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1、第七章 基因的表达与调控 (下)真核基因表达调控 (初步了解),真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组有3109bp，为大肠杆菌总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！ 自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在每30分钟增殖一次的109细菌群体中，若一个细菌变成29.5分钟增殖，经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5分钟增殖一倍的生长速度。,每个大肠杆菌细胞有约15 000个核糖体，50种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需
2、的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白质。 另一类则被称为适应型或调节型（adaptive or regulated），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。,真核生物染色质被包裹在细胞核内，基因的转录（核内）和翻译（细胞质内）被核膜所隔开，核内RNA的合成与转运，细胞质中RNA的剪接和加工等都属于真核生物基因调控的范围。 随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码
3、子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。 从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（gene expression），对这个过程的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。,基因表达调控主要表现在以下二方面：,转录水平上的调控（transcriptional regulation）； 转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation），包括 （1）mRNA加工成熟水平调控（differential processing of RNA transcrpt）； （2）翻译水平调控（differential translatio
4、n of mRNA）。 真核生物基因调控主要包括： 瞬时调控或称可逆性调控； 发育调控又称不可逆调控,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。,7.1 真核生物的基因结构与转录活性,在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少原核生物中常见的多基因操纵子形式。 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，增加细胞内某些基因的拷贝数。 基因转录的调节区很大，可能远离转录起始位点达几百个甚至上千个碱基对，主要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。 基因转录的调节区很大，可能远离转录起始位点达几百个甚至
5、上千个碱基对，主要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。 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。 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。,7. 1. 1 基因家族（gene family）,真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族。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，也可能分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。,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。细菌中所有rRNA和部分
6、tRNA都来自这个分子量为30S（约6500个核苷酸）的前rRNA。 在真核生物中，前rRNA转录产物的分子量为45S，（约有14 000个核苷酸），包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。 2）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。 海胆组蛋白基因家族（图7-4）：编码不同组蛋白的基因处于一个约为6 000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达1 000次。 3）发育调控的复杂多基因家族 血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由22组成的四聚体加上一个血红
7、素辅基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的和亚基。,7. 1. 2 真核基因的断裂结构,1）外显子与内含子 “intron”是指存在于原始转录物或基因组DNA中，但不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成的。 2）外显子与内含子的连接区。 断裂结构的一个重要特点是外显子-内含子连接区（exonintron junction）的高度保守性和特异性碱基序列。内含子的两端序列之间没有广泛的同源性，因此内含子两端序列不能互补，说明在剪接加工之前，内含子上游序列和下游序列不可能通
8、过碱基配对形成发卡式二级结构。,3）外显子与内含子的可变调控 真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生不同的mRNA，翻译成不同的蛋白质。有些真核基因，如肌红蛋白重链基因虽有41个外显子，却能精确地剪接成一个成熟的mRNA，我们称这种方式为组成型剪接。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA，编码一个多肽。 一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成基因的差别表达，这是真核基因的一个重要特点。,7. 1. 3 真核生物DNA水平上的基因表达调控,DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。 1）基因扩增 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一
9、性大量增加的现象，它使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。 2）基因重排与变换 将一个基因从远离启动子的地方移到较近的位点从而启动转录，被称为基因重排。,7. 1. 4 DNA甲基化与基因调控,DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。 DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXp
10、G、CCA/TGG和GATC中。 高等生物CpG二核苷酸中的C通常被甲基化，极易自发脱氨，生成胸腺嘧啶，所以CpG二核苷酸序列出现的频率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。,对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动子仍无转录活性。,7. 2 真核基因的转录,真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的顺式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（transacting factor，又称跨域作用因子）调控。 一个完整的基因，不但包括编码区（co
11、ding region），还包括5和3端长度不等的特异性序列，它们虽然不编码氨基酸，却在基因表达的过程中起着重要作用。所以，“基因”的分子生物学定义是：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列,1）启动子（promoter）,真核基因启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成，是在基因转录起始位点（+1）及其5上游大约100200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度约为720bp，是决定RNA聚合酶II转录起始点和转录频率的关键元件。 核心启动子（core promoter）：是指保证RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点
12、上游-25-30bp处的TATA盒。核心启动子确定转录起始位点并产生基础水平的转录。 上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等，能通过TFIID复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,2）增强子及其对转录的影响,增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。 增强子通常具有下列特性： A、增强效应十分明显。 B、增强效应与其位置和取向无关。 C、大多为重复序列（50bp）。 D、其增强效应有严密的组织和
13、细胞特异性。 E、没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现 增强效应； F、许多增强子还受外部信号的调控。,7. 3 反式作用因子,根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合物分为3部分： 参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性。 与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基因特异性。 与特异调控序列结合的转录因子。,7. 3. 1 反式作用因子中的DNA识别或结合域,反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上（表7-5），参与调控靶基因转录效率的蛋白质 A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H）结构。这一类蛋白质分子
14、中有至少两个螺旋，中间由短侧连氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。 B、锌指（Zinc finger）蛋白：包括锌指、锌钮(twist)和锌簇(cluster)结构，有锌参与时才具备转录调控活性。与DNA的结合较为牢固，特异性也很高。,C、碱性-亮氨酸拉链（basic-leucine zipper），即bZIP结构。蛋白中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。 以二聚体形式与DNA结合，亮氨酸拉链区并不直接结合DNA，肽链氨基端2030个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合，但以碱性区和亮氨酸拉链
15、结构域整体作为基础。,D、碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix/loop/helix，即bHLH结构）在免疫球蛋白轻链基因的增强子结合蛋白E12与E47中，羧基端100200个氨基酸残基可形成两个两性螺旋，被非螺旋的环状结构所隔开，蛋白质的氨基端则是碱性区，其DNA结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似。 bHLH类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的DNA结合能力。当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区（如Id或E12蛋白）时，该二聚体明显缺乏对靶DNA的亲和力。,E、同源域（homeodomains) 是指编码60个保守氨基酸序列的DNA片段，它广泛存在于真核生物基因组内，由于最早从
16、果蝇homeoticloci（该遗传位点的基因产物决定了躯体发育）中克隆得到而命名，同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化密切相关。,7. 3. 2 转录活化结构域,在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白质-蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，因此，是否具有转录活化域就成为反式作用因子中唯一的结构基础。,不同的转录活化域有下列特征性结构： A、带负电荷的螺旋结构。 B、富含谷氨酰胺的结构。 C、富含脯氨酸的结构。,7. 4 真核基因转录调控的主要模式,细胞是生命活动的基本单位。细胞通过DNA的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传信息由亲代传至子代，实现增殖繁衍。它们还不断地“感知”环境变化，并对其作出特定的应答。 细胞应答可以分为3个阶段： 外界信息的“感知”，即由细胞膜到细胞核内的信息传递； 染色质水平上的基因活性调控； 特定基因的表达，即从DNARNA蛋白质的遗传信息传递过程。,7. 4. 1 蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达,蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普遍存在的信息传导调节方式，几乎涉及所有的生理及病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的生长发育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。,
