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1、第七章 基因表达的调控第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军2真核生物基因表达调控特点（真核生物基因表达调控特点（1 1）1.高等真核生物的基因组远比细菌的基因组 大得多，因此包括的DNA和遗传信息也多得 多。u例如，根据已测定的基因组全部序列，大肠杆菌 有4.610 6 bp，可编码4288个基因，每个基因 含有约1100bp。在高等植物中，据对拟南芥菜第 4染色体长臂的一段长为1.910 6 bp的DNA片段 全序列测定，这段DNA可编码389个基因，每个 基因有4800bp。2.高等生物基因组中有很多重复序列。u人类基因组有310 9
2、 bp，但编码蛋白质的基因约 为3.5万个。其余的都是重复序列。很多重复序列 与调控作用有关。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军3真核生物基因表达调控特点（真核生物基因表达调控特点（2 2）3.真核生物的DNA与组蛋白等结合形成色质， 染色质结构的变化可以调控基因表达。u真核生物基因表达分散在整个基因组的各个染色 体上，而不象细菌那样全部基因串在一起。所以 真核生物不仅存在同一染色体上不同基因间的调 控问题，而且还存在不同染色体之间的基因调控 问题。 4.在真核生物中，基因的差别表达是细胞分化 和功能的核心。u真核细胞具有选择性地激活和抑制基因表达的机 制。如果基因在错误的时间或细
3、胞中表达，或过 量地表达，都会破坏细胞的正常代谢，甚至导致 细胞死亡。 第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军4真核生物基因表达调控特点（真核生物基因表达调控特点（3 3）5.真核生物细胞的转录和翻译在时间和空间上 都不相同，转录在细胞核中，翻译在细胞质 中。 6.不同生物和细胞可能具有不同的基因表达机 制。 u真核生物基因表达的调控可以发生在DNA水平、 转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的 修饰等多种不同层次。但是，最主要的调控环节 仍然发生在转录水平。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军5真核生物与原核生物的基因调控差异原核生物真核生物操纵子调控多样化调控，更为复
4、杂基因组小，如大肠杆菌：总长 4.6x106bp，编码4288个基因，平均每 个基因1100bp基因组大，人类基因组全长3x109bp， 编码约5万个基因，大多为重复序列基因分布在同一染色体上DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的 变化调控基因表达；基因分布在不同的 染色体上，存在不同染色体之间基因的 调控适应外界环境，由操作单元调控表达基因差别表达是细胞分化和功能的核心转录和翻译同时进行，大部分为转录水 平调控转录和翻译在时间和空间上均不同，从 DNA到蛋白质的各层次上都有调控第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军6DNA扩增重排丢失转录初始转录物 加工RNA转运翻译成熟蛋白质核苷酸降
5、解多肽前身物加工（内切、-SS-形成） 修饰（磷酸化、乙酰化、甲酰化） 加入（糖基、脂质）短肽 氨基酸执行功能降解转录前调控 转录调控 转录后调控 翻译调控 翻译后调控 （内切、加头、 甲基化、氧化）真核基因表达的调控点真核基因表达的调控点第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军7一、染色体重排的调控一、染色体重排的调控u原核生物：Mu噬菌体的G片段的倒位与 沙门氏菌鞭毛相的转变。u真核生物：更为复杂例如：酿酒酵母第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军8u真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这 种重排是由特定基因组的遗传信息决定的；u重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成蛋白
6、 质，在真核生物细胞生长发育中起关键作用；u因此，尽管基因组中的DNA序列重排并不是一 种普通方式，但它是有些基因调控的重要机制 。 第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军9（一）酵母接合型的转变（一）酵母接合型的转变u酿酒酵母u啤酒酵母(Saccharomycescerivisiae)虽然是单细 胞微生物，但具有作为 真核生物的基本结构与 功能，有明确的生活史 ，世代时间短。一个细 胞保持一个核，能十分 容易地自单倍体或二倍 体的营养细胞育种为多 倍体细胞。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军101. 1. 酿酒酵母生活史酿酒酵母生活史u包括有性生殖和无性 生殖。u有性生殖
7、的过程都需 要不同接合型（a/a ）的细胞相互接合才 能产生二倍体的合子 。u相同接合型之间不能 接合。u/a细胞能形成 孢子，而单倍体 细胞是不能形成 孢子。营养体营养体第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军11a a外激素（外激素（a a因子）与因子）与a a外激素（外激素（ a a因子）因子）u不同接合型细胞之间的识别是由分泌的外激素 （pheromones）决定的。u细胞分泌小分子的多肽，因子；ua细胞分泌a因子u不同接合型细胞表达的受体也不同：u细胞表达a因子受体ua细胞表达因子受体第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军12u一种接合型的细胞带有另一种接合型外激素的表
8、面受 体。当两种不同交配型细胞相遇时，它们的外激素与 对方的受体相互作用，使细胞周期停止在GI期，并发 生各种形态学变化。包括产生胶着。在有效地接合中 细胞和核得以融合，产生一个/a二倍体细胞 第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军13接合型控制的细胞特性接合型控制的细胞特性接合型控制的细胞特性基因型MATaMATMATa/ MAT细胞型aa/ 交配是是不 孢子形成不不可 外激素a因子因子无 表面受体结合因子结合a因子无/a/a细胞带有细胞带有MATMAT和和MATaMATa等位基因，并具有和单倍体细等位基因，并具有和单倍体细 胞不同的特点胞不同的特点第七章 基因表达的调控*微生物与生
9、化制药 杜军142. 2. 接合型转变模型接合型转变模型u接合酵母存在接合型转变的现象：u即a菌株中会出现a细胞，而a菌株中会出现 a细胞。u这种转变是由MAT基因表达形式改变决 定的。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军15接合型的转变模型接合型的转变模型？为什么原本是单倍体的细胞群会出现双倍体， 并形成孢子？第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军16接合型转换的基础接合型转换的基础u这种接合型转换的基础是遗传物质的重排。u控制交配型的MAT基因位于酵母菌第三染色体 上，MATa和MAT互为等位基因。u含有MATa单倍体细胞具有a交配型。具有MAT 基因型的细胞为交配型。u
10、MAT位点的两端，还有类似MAT基因的HMLa 和HMRa基因，他们分别位于第III染色体左臂 和右臂上。MATHMLaHMRaIII染色体第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军17筋斗模型筋斗模型uHMLa和HMRa之间存在一个包括启动 子和MAT基因在内的可倒立的序列。u当启动子与HMLa接近，则HMLa基因表 达，细胞成为a细胞。反之亦然。MATHMLaHMRaaa第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军18暗盒模型暗盒模型u位于HMLa和HMRa 的基因不能表达沉 默暗盒；u位于MAT的基因可 以表达活性暗盒；u一旦沉默暗盒的信息 被装进活性暗盒便能 表达，并取代原有的
11、基因产生接合型的 转变。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军19接合型的转变接合型的转变u在MAT座位上出现 HMLa或HMRa时， 原来位置上的HMLa 或MHRa并不消失；u这种接合型转变的机 制类似于转座子的转 座。aaaaaaaaaaaaaHMLaHMRa沉默暗盒 活性暗盒沉默暗盒第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军20HOHO内切核酸酶内切核酸酶(HO endonuclease)(HO endonuclease)u接合型转换是由 HO内 切核酸酶(HO endonuclease)的作用介 导的。 u这个内切酶将MATa基因 内的一段24bp的双链 DNA切开，产生
12、一段突 出的3单链尾端序列4个 碱基的单链末端。 第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军21重组整合重组整合uMATa基因用这一段单链 系列插入到MAT基因 的同源序列中，以 HML序列为模板，合 成一段新的HML基因 序列，再通过重组使 HML整合到MATa序 列中，导致基因转换， 由MATa转换成MAT 。aa第七章 基因表达的调控二、染色质水平的调控二、染色质水平的调控第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军23二、染色质水平的调控二、染色质水平的调控u真核细胞中基因转录的模板是染色质而 不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或 紧密结构，即是否处于活化状态是决定 RNA聚合酶
13、能否有效行使转录功能的关 键。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军24（一）（一） 活性染色质活性染色质u按功能状态的不同可将染色质分为活性 染色质和非活性染色质，所谓活性染色 质是指具有转录活性的染色质；非活性 染色质是指没有转录活性的染色质。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军251. 1. 染色质活性状态染色质活性状态u活性染色质由于核小体构型发生构象改 变，往往具有疏松的染色质结构u便于转录调控因子与顺式调控元件结合 和RNA聚合酶在转录模板上滑动。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军262. 2. 活性染色质中的活性染色质中的DNADNAu转录活性高的区
14、域呈现伸展蓬松的状态 ；uDNA拓扑结构变化u天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军273. 3. 活性染色质的结构特征活性染色质的结构特征u由于核小体的构象和组分发生明显的变 化：u对DNase I呈现敏感性u组蛋白H1含量减少u核心组蛋白乙酰化程度高uH2A-H2B二聚体不稳定第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军28（1 1）核小体结构变化对基因表达的影响）核小体结构变化对基因表达的影响u核小体是染色质的基本结构单位。目前已有许 多实验均证明，核小体在基因表达中起作重要 的作用。u一般来说，核小体
15、覆盖了整个染色质；u但是核小体的分布并不是随机的、均匀的。在 染色质上核小体的定位与DNA分子同组蛋白的 相互作用，以及各种蛋白因子的影响等有关。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军29核小体核小体200bp第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军30核小体构型核小体构型 发生构象改发生构象改 变的证据变的证据转录前后核小 体形成的位点 发生了改变第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军31（2 2）DNaseDNase的敏感性和基因表达的敏感性和基因表达 u当一个基因成为转录活性状态时，含有这个基因的染 色质区域对DNase（一种内切酶）降解的敏感性要 比无转录活性区域
16、高得多。这是由于此区域染色质的 DNA蛋白质结构变得松散，DNase易于接触到DNA 之故。 DNase对Dnase高敏感点组蛋白核心第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军32DNaseDNase敏感区域敏感区域u只有在活跃表达的组织中的基因才显示对 DNase降解的敏感性；u在某组织中，具有转录潜能的基因区域才能出 现对DNase降解的敏感性；u同一区域对DNase降解的敏感性不同，基因 编码区敏感性一般，而调控区域高度敏感-超 敏感区域。第七章 基因表达的调控*微生物与生化制药 杜军33（二）组蛋白的修饰（二）组蛋白的修饰u各种真核生物中的组蛋白极端保守，其氨基酸 顺序、结构和功能都十分相似；u组蛋白仍可被修饰，如甲基化，乙酰基化和磷 酸化；u组蛋白被修饰，使其和DNA的结合由紧变松， 这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节蛋白相互 作用。因此
