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1、第七章 真核基因表达调控的一般规律,真核生物的基因结构与转录活性 真核基因的转录 反作用因子 真核基因转录调控的主要模式 其他水平的基因调控,真核生物和原核生物在基因表达调控上的巨大差别是由两者基本生活方式的不同决定；,真核生物主要由多细胞组成,原核生物为自由生活的单细胞,真核细胞中的细胞控制中心包含遗传信息（染色质）与细胞质中的其它细胞器通讯,真核生物和原核生物的在基因转录、翻译及DNA的空间结构的差别,真核生物 多染色体 DNA与蛋白质复合（染色质） 转录和翻译分离 有核 有转录后加工 mRNA寿命长（几小时） 翻译调控 不同组织,原核生物 1染色体 裸露的DNA 转录和翻译耦合 无核 无
2、转录后加工 mRNA寿命短（1-2分钟） 无翻译控制 单细胞,真核基因表达调控的范围的扩大： 转录和翻译过程在时间和空间上彼此分开 转录和翻译后都有复杂的信息加工过程 基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上 研究的问题： 什么是诱发基因转录的信号？ 基因调控主要是在哪一步实现的？ 不同水平基因调控的分子机制是什么？,化学信号包括某些激素的诱导控制作用。 发育过程中高度分化的机制,大多数真核细胞的基因的表达调控的特征： 能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，实现预定的、有序的不可逆转的分化、发育过程。,调控对基因表达的影响是在激素水平和发育阶段：,真核基因调控可分两大类：瞬时调控(可逆性调
3、控 )对环境条件变化所作出的反应底物或激素水平升降，或细胞周期不同阶段对酶活性的调节 发育调控(不可逆调控 )真核基因调控的关键部分决定真核细胞的生长、分化、发育的全部进程,依据基因调控在同一事件中发生的先后顺序 分为： 转录水平调控 转录后水平调控 RNA加工成熟过程的调控 翻译水平的调控 蛋白质加工水平的调控,（1）真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中,真核生物基因表达与调控的复杂性：,(2) 真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成超级结构状态的细胞分裂中期染色体。染色质的结构对基
4、因的表达起总体控制作用。（染色质构象的变化，染色质中蛋白质的变化，染色质对DNA酶敏感程度的变化）,（3）真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了不指导蛋白质合成的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才进入表达阶段。 （4）真核生物能够有序地根据生长发育的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数 （5）基因转录调节区很大，远离核心启动子，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,真核基因表达调控和原核基因表达调控的不同,原核生物 裸露的DNA既有激活物参与的正调控又有阻遏物参与的负
5、调控，二者同等重要转录与翻译偶联，转录尚未完成之前翻译便已开始单细胞,真核生物 染色质由DNA与组蛋白结合形成核小体对基因的表达有调控作用主要是正调控，多个激活物同时特异地结合转录与翻译在时空上是分开的，表达有多种调控机制。多细胞，细胞特异性表达。,真核生物的基因结构与转录活性,基因家族 真核基因的断裂结构 真核生物DNA水平上的基因表达调控 DNA甲基化与基因活性的调控,基因家族,基因家族: 真核细胞中相关的基因按功能成套组合,同一家族的基因紧密地排列在一起，成为一个基因簇. 同一家族中的成员更多地分散在同一染色体的不同部位或位于不同的染色体,简单多基因家族: 以串联方式前后相连，联合成一个
6、转录单位,复杂多基因家族：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,大肠杆菌中,16S,23S和5S rRNA 基因联合成一个转录单位,RNaseIII, RNase P(核酶) & RNase E,前RNA在细菌中的加工。在大肠杆菌中有rRNA的7个拷贝,简单多基因家族：基因一般以串联方式前后相连,rRNA,rRNA,rRNA,体,体,真核生物中18S, 28S和5.8S为一个转录单位,脊椎动物中rRNA基因家族,主要是核糖的2-OH甲基化,rRNA,rRNA,rRNA,原始转录产物被特异性RNA酶降解，过程需要核仁小RNA（sno RNA）参与,体,复杂多基
7、因家族：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,海胆的组蛋白基因:,5个基因组成串联单位，重复1000次；同方向转录 转录和 翻译受到调节 H2A,H2B,H3和H4等量翻译,H1为半量翻译 在特定细胞中不是所有串连的基因都转录 胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录,果蝇的组蛋白基因:,每个基因单独按各自的 方向转录,重复1000次,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,功能性血红蛋白: 两条链和两条-链, 及一个血红素辅基(结合铁原子),所有动物物种中血红蛋白基因的基本结构相同,在生物个体发育的不同阶段,出
8、现几种不同形式的和亚基,珠蛋白基因家族,珠蛋白基因编码 血红蛋白 在成人期, 由两条a 链和两条b链组成的四聚体，加上一个血红素辅基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白,在个体发育的不同阶段，不同珠蛋白基因表达以改变胚胎期和胎儿期的氧亲和力,珠蛋白基因的基本结构,位于16号染色体短臂,位于11号染色体短臂,在骨髓,在肝脏,在卵黄,胚胎期表达,胎儿期表达,成体期表达,妊娠5-6周第一次转换,出生之前第二次转换,人体发育过程中不同类型-珠蛋白的含量变化,周数,出生,相对珠蛋白合成量,人细胞中珠蛋白基因簇结构示意图,含有 100,000 核苷酸和 5 珠蛋白基因和一个基因座控制区LCR 每个珠蛋白基因
9、由一组特定调节蛋白调节 整体基因簇的开-关受染色质结构的整体变化,胎儿期,成体期,胚胎期,在每个基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序,珠蛋白基因家族的演化模式,Pseudo genes (y) resemble genes, but may lack introns and, along with other differences typically have stop codons that come soon after the start codons.,原始生物的体积很小，只有一个血红蛋白亚基，运氧能力有限，但满足生理功能的需要。 随着物种的进化，动物体积相对变大，
10、对氧的需求量越来越大，在这一进化压力下，血红蛋白基因通过自发突变产生杂合基因，编码出对氧的结合和释放能力要大大高于单分子血红蛋白的四聚体。,在哺乳动物的进化过程中，两条链基因又发生突变和重复，形成了胎儿中和型珠蛋白。胎儿血红蛋白对氧的亲和力比成人更大，因而有利于胎儿的快速发育。,真核基因的断裂结构,断裂基因的 结构形式提供进行重组的 潜在位点有利于真核基因的进化,真核基因平均个内含子前体分子一般比成熟mRNA大倍,外显子和内含子,哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长25-31kb,外显子总长2kb,外显子与内含子的连接区,外显子与内含子的连接区-外显子内含子交界处的序列 内含子5端剪接位点含共有序
11、列GU 内含子3端剪接位点含保守序列AG GU-AG规则在前体mRNA中内含子的最初及最末位置必须出现的恒定的双碱基,组成性剪接: 一个基因的转录产物通过剪接,只能产生一种成熟mRNA 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m RNA,选择性剪接: 同一个基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同的m RNA,剪接概况： 切除内含子系列，两侧的外显子片段相连接。,利用不同的启动子 利用不同的poly(A)位点保留某些内含子 保留或去除某些外显子,选择性剪接：,选择性剪接是基因表达调控的另一种方法 同一基因可以表达成不同的蛋白.,L,S,小鼠淀粉酶基因表达的组织特异性变化,
12、在肝脏和唾液腺中都合成淀粉酶，由同一基因编码。 两个组织中，淀粉酶mRNA的编码序列完全相同。仅5端起始部分长度不同,由S外显子起始的转录产物是L外显子起始的转录产物100倍,在个体发育过程中，用来合成RNA的DNA模板会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。 高度重复基因的形成通常与个体分化阶段DNA的某些变化有关。 例：成熟的红细胞能产生大量的可翻译出成熟珠蛋白的mRNA，而其前体细胞不产生珠蛋白。 原因：基因本身或其拷贝数发生永久变化,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,包括基因的丢失、扩增、重排和移位等方式，通过这些方式可以消除或变
13、换某些基因，导致基因活性的永久或半永久性变化，使基因组发生了改变。,DNA 水平 基因的拷贝数 (rRNA) DNA 结构zDNA 染色质水平的调控活性和非活性结构(常染色体 / 异染色体)DNA 甲基化组蛋白甲基化组蛋白乙酰化包含特定蛋白质包含特定RNAs (X染色体的Xist基因)包含小 RNA 分子 (siRNA),“开放”型活性染色质结构对转录的影响,真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生以前，染色质常常会在特定的区域被解旋松弛，形成自由的DNA 这种变化包括核小体结构的消除或改变，DNA本身局部结构的变化，从右旋型变成左旋型（zDNA）等， 这些变化可导致结构基因暴露，促进
14、转录因子与启动区DNA的结合，诱变基因转录。,染色质,真核DNA组装成 染色质 DNA环绕组蛋白形成核小体. 常染色质 -松弛状态; 可活化转录 异染色质 高度致密; 不具转录活性. 异染色质可以是组成型也可以是兼性,真核生物基因在染色质水平上的调控,染色质的3种状态：阻遏状态：DNA分子被紧紧地压缩在细胞核内，这样的结构不利于基因表达，基因处于非活性状态。组蛋白是染色质活性的阻遏蛋白活性状态：染色质结构改变，使近因处于可以转录的状态。有活性潜在能力的基因失去H1组蛋白，处于染色质的伸展状态激活状态：启动子上结合了基础转录因子，上游元件及增强子结合有激活因子，促使RNA聚合酶等在启动子区域形成
15、转录复合物,活性转录在常染色质中进行,染色质在特定的区域解旋形成自由DNA核小体结构的消除或改变DNA改变：从右旋型变为左旋型（Z-DNA） 结构基因暴露，促进转录因子与启动子DNA结合诱发基因转录,组蛋白修饰控制基因活性,处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA 酶 I所降解,鸡成红细胞染色质中，-血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNA酶 I切割降解 鸡输卵管细胞染色质中，卵清蛋白基因比-血红蛋白基因更容易被DNA酶 I切割降解 原因：活跃表达基因所在染色质上一般含有一个或数个DNA酶I超敏感位点,DNA酶 I等非特异性内切酶可用于检测核小体构象的变化,DNA酶 I 超敏感位点
16、,当用极低浓度的DNA酶 I 处理染色质时切割首先发生在少数特异性位点，其敏感性超出其他区域100倍以上，称为超敏感位点(hypersensitive site)。DNA酶 I 超敏感位点(100-200bp)的存在是活性染色质的重要特征，具有组织特异性，并同基因的表达密切相关处于活跃表达基因所在染色质含有一个或数个DNA酶 I 超敏感位点，它一般位于基因5端启动区；易于被核酸酶所降解 非活性态基因的5端相应位点却不表现对DNA酶I 的超敏感性。,裸露的DNA,使用非常少量 DNase I ，这样每条基因只切一次, DNase I 仅切断裸露的DNA，不切染色质DNA. 染色质去蛋白质,抽提核酸,RI,RI,用限制酶切割、 电泳、杂交,探针,http:/medschool.mc.vanderbilt.edu/facultydata/php_files/presentation/1423.ppt#44,
