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1、第11章 真核生物的基因表达调控目录1 真核生物的基因组 2 真核生物基因表达调控的特点和种类 3 染色体和DNA水平的调控 4 转录水平的调控 5 转录后水平的调控 6 翻译水平调控 7 翻译后水平调控内容介绍内容介绍一、真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列第一节 真核生物的基因组 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元多顺反子原核生物基因组结构特点 有重叠基因二、真核细胞与原
2、核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异 试说明真核细胞与原核细胞在基因转录，翻译及DNA的空间结构方面存在的主要差异，表现在哪些方面？ 武汉大学2003年分子生物学硕士入学试题 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译 出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多 基因操纵子形式。 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结 合，只有一小部分DNA是裸露的。 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部 分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进 行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因 的拷贝数。 在真核生物中，基
3、因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些 调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接 促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质。三、基本概念（一）基因家族（gene family)真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些
4、基因称为基因家族。 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为 一个基因簇(gene cluster) 。如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都 属于基因家族1、简单多基因家族 简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit2、复杂多基因家族复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。 Organization of histone genes in the animal genome（二）断裂基因基因的编码序列在DN
5、A分子上是不连续的，为非编码序列所隔开，其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。外显子(Exon) ：真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子(Intron) ：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。 1、外显子与内含子的连接区指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个 重要特征： 内含子的两端序列之间没有广泛的同源性 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列5GTAG 32、外显子与内含子的可变调控 组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的mRNA。 选择性剪接：同一基因的转录产物
6、由于不同的剪接方式形成不同mRNA。选择性剪接(三)假基因（pseudogene）是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。第二节 真核生物基因表达调控的特点和种类一、真核生物基因表达调控的特点1、RNA聚合酶 2、多层次3、个体发育复杂4、活性染色体结构变化：对核酸酶敏感 、DNA拓扑结构变化 、DNA碱基修饰变化 、组蛋白变化 5、正调节占主导6、转录与翻译间隔进行 7、转录后修饰、加工 二. 真核生物基因表达调控的不同层次 翻译调节真核染色质体（DNA）转录前调节转录初级产物RNA（ProRNA）hnRNA转录后加工的调节转运调节mRNAmRNA降解的调控mRNA
7、降解物多肽链翻译后加工及蛋白质活性控制活性蛋白失活蛋白转录调节核细胞质根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞 对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底 物或激素水平升降，及细胞周期不同阶段中酶活性和 浓度的调节。二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精 髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部 进程。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调 控翻译水平调控翻译后水平的调控三、真核生物基因表达调控的种类：第三节 真核生物DNA水平上的基因表达调控 基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化状态与调控染色体结
8、构与调控一、基因丢失：在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27DNA丢失。小麦瘿蚊（染色丢失了32条，只保留8条） 在一些肿瘤的发生中，因为一些正常基因片断的丢失，导致原癌基因的异常活化，引发恶性细胞过度增生。二、基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。实例两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增非
9、洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18Sr RNA和28S rRNA的DNA，在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了4000倍。可用于合成1012个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶 段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的DNA 含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍 体基因组中的DNA质量。 将一个基因从
10、远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。 通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。三、基因重排：四、DNA的甲基化与基因调控：1、DNA的甲基化 5-甲基胞嘧 啶（5-mC） 和 少量N6-甲基 腺嘌呤（N6- mA）及 7-甲基鸟嘌 呤（7-mG）HpaHpa只能切非甲基化 的CCGG，所以只有一个 切点，产生两条带；Msp可以切甲基化和 未甲基化的CCGG，因此 有两个切点，产生3条 电泳带。DNA甲基化检测在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列 、CpXpG中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，形成CpG岛 哺乳动物基因
11、组中，富含未甲 基化的CpG的区域，通常长 12kb，称为CpG岛。 位于组成型表达基因的启动子 附近的CpG岛通常未甲基化 偶尔在一些组织特异性表达的 基因的启动子附近也能发现 CpG岛 人类基因组中约有29,000个 CpG岛 CpG岛的甲基化可抑制启动子 的活性。 蛋白质结合到甲基化的CpG后 基因表达就会受到抑制。富含CpG岛的区域，其密 度甚至可达到10/100 bp。 图中每个垂直线代表一个 CpG doublet.真核生物中的CpGCpG岛与甲基化岛与甲基化真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：维持性甲基化酶在DNA复制时, 可识别新合成的半甲基化双链, 并将甲基加到新链的非甲基化
12、胞嘧啶上; 构建性甲基化酶不需要甲基化的DNA 模板作指导,可以直接使 非甲基化的DNA 甲基化，涉及特异性DNA序列 的识别。2、DNA甲基化抑制基因转录的机理 DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，直接 影响了转录因子于启动区DNA的结合效率的结合 活性，不能启始基因转录。 DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合， 降低了转录活性。 甲基化的CpG 可以通过与甲基化CpG结合蛋白因 子MeCP1（methylCpG-binding protein1）的结 合间接影响转录因子与DNA的结合。甲基化对基因转录的影响41染色质的结构： 基本结构是核小体。 在细胞中的状态：（1）紧密压缩
13、（2）被阻遏状态（3）有活性状态（4）被激活状态五、染色质结构与基因表达调控：在细胞分裂间期的细胞核中，染色质的形态不均匀。根据 其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型。常染色质：折叠疏松、凝缩程度低，处于伸展状态，碱 性染料染色时着色浅。异染色质：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染 料染色着色深。真核基因的活跃转录是在常染色质上进行五、染色质结构与基因表达调控： 转录发生之前，染色 质常常在特定的区域被解旋或松弛，形成 自由DNA并发生DNA局 部结构的变化，导致 结构基因暴露，促进转录因子与启动区 DNA的结合，从而使 基因转录。异染色质化异染色质是包装成20-30nm，不具
14、有转录活性的染色质。Z组成性异染色质（constitutire heterochromatin）是指 在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色 质，如着丝粒，端粒，核仁形成区等。Z功能性异染色质（facultatire heterochromatin）指在某 些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚 ，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一种 表达调控的途经。如水蜡虫（Pseudococcus nipae）（2n=10）在体细胞里来 自父本的5条染色体依次被异染色质化，在精子形成时丢失， 只保留来自母本的5条染色体。 在哺乳动物中，细胞质某些调节物质也能使两条X染
15、色体中的一条异染色质化。只有一条X染色体具有活性 ，这些使得雌、雄动物之间虽X染色体的数量不同，但X 染色体上基因产物的剂量是平衡的.在正常女性的细胞核中有一团高度凝聚的染色质 活性染色质对DNase 的敏感性当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对DNase降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。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。 超敏感位点（HS）组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNADNA链上链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNADNA分子，妨分子，妨碍了转
16、录。碍了转录。被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与白的修饰状态，使其与DNADNA的结合由紧变松，这样靶的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的要的染色体结构维持单元染色体结构维持单元和和基因表达的负控制因子。基因表达的负控制因子。2. 2.染色质结构的控制与活性染色质的形成染色质结构的控制与活性染色质的形成3. 3.染色质结构的重塑染色质结构的重塑(chromatin remodeling(chromatin remodeling ) )染色质重塑染色质重塑: :是由染色质重塑复合物介导的一系列以染是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。色质上核小
