真核基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律(下)

1、第七章第七章 基因的表達(dá)與調(diào)控基因的表達(dá)與調(diào)控( (下下) ) 真核基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律真核基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律 真核生物的基因組 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp、染色質(zhì)、核膜、染色質(zhì)、核膜 單順反子單順反子 基因不連續(xù)性基因不連續(xù)性 斷裂基因（斷裂基因（interrupted gene）、）、內(nèi)含子內(nèi)含子(intron)、 外顯子外顯子(exon) 非編碼區(qū)較多非編碼區(qū)較多 多于編碼序列多于編碼序列(

2、9:1) 含有大量重復(fù)序列含有大量重復(fù)序列第一節(jié) 真核生物的基因組 基因組很小，大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡煉 存在轉(zhuǎn)錄單元多順反子原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 有重疊基因二、真核細(xì)胞與原核細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在以下幾個方面的差異 試說明真核細(xì)胞與原核細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄，翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在的主要差異，表現(xiàn)在哪些方面？ 武漢大學(xué)2003年分子生物學(xué)碩士入學(xué)試題 在真核細(xì)胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。 真核細(xì)胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，只有一小部分DNA是裸露的。 高等真核細(xì)胞DNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，

3、大部分真核細(xì)胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。 真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進(jìn)行DNA片段重排，還能在需要時增加細(xì)胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。 在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對較大，它在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對較大，它們可能遠(yuǎn)離啟動子達(dá)幾百個甚至上千個堿基對，這些們可能遠(yuǎn)離啟動子達(dá)幾百個甚至上千個堿基對，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5上游區(qū)上游區(qū)DNA構(gòu)型來影響它與構(gòu)型來影響它與RNA聚合酶的結(jié)合能力。聚合酶的結(jié)合能力。 在原核生物中，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟在原核生物中，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動子上游不遠(yuǎn)處，調(diào)控蛋白結(jié)合

4、到調(diào)節(jié)位點(diǎn)上可直接動子上游不遠(yuǎn)處，調(diào)控蛋白結(jié)合到調(diào)節(jié)位點(diǎn)上可直接促進(jìn)或抑制促進(jìn)或抑制RNA聚合酶與它的結(jié)合。聚合酶與它的結(jié)合。 真核生物的RNA在細(xì)胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)穿過核膜，到達(dá)細(xì)胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴(yán)格的空間間隔。 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。三、基本概念（一）基因家族（gene family)真核生物的基因組中有很多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，將這些基因稱為基因家族。 同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(gene cluster) 。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家

5、族1、簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯(lián)方式前后相連。The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit2、復(fù)雜多基因家族 復(fù)雜多基因家族一般由復(fù)雜多基因家族一般由幾個相關(guān)基因家族幾個相關(guān)基因家族構(gòu)成，基構(gòu)成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復(fù)雜多基因家族。位。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復(fù)雜多基因家族。 Organization of histone genes in the animal genome（二）斷裂基因 基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，為非編碼序

6、列所隔開，其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內(nèi)含子。外顯子(Exon) ：真核細(xì)胞基因DNA中的編碼序 列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進(jìn)而翻譯為蛋白質(zhì)。內(nèi)含子(Intron) ：真核細(xì)胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。 1、外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū) 指外顯子和內(nèi)含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征： 內(nèi)含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性 連接區(qū)序列很短，高度保守，是RNA剪接的信號序列 5GTAG 32、外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控 組成型剪接：一個基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA。 選擇性剪接：同一基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由于不同的剪接方式形成不同

7、mRNA。 PS 外顯子 S PL 外顯子 L 外顯子 2 外顯子 3 DNA 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初始轉(zhuǎn)錄本： 在唾腺中轉(zhuǎn)錄 成熟 mRNA： 1663nt 初始轉(zhuǎn)錄本： 在肝中轉(zhuǎn)錄 成熟 mRNA： 1773nt 圖 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同啟動子產(chǎn)生兩個不同的 mRNA(三)假基因是基因組中因突變而失活的基因，無蛋白質(zhì)產(chǎn)物。一般是啟動子出現(xiàn)問題。 真核生物的基因組 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第二節(jié)

8、 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)1、RNA聚合酶 2、多層次3、個體發(fā)育復(fù)雜4、活性染色體結(jié)構(gòu)變化：對核酸酶敏感 、DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化 、DNA堿基修飾變化 、組蛋白變化 5、正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)6、轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進(jìn)行 7、轉(zhuǎn)錄后修飾、加工 根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是一是瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種底對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時，及細(xì)胞周期不同階段中酶活性物或激素水平升降時，及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。和濃度的調(diào)節(jié)。二是

9、二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長、分化、發(fā)育的全部髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長、分化、發(fā)育的全部進(jìn)程。進(jìn)程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控控翻譯水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類： 真核生物的基因組 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第三節(jié) 真核生物DNA水

10、平上的基因表達(dá)調(diào)控基因丟失基因丟失基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增基因重排基因重排DNA甲基化狀態(tài)與調(diào)控甲基化狀態(tài)與調(diào)控染色體結(jié)構(gòu)與調(diào)控染色體結(jié)構(gòu)與調(diào)控抗體分子的形成抗體分子的形成Ti質(zhì)粒質(zhì)粒轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子一、基因丟失：一、基因丟失：在細(xì)胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些在細(xì)胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細(xì)胞常常丟失掉整條或部分的染色體，個體發(fā)育中，許多體細(xì)胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞一直保留著整套的只有將來分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些

11、細(xì)胞一直保留著整套的染色體。染色體。目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。似的基因丟失現(xiàn)象。二、基因擴(kuò)增：二、基因擴(kuò)增：基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾體細(xì)胞中如非洲爪蟾體細(xì)胞中rDNA的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴(kuò)增現(xiàn)象?，F(xiàn)的基因擴(kuò)增現(xiàn)象?；蚪M拷

12、貝數(shù)增加，即基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象。在植物中是非常普遍的現(xiàn)象。基因組拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成基因組拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進(jìn)化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。了加速基因進(jìn)化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的發(fā)育控制含量的發(fā)育控制 利用流式細(xì)胞儀對從擬南芥不同發(fā)育階利用流式細(xì)胞儀對從擬南芥不同發(fā)育階段的組織中分離到的間期細(xì)胞核進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多倍體的段的組織中分離到的間期細(xì)胞核進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成正比。對于一給定的

13、物種，含量與組織的成熟程度成正比。對于一給定的物種，C是單倍是單倍體基因組中的體基因組中的DNA質(zhì)量。質(zhì)量。 將一個基因從遠(yuǎn)離啟動子的地方移到距它很近的位將一個基因從遠(yuǎn)離啟動子的地方移到距它很近的位點(diǎn)從而啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為點(diǎn)從而啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為基因重排基因重排。 通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋免疫球蛋白白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。三、基因重排：三、基因重排：四、四、DNA的甲基化與基因調(diào)控：的甲基化與基因調(diào)控：1 1、DNADNA的甲基化的甲基化在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和G

14、ATC中 CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島 真核生物細(xì)胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：日常型甲基轉(zhuǎn)移酶 從頭合成型甲基轉(zhuǎn)移酶 2 2、DNADNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合效率。 五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控：五、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控：按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)色質(zhì)，所謂活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活，所謂活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄

15、活性的染色質(zhì)。性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)由于核小體構(gòu)型發(fā)生構(gòu)象的改變，往往具有疏活性染色質(zhì)由于核小體構(gòu)型發(fā)生構(gòu)象的改變，往往具有疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和合和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動。聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動?；钚匀旧|(zhì)真核細(xì)胞中真核細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是而不是裸露的裸露的DNA，因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)，即是否處于活化狀態(tài)是決定構(gòu)，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵。酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵。活性染

16、色質(zhì)的主要特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上：在結(jié)構(gòu)上：活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn)活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（MAR序列）二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)（一）一）RNA聚合酶聚合酶（二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化二）活性染色體結(jié)構(gòu)變化1. 對核酸酶敏感對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。白結(jié)合位點(diǎn)附近。2. DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向3. DNA堿基修飾變

17、化堿基修飾變化真核真核DNA約有約有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。4. 組蛋白變化組蛋白變化 富含富含Lys組蛋白水平降低組蛋白水平降低 H2A, H2B二聚體不穩(wěn)定性增加二聚體不穩(wěn)定性增加 組蛋白修飾組蛋白修飾 H3組蛋白巰基暴露組蛋白巰基暴露（三三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn)。每個活躍表達(dá)的基因都有一個或幾個超敏感位點(diǎn)，大部分位于基因5端啟動子區(qū)域。活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（ matrix

18、 attachment region ，MAR）。MAR一般位于DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達(dá)水平倍以10上，說明MAR在基因表達(dá)調(diào)控中有作用。是一種新的基因調(diào)控元件。 真核生物的基因組 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控 真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第四節(jié) 真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控一、真核基因轉(zhuǎn)錄（一）真核基因結(jié)構(gòu)“基因”的分子生物學(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。（二）順式作用元件定義：影響定義：影響自身基因自身基因表達(dá)活性的非編碼表

19、達(dá)活性的非編碼DNA序列。序列。 例：例： 啟動子、增強(qiáng)子、沉默子等啟動子、增強(qiáng)子、沉默子等（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子（2 2）增強(qiáng)子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明增強(qiáng)子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的顯增加的DNA序列。序列。 SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游約200 bp處有兩段長72 bp的正向重復(fù)序列。增強(qiáng)子特點(diǎn)： 增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍 增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)，不論增強(qiáng)子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強(qiáng)

20、效應(yīng)；大多為重復(fù)序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時所必需的； 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性，說明增強(qiáng)子只有與特定的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能； 沒有基因?qū)Ｒ恍裕梢栽诓煌幕蚪M合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)； 許多增強(qiáng)子還受外部信號的調(diào)控，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。增強(qiáng)子作用機(jī)理： （3）沉默子：某些基因含有負(fù)性調(diào)節(jié)元件沉默子，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（三）反式作用因子 1、定義：能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順定義：能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的率的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)。 TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）2、結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)