负责铁解毒。在转铁蛋白受体和铁蛋白 mRNA上存在相似的铁应答元件（iron responsive element，IRE），IRE与IRE结合蛋 白（IRP）之间的相互作用控制了两个mRNA的 翻译效率。 其中，铁蛋白中，IRE和IRP的相互作用促使 mRNA构象改变，无法起始铁蛋白mRNA的翻 译。 在转铁蛋白受体中，IRE和IRP的相互作用使得 mRNA变得更加的稳定，不易受到细胞中核酸 酶的攻击，可以稳定的翻译出新的蛋白质。
mRNA稳定性与基因 表达调控
黄杰
目录
一、mRNA稳定性 二、原核生物中mRNA稳定性与基因表达 三、真核生物中mRNA稳定性与基因表达
一、mRNA稳定性
mRNA稳定性（mRNA stability）：在基因 转录和翻译过程中所需要的mRNA在合成和降解 水平的一个平衡状态。也指某个基因mRNA在 转录和翻译过程中保持活性结构的能力。