分子生物学课件—真核表达调控

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1、8 基因的表达与调控（下） 真核基因表达调控一般规律,真核基因的表达调控的特点： 原核细胞环境因素对调控起决定性的作用。群体中每一个细胞对环境变化的反应是直接的和一致的。 真核细胞基因表达调控最明显的特征是在特定时间，特定的细胞中特定的基因被激活，实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育，并使生物的组织和器官保持正常功能。这是生命活动规律决定的，环境因素在其中作用不大。,真核生物基因调控可分为两大类： 第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降，或细胞周期不同阶段酶活性的调节； 第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓

2、部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。 根据基因调控发生的先后次序，又可分为： 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）。,研究基因调控的三个主要内容： 诱发基因转录的信号？ 基因调控在哪一步（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什么？,本章内容： 真核生物的基因结构与转录活性 真核基因转录机器的主要组成 蛋白质磷酸化对基因转录的调控 蛋白质乙酰化对基因表达的影响 激素与热激蛋白对基因表达的影响 其他水平上的表达调控,8.1 真核生物的基因结构 与转录活性,真核细胞与原核细胞在基因转录、翻

3、译及DNA的空间结构方面存在的差异: 在真核细胞中，成熟mRNA为单顺反子mRNA，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，能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。,在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于转录起始位点上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶对它的结合。在真核生物中，基因转录的调节区则大得多，它们可能远离核心启动子达几百个甚至上千个

4、碱基对。 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，才能被顺利地翻译成蛋白质。,8.1.1 基因家族,在原核细胞中，密切相关的基因往往组成操纵子，并以多顺反子的方式进行转录。而真核细胞中的DNA是单顺贩子结构，很少置于同一启动子之下的操纵子。 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。同一家族的成员有时紧密排列在一起，成为一个基因簇；更多时候，分散在同一染色体不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。,简单多基因家族 简单多基因家族

5、中的基因一般以串联方式前后相连。,细菌中所有rRNA和部分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。,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：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。,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

6、载体，由22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。在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的和亚基。,延伸- 假基因（Pseudogene）是指脱氧核糖核酸（DNA）的碱基序列中，一段与其他生物体内已知的基因序列非常相似的片段。但是这个片段无法发挥原有的基因功能，也就是无法制造出蛋白质。 这种基因片段是来自演化过程中的突变累积，有些无法转录，有些则是转录不完全。有些虽然能够转录完成，但是也会在转译阶段途中终止作用。,8.1.2 真核基因的断裂结构,1. 外显子与内含子 内含子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

7、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。 基因中的内含子数量和大小都不同。胶原蛋白基因长约40kb，至少有40个内含子，其中短的只有50bp，长的可达到2000bp。 少数基因，如组蛋白及型、型干扰素基因，根本不带内含子。,哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长25-31kb左右，但其6个外显子总长只有2kb,内含子的生理功能还不清楚。 有些基因除去内含子后可以产生有活性的mRNA。 有些基因一旦出去内含子，mRNA运入细胞质的过程就被阻断。 内含子的存在可能有利于生物进化。,2. 外显子与内含子的连结区 断裂结构的一个重要特点是外显子-内含子连接区的高度保守性和

8、特异性碱基序列。 序列分析表明，几乎每个内含子5 端起始的两个碱基都是GT，而3 端最后两个碱基总是AG，由于这两个碱基的高度保守性和广泛性，有人把它称为GT-AG法则。（线粒体基因和酵母tRNA基因例外）,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。 有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的polyA位点而使原始转录物具有不同的二级结构，

9、产生不同的mRNA分子。同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程称为选择性剪接。,8.1.3 真核DNA水平上的基因表达调控,在个体发育过程中，DNA会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。 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。这与转录和翻译水平的调控是不同的，这种调控使基因组发生了改变。 成熟红细胞能产生大量的可翻译成熟珠蛋白的mRNA，它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因本身或者是基因的拷贝数发生了永久性变化所调控的。,1. “开放”型活性染色质结构对转录的影响,活跃状态的基因更容易被DNA酶I所降解。 基因

10、活跃表达时启动区部分序列可能解开成单链，从而不能继续缠绕在核小体上，使启动区DNA“裸露”于组蛋白表面，形成对DNA酶I的超敏感现象。,2. 基因扩增 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，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。 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体。,3. 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。 免疫球蛋白的肽链主要由可变区（V区）、恒

11、定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成，V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。,IgG结构示意图 V：可变区 C：恒定区,8.1.4 DNA甲基化与基因调控,1. DNA的甲基化 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

12、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、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。,日常型甲基转移酶 在甲基化母链指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。,从头合成型甲基转移酶 催化未甲基化的CpG成为mCpG，不需母链指导。,2. DNA甲基化抑制基因转录机制,甲基化引起DNA构型发生变化，B-DNA-Z-DNA，不利于转录起始。 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。,甲基化CpG的

13、密度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性。,DNA的甲基化还会提高突变频率。真核生物中5-mC主要出现在5-CpG-3序列中，5-mC脱氨后生成的胸腺嘧啶（T），不易被识别和矫正。因此，特定部位的5-mC脱氨基反应，将在DNA分子中引入可遗传的转化（CT）。 若位点突变发生在DNA功能区域，就可能造成基因表达的紊乱。在几种癌细胞中，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）。,3. DNA甲基化与X染色体失活 雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活这是一种基因剂量补偿的机制。 X染色体的Xq13.3区段有一个

14、X失活中心（X-inaction center，Xic），X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。 发现基因Xist(xi-specific transcript)只在失活的X染色体上表达，而不在活性的X染色体上表达。Xist只转录RNA，它能与Xic位点作用。,母三色猫的斑驳毛色是X去活化的表现，“黑色皮毛”与“橙色皮毛”的等位基因位于不同的X染色体上。由于去活化的对象是随机选择，因此不同部位，会依保留活性之染色体的不同，而有不同的毛色。,8.2 真核基因转录机器的主要组成,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

15、用因子（trans-acting factor，又称跨域作用因子）调控。真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。,8.2.1 真核基因的转录,1. 启动子 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：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上游-25-30bp处的TATA盒。核心启动子确定转录起始位点并产生

16、基础水平的转录。 上游启动子元件包括通常位于-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. 转录模板 包括从转录起始位点到RNA聚合酶II转录终止处的全部DNA序列。,3. RNA聚合酶II 由至少10-12个亚基组成。,4. RNA聚合酶II基础转录所需要的蛋白因子,8.2.2 增强子对转录的影响,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： 增强效应十分明显。 增强效应与其位置和取向无关。 大多为重复序列（50bp）。 其增强效应有严密的组织和细胞特异性。 无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应； 许多增强子还受外部信号的调控。,增强子的功能受DNA双螺旋空间构象的影响。增强子可能有如下3种作用机制: 影响模板附近DNA双螺旋结构，导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接，活