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1、第八讲 真核基因表达调控,原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。,第一节 真核生物的基因组,真核生物基因调控可分为两大类,瞬时调控,发育调控,根据基因调控在同一事件中发生的先后次序,转录水平调控,转录后水平调控,研究基因调控主要应回答3个问题： 什么是诱发基因转录的信号？ 基因调控主要是
2、在哪一步（模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？ 不同水平基因调控的分子机制是什么？,一、 真核基因组的一般构造特点 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。 真核细胞DNA都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
3、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，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（maturation and splicing），才能顺利地翻译成蛋白质。,二、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
4、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。,16S tRNA 23S 5S,17S tRNA 25S 5S,16S tRNA 23S 5S,甲基化,切割,核酸酶降解,1 1 2 1 1 3 3,细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析,pre-rRNA,甲基,The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit,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。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。,Organization of histone genes
5、 in the animal genome,果蝇,海胆,6000bp,3、发育调控的复杂多基因家族,如：血红蛋白基因,不同发育阶段血红蛋白亚型,血红蛋白的调控序列如R1、R2、R3与编码序列分别被S1、S2、S3隔开，因此不能表达。,在胚胎发育早期，间隔序列S1缺失，使R1与相连，表达。,在胎儿期，间隔序列S2缺失，使R2与相连，表达 。,在成人期，间隔序列S3缺失，使R3与或相连， 或表达。,S1、S2、S3的切除及R系列与编码序列的重组与个体发育阶段有关，因此在发育不同阶段血红蛋白组成不同。,（二）断裂基因,基因的编码序列在DNA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
6、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 3,2、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。 如：肌红蛋白重链基因，（41个外显子） 选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接
7、方式形成不同mRNA。 如;小鼠淀粉酶基因,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、正性调节占主导 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种类：,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时，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
8、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蛋白质加工水平的调控,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。 目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。, 马蛔虫受精卵中只有
9、一对染色体（2n=2).,马蛔虫的生殖细胞保存着个体发育必需的全部基因（完整基因组）。在体细胞分化中，染色体破碎成很多片段所谓小染色体。小染色体中具有着丝点的在细胞分裂中得以保存，不具着丝点的片段在细胞分裂中不能分配到子代细胞中，即丢失，造成体细胞基因丢失，从而决定了细胞的分化方向。,昆虫：例如，小麦瘿蚊在个体发育中也有类似的部分染色体丢失的现象。, 许多原生动物有两种类型的核：小核（micronucleus)和大核（macronucleus)。,生殖细胞只有小核。在细胞分化时，小核经历各种变化：,小核,小核,（含有全部无活性DNA为未来的生殖细胞保存遗传信息）,大核,（DNA分子具有转录活性
10、）,大核形成过程：,生殖过程中的小核DNA,被切割成5002000bp的线形片段,降解,17000种/1000拷贝,大核,结果：大核DNA 的量是小核的几百倍，而种类丢失了一半。, 蜜蜂工蜂和蜂皇是二倍体，孤雌生殖的单倍体则发育成雄蜂。,高等真核生物是否有基因丢失？,有实验证明未丢失。核代换实验：,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。 如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。,果蝇的不切离的多次复制使基因扩增。,果蝇在卵巢成熟之前，卵巢颗粒细胞中的卵壳蛋白
11、基因被扩增。果蝇的卵母细胞经过4次分裂，形成：,1个卵母细胞,15个营养细胞（为卵母细胞提供营养蛋白质及其它大分子）。,大量蛋白质营养物质合成原因？,营养细胞通过胞浆桥与卵细胞相连，使营养物质顺利进入正在增大的卵细胞。,三、基因重排：,将一个基因从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。,V V V D D D J J J C C,V DJ C,免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达,酵母的交配型转换,HML MATa HMRa,HML MATa HMRa,HML MAT HMRa,基因转换,核
12、酸内切酶HO,四、DNA的甲基化与基因调控：,1、DNA的甲基化,在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中,CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛,真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：,日常型甲基转移酶,从头合成型甲基转移酶,2、DNA甲基化抑制基因转录的机理,DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。 5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的，基因的5和3端往往富含甲基化位点，而启动区DNA分子的甲基化密度与基因受抑制的程度密切相关。（见下图）,表8- 1 甲基化
13、修饰对转录的影响,CpG密度 低（28/1.4kb） 高（141/1.5kb） 1/10 低（26/3.3kb),HhaI低水平甲基化,0 0,+（HhaI）（24mCpG/1.5kb）,SssI全部甲基化 +（SssI） +（SssI） +（SssI）,完全甲基化 基因是否表达,启动区装上增强子序列,表达 表达 (部分） 不表达（完全） 表达, ,甲基化还提高了该位点的突变频率： 5-mC主要出现在5-CpG-3序列中， 5-mC脱氨后生成T，不易被识别和校正。 如：在脑瘤、乳腺癌和直肠癌细胞中，p53基因第273位密码子含CpG序列，常由CGT突变为CAT或TGT（ArgHis或Cys）。
14、 3. DNA甲基化与X染色体失活 X染色体的失活中心：Xic，失活的染色体上绝大多数基因都处于关闭状态，DNA序列都高度甲基化。 Xist：只在失活的染色体上表达，而不在活性的X染色体上表达，该基因产物是一功能性RNA分子。,Xist X染色体 其他位点,甲基化，不转录 活性 去甲基化，活性 去甲基化，转录 失活 甲基化，失活,Xist甲基化与X染色体失活,五、染色质结构与基因表达调控：,常染色质（euchromatin）-基因可以转录 异染色质（hetrochromatin）-基因不能转录 , 活性基因置于异染色质内会失活 位置效应（Position effect） ：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变 活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而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。,（一）DNase 的敏感性和基因表达 转录活跃区域对核酸酶的敏感度增加 1、DNase超敏感位点（hypersensitive site）： 具有转录活性的基因周围的DNA区域对D
