基因表達(dá)的概念及特點(diǎn)

基因表達(dá)的概念及特點(diǎn)第1頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因表達(dá)的概念及特點(diǎn)概念：基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。真核生物表達(dá)調(diào)控與原核生物的不同：（1）染色體結(jié)構(gòu)不同；（2）原核生物具有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控并重的特點(diǎn)，真核生物目前已知的主要是正調(diào)控；（3）原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯是相偶聯(lián)的，真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)空上是分開(kāi)的；（4）多細(xì)胞的真核生物，在其個(gè)體發(fā)育過(guò)程中它們的基因表達(dá)在時(shí)間和空間上具有特異性，即細(xì)胞特異性或組織特異性表達(dá)。第2頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)基因表達(dá)的時(shí)、空特異性

時(shí)間特異性（temporalspecificity，階段特異性stagespecificity）：按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱(chēng)階段特異性

空間特異性（specialspecificity，細(xì)胞或組織特異性tissuespecificity）：在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物按不同組織空間順序出現(xiàn)。第3頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層次調(diào)控

DNA①轉(zhuǎn)錄調(diào)控

hnRNA②加工調(diào)控

mRNA③轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控

mRNA④⑤mRNA降解調(diào)控

蛋白質(zhì)失活mRNA⑥蛋白質(zhì)活性調(diào)控翻譯調(diào)控活性蛋白質(zhì)細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)第4頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四真核生物基因表達(dá)調(diào)控染色體水平的調(diào)控DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控第5頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一染色體水平的調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)是核小體。在細(xì)胞中的狀態(tài)：（1）緊密壓縮（2）被阻遏狀態(tài)（3）有活性狀態(tài)（4）被激活狀態(tài)異染色質(zhì)化第6頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第7頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四組蛋白對(duì)基因活性的影響占先模型（pre-emptivemodel）:認(rèn)為基因能否轉(zhuǎn)錄取決于特定位置上組蛋白和轉(zhuǎn)錄因子之間的不可逆競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合。轉(zhuǎn)錄因子先結(jié)合在DNA的特定位點(diǎn)上，基因正常轉(zhuǎn)錄；反之，組蛋白先與DNA的特定位點(diǎn)結(jié)合，則形成核小體，轉(zhuǎn)錄停止。(2)動(dòng)態(tài)模型（dynamicmodel）：認(rèn)為轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白處于動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)之中，基因轉(zhuǎn)錄前染色質(zhì)必須經(jīng)歷結(jié)構(gòu)上的改變，即染色質(zhì)重塑。在染色質(zhì)重塑過(guò)程中，某些轉(zhuǎn)錄因子可以在結(jié)合DNA的同時(shí)使核小體解體。第8頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四組蛋白的乙酰化-去乙?；?/p>

蛋白的乙?；腿ヒ阴；堑鞍谆钚哉{(diào)節(jié)的一種重要的形式，通過(guò)乙?；蛉ヒ阴；淖兞巳旧|(zhì)結(jié)構(gòu)或是轉(zhuǎn)錄因子的活性，可以調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的活性。組蛋白的乙?；腿ヒ阴；艽蜷_(kāi)或關(guān)閉某些基因，增強(qiáng)或抑制某些基因的表達(dá)。組蛋白的8個(gè)亞基上有32個(gè)潛在的乙?；稽c(diǎn)。第9頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）組蛋白乙?；瘜?dǎo)致組蛋白表面正電荷減少，組蛋白與DNA結(jié)合能力下降，引起核小體解聚并阻止核小體裝配，使得染色體處于松弛狀態(tài)，從而使轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶順利結(jié)合在DNA上，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；（2）組蛋白乙?；窃S多轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白相互作用的一種“識(shí)別信號(hào)”，如H4組蛋白的乙?；饔脜⑴c了指示和吸引TFIID到相應(yīng)的啟動(dòng)子上，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的裝配；（3）細(xì)胞分裂期，組蛋白乙?；瘏⑴c細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的調(diào)控；（4）組蛋白去乙?；鸹蚓S持基因沉默。組蛋白乙?；?去乙?；纳锕δ艿?0頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四非組蛋白（NHP)

非組蛋白大多數(shù)是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修飾的方式調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)、增殖和變異等，并能在核內(nèi)接受外來(lái)信號(hào)，構(gòu)成核內(nèi)信息轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，形成一條調(diào)節(jié)基因表達(dá)的重要途徑。第11頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四核基質(zhì)(nucleamatrix)◆特點(diǎn)：（1）限定DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)域的大??；（2）各種核基質(zhì)蛋白之間相互作用，控制染色體組裝的程度，調(diào)節(jié)DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄；（3）可能存在著基因的某種增強(qiáng)元件；（4）可能有DNA復(fù)制的起始位點(diǎn)◆定義：核基質(zhì)是由3-30nm的微纖絲構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀骨架蛋白，主要成分包括DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶、核基質(zhì)蛋白以及多種DNA結(jié)合蛋白，并含有少量RNA。第12頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四染色質(zhì)丟失基因擴(kuò)增基因重排其他染色體水平上的基因表達(dá)調(diào)控方式第13頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四染色質(zhì)丟失典例：馬蛔蟲(chóng)不帶著絲粒的片段在子代中將丟失體細(xì)胞染色體斷裂生殖細(xì)胞染色體不斷裂染色質(zhì)丟失：是細(xì)胞分化過(guò)程中，消除某個(gè)基因活性的方式之一,就是從細(xì)胞中除去這個(gè)基因。某些原生動(dòng)物、昆蟲(chóng)及甲殼綱動(dòng)物細(xì)胞分化過(guò)程中就會(huì)有部分染色體丟失。受精卵2第14頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因擴(kuò)增時(shí)期rDNA

核仁數(shù)卵母細(xì)胞約500拷貝單個(gè)減數(shù)分裂前期I數(shù)量猛增數(shù)百減數(shù)分裂雙線(xiàn)期約200萬(wàn)拷貝很多典例：非洲爪蟾蜍基因擴(kuò)增：是指某些基因的拷貝數(shù)特異性增加的現(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(mǎn)足生長(zhǎng)發(fā)育的需要。第15頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因重排典例：哺乳動(dòng)物免疫球蛋白免疫球蛋白基因定位基因重排：基因組中不同位置的DNA可以通過(guò)剪接重組而連接在一起，產(chǎn)生具有新功能的基因。第16頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因重排人Ig基因結(jié)構(gòu)注：（1）L：先導(dǎo)序列基因片段V：可變區(qū)基因片段D：多樣性區(qū)基因片段J：連接區(qū)基因片段C：恒定區(qū)基因片*：假基因

（2）內(nèi)含子區(qū)域所標(biāo)數(shù)字表示DNA長(zhǎng)度（kb)

（3）每個(gè)CH基因用一個(gè)方框表示，實(shí)際上包括幾個(gè)外顯子第17頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二DNA水平上的調(diào)控DNA甲基化（DNAMethylation)

哺乳動(dòng)物基因中的5‘--CG--3’序列中C—5的甲基化稱(chēng)為CpG甲基化。5‘--CG--3’序列是使處于表達(dá)狀態(tài)的基因位點(diǎn)處的染色體保持適當(dāng)包裝水平的重要化學(xué)修飾序列。當(dāng)基因序列中的CpG密度達(dá)到10/100bp時(shí)稱(chēng)為CpG島。圖：持家基因的CpG島及其啟動(dòng)子第18頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制甲基化(methylated)程度高，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄抑制的調(diào)控能力越強(qiáng)。去甲基化(undermethylated)：基因轉(zhuǎn)錄激活第19頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雌性胎生哺乳動(dòng)物細(xì)胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機(jī)失活（異染色質(zhì)化）；異染色質(zhì)中的CpG被高度甲基化，基因不轉(zhuǎn)錄。DNA甲基化與X染色體失活第20頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四甲基化以?xún)煞N方式調(diào)控基因的表達(dá)（1）甲基化增強(qiáng)或減弱DNA與調(diào)節(jié)蛋白之間的相互作用；（2）甲基化改變DNA的正常構(gòu)型。第21頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

順式作用元件(cis-actingelement）反式作用因子(trans-actingFactor)第22頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件是指具有調(diào)節(jié)功能的特定DNA序列或影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列，在基因的同一條DNA分子上；順式作用元件類(lèi)型：（1）啟動(dòng)子(promoter):3種類(lèi)型；（2）增強(qiáng)子(enhancer)：（3）沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用。（4）絕緣子(insulator,boundaryelement):在真核基因及其調(diào)控區(qū)的一段DNA序列。順式作用元件第23頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件啟動(dòng)子真核生物的啟動(dòng)子分為3類(lèi)，分別被三類(lèi)RNA聚合酶所識(shí)別I類(lèi)啟動(dòng)子II類(lèi)啟動(dòng)子III類(lèi)啟動(dòng)子第24頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四hnRNA是mRNA的前體，snRNA參與hnRNA到mRNA的過(guò)程第25頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件核心啟動(dòng)子上游元件TATA框起始密碼(Inr)下游啟動(dòng)元件(DPE)TFIIB識(shí)別元件(BRE)II類(lèi)啟動(dòng)子第26頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件I類(lèi)啟動(dòng)子：不同物種之間，I類(lèi)啟動(dòng)子的序列不保守，但其基本結(jié)構(gòu)是很保守的。I類(lèi)啟動(dòng)子包括兩個(gè)部分：圍繞轉(zhuǎn)錄起始為點(diǎn)的核心元件和-100bp處的上游調(diào)控元件第27頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件III類(lèi)啟動(dòng)子位于基因的內(nèi)部第28頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四增強(qiáng)子Enhancer

在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（上游或下游）的一段可增強(qiáng)啟動(dòng)子活性的調(diào)控元件，大小為100-200bp。最初在DNA病毒SV40的基因組中發(fā)現(xiàn)。特性：（1）加強(qiáng)相連基因從正確起始位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄活性（2）增強(qiáng)子無(wú)論是在下游或在上游均可激活轉(zhuǎn)錄（3）無(wú)論是在下游或在上游，可在遠(yuǎn)離起始位點(diǎn)1Kb以上發(fā)揮作用（4）兩個(gè)啟動(dòng)子串聯(lián)在一起時(shí)，增強(qiáng)子優(yōu)先激活距離最近的那一個(gè)順式作用元件第29頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四增強(qiáng)子核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)順式作用元件第30頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四增強(qiáng)子的作用機(jī)理：（1）為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)的位點(diǎn)（2）改變?nèi)旧w的構(gòu)像沉默子(silencer)：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用。絕緣子(insulator,boundaryelement):

在真核基因及其調(diào)控區(qū)的一段DNA序列。功能是阻止激活或阻遏作用在染色質(zhì)上的傳遞，使染色質(zhì)的活性限定于結(jié)構(gòu)域之內(nèi)。順式作用元件第31頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四反式作用因子反式作用因子：能夠識(shí)別DNA上的順式作用元件并與之結(jié)合的蛋白質(zhì)因子或復(fù)合物?！敉ㄓ没蚧巨D(zhuǎn)錄因子—RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子。如：TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等?！籼禺愞D(zhuǎn)錄因子(specialtranscriptionfactors)—個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子.如：OCT-2：在淋巴細(xì)胞中特異性表達(dá)，識(shí)別Ig基因的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子。第32頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控需要順～反因子、蛋白質(zhì)之間的相互作用第33頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件與反式作用因子的相互作用1調(diào)控蛋白以多聚體（2,4）結(jié)合轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控第34頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控順式元件與反式作用因子的相互作用2cis-factor互作

Loopinghypothesis：位于2個(gè)不同的DNA結(jié)合位點(diǎn)上的2個(gè)蛋白質(zhì)，可以通過(guò)2個(gè)結(jié)合位點(diǎn)之間的DNA形成loop得以相互作用，影響基因轉(zhuǎn)錄第35頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順式作用元件和反式作用元件之間的相互作用第36頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

RNA剪接第37頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人Ig基因結(jié)構(gòu)注：（1）L：先導(dǎo)序列基因片段V：可變區(qū)基因片段D：多樣性區(qū)基因片段J：連接區(qū)基因片段C：恒定區(qū)基因片*：假基因

（2）內(nèi)含子區(qū)域所標(biāo)數(shù)字表示DNA長(zhǎng)度（kb)

（3）每個(gè)CH基因用一個(gè)方框表示，實(shí)際上包括幾個(gè)外顯子四真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

第38頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四帽子結(jié)構(gòu)

7-methylguanosine(m7G)第39頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5’端帽子至少有以下四項(xiàng)功能

(1)防止mRNA降解;(2)加強(qiáng)mRNA’s翻譯的能力;(3)與mRNA運(yùn)輸?shù)胶送庥嘘P(guān);(4)與pre-mRNA的正確剪接有關(guān).四真核基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

第40頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四增強(qiáng)mRNA的壽命和翻譯能力（二者相互影響）5’帽子和poly(A)尾都對(duì)RNA的剪接有影響Poly(A)尾的功能第41頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五翻譯水平的調(diào)控5’端UTR(非翻譯區(qū)）結(jié)構(gòu)與翻譯起始的調(diào)節(jié)5‘帽子結(jié)構(gòu)的甲基化：1）保護(hù)mRNA免遭5’外切酶的降解。2）為mRNA的從核中輸出提供轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)。3）提高翻譯模板的穩(wěn)定性和翻譯效率。翻譯起始因子的調(diào)控：eIF-2-4F的磷酸化能提高翻譯速度eIF-2α的磷酸化能抑制翻譯起始第42頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3‘UTR（非翻譯區(qū)）結(jié)構(gòu)與mRNA穩(wěn)定性多聚腺苷酸尾的調(diào)節(jié)作用polyA尾巴的功能：1）穩(wěn)定mRNA分子，抵抗3’-端外切酶攻擊的作用。2）有助于細(xì)胞質(zhì)中