第三节第三节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控 •真核生物的基因组 •真核生物基因表达调控的特点和种类•真核生物DNA水平上的基因表达调控 •真核生物转录水平上的基因表达调控 •真核基因转录后水平上的调控（miRNA）Contents （一）真核基因组结构特点•真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 3×109 bp、于核膜内、于核膜内•单顺反子单顺反子•基因的不连续性基因的不连续性 断裂基因（断裂基因（interrupted gene）、）、内含子内含子(intron)、、 外显子外显子(exon)•非编码区较多非编码区较多 多于编码序列多于编码序列 (9:1)•含有大量重复序列含有大量重复序列一 真核生物的基因组 ● 基因组很小，大多只有一条染色体● 结构简单● 存在转录单元（操纵子）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 ① ① 在真核细胞中，一条成熟的在真核细胞中，一条成熟的mRNAmRNA链只能翻译链只能翻译出出一条多肽链一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多，很少存在原核生物中常见的多基因形成的操纵子形式。
基因形成的操纵子形式 ② ② 真核细胞真核细胞DNADNA与组蛋白和大量非组蛋白相结与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分合，只有一小部分DNADNA是是裸露裸露的 ③ ③ 高等真核细胞高等真核细胞DNADNA中很大部分是不转录的，大部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翻译的分真核细胞的基因中间还存在不翻译的内含子内含子④ ④ 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行行DNADNA片段片段重排重排，还能在需要时增加细胞内某些，还能在需要时增加细胞内某些基因基因的拷贝的拷贝数 ⑤⑤ 在真核生物中，基因转录的在真核生物中，基因转录的调节区调节区相对较相对较大，离启动子较远，几百大，离启动子较远，几百-上千上千bp，通过改变，通过改变整个所控制基因整个所控制基因5’上游区上游区DNA构型构型来影响它与来影响它与RNA聚合酶的结合能力聚合酶的结合能力 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上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
聚合酶与它的结合 ⑥ ⑥ 真核生物的真核生物的RNARNA在细胞核中合成，只有到细胞质后，在细胞核中合成，只有到细胞质后，才能被翻译，原核生物中没有这种才能被翻译，原核生物中没有这种空间间隔空间间隔⑦ ⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接成熟和剪接过过程程，，才能顺利地翻译蛋白质才能顺利地翻译蛋白质 （三）基本概念（三）基本概念1 1、基因家族（、基因家族（gene family)gene family)真核生物的基因组中，来源相同、结构相似、功能真核生物的基因组中，来源相同、结构相似、功能相关的基因，称为相关的基因，称为基因家族基因家族 同一家族中的成员紧密排列在一起，构成同一家族中的成员紧密排列在一起，构成基因簇基因簇(gene cluster(gene cluster) ) 如组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白基因为基因家族 （（1 1）简单多基因家族：）简单多基因家族：其中基因以串联方式前后相连其中基因以串联方式前后相连The eukaryotic rDNA repeating unit （（2 2）复杂多基因家族）复杂多基因家族 有独立的转录单位。
形式不同有独立的转录单位形式不同 Organization of histone genes in the animal genome 2、断裂基因：基因编码区中含内含子、断裂基因：基因编码区中含内含子 内含子有可变剪接内含子有可变剪接 3 3、、假基因假基因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 二、真核生物基因表达调控的特点和种类（一）特点1、RNA聚合酶 3个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、正性调节为主6、转录与翻译分开进行 7、转录后RNA需修饰、加工 根据其性质可分为根据其性质可分为2类：类：1、、瞬时调控瞬时调控或称为或称为可逆性调控可逆性调控，相当于原核细胞对环，相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应包括底物或激素水平升降、境条件变化所做出的反应包括底物或激素水平升降、细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节2、、发育调控发育调控或称或称不可逆调控不可逆调控，精细复杂，决定真核细，精细复杂，决定真核细胞的生长、分化、发育的全部进程胞的生长、分化、发育的全部进程根据基因调控发生的次序又可分为：根据基因调控发生的次序又可分为：DNA水平调控水平调控－－－－转录水平调控转录水平调控－－－－转录后水平调转录后水平调控控－－－－翻译水平调控翻译水平调控－－－－蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控（二）类别： 三、真核生物DNA水平的基因表达调控● 基因丢失基因丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排DNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控染色体结构与调控染色体结构与调控●●●●抗体分子的形成抗体分子的形成转座子转座子 （一）基因丢失：（一）基因丢失：在细胞分化过程中，丢失掉某些基因去除其活性。
在细胞分化过程中，丢失掉某些基因去除其活性见于见于低等动物低等动物，如部分原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动，如部分原生动物、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染物，在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分染色体，只有将来要分化出生殖细胞的细胞一直保留着完整色体，只有将来要分化出生殖细胞的细胞一直保留着完整的染色体的染色体目前，在目前，在高等真核生物高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象似的基因丢失现象 （二）基因扩增：（二）基因扩增：基因扩增：基因扩增：基因的拷贝数专一性增大的现象，使细胞在短基因的拷贝数专一性增大的现象，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，是基因活性调控的方式之一活性调控的方式之一如非洲爪蟾体细胞中如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增，是因发育需要而的基因扩增，是因发育需要而出现的基因扩增现象出现的基因扩增现象基因组拷贝数增加，即基因组拷贝数增加，即多倍性多倍性基因组拷贝数增加使可供遗基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，加速基因进化、基因组重组和最终物种传重组的物质增多，加速基因进化、基因组重组和最终物种的形成的形成植物中普遍有发育或系统发生中的植物中普遍有发育或系统发生中的倍性增加倍性增加 DNA含量的发育控制含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶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，含量与组织的成熟程度成正比对于一给定的物种，C是单倍是单倍体基因组中的体基因组中的DNA质量 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，这种方式被称为转录，这种方式被称为基因重排基因重排如免疫球蛋白基因免疫球蛋白基因表达的表达的重排重排（三）基因重排：（三）基因重排： （四）（四）DNA的甲基化与基因调控：的甲基化与基因调控：1 1、、DNADNA的甲基化的甲基化 CpG岛 中的C发生甲基化，形成5-甲基胞嘧啶 DNA甲基化导致某些区域甲基化导致某些区域DNA构象变化，影响蛋白与构象变化，影响蛋白与DNA的的相互作用，抑制转录因子与启动区相互作用，抑制转录因子与启动区DNA的结合效率的结合效率 （五）染色质结构与基因表达调控：（五）染色质结构与基因表达调控：按功能状态染色质分为按功能状态染色质分为活性染色质活性染色质和和非活性染色质非活性染色质活性染色质活性染色质：有转录活性的染色质；：有转录活性的染色质；非活性染色质非活性染色质：没有：没有转录活性的染色质转录活性的染色质活性染色质：活性染色质：核小体构型改变，使染色质结构疏松，利于核小体构型改变，使染色质结构疏松，利于转录调控因子与顺式调控元件结合、转录调控因子与顺式调控元件结合、RNA聚合酶在转录聚合酶在转录模板上滑动。
模板上滑动活性染色质 4. 组蛋白变化组蛋白变化①① 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低②② H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加③③ 组蛋白修饰组蛋白修饰④④ H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露（（三三））正性调节占主导正性调节占主导（（四四））转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行（（五）转录后修饰、加工五）转录后修饰、加工 疏松的染色质结构上进行着旺盛疏松的染色质结构上进行着旺盛的的转录转录过程过程 四、真核生物转录水平上的基因表达调控（一）真核基因转录1、真核基因结构 （（2 2））增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的显增加的DNA序列 （（3 3）沉默子：某些基因含有）沉默子：某些基因含有负性负性调节元件调节元件——沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起录起阻遏阻遏作用 3、反式作用因子 （1）定义：与转录单元不在同一条定义：与转录单元不在同一条DNA链上，链上，能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件，能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件，参与调控靶基因转录效率的参与调控靶基因转录效率的蛋白质蛋白质。
TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区） （（2 2）反式作用因子的结构）反式作用因子的结构DNA结合结构域结合结构域A 螺旋螺旋-转折转折-螺旋（螺旋（Helix-turn-helixB 锌指结构锌指结构（（zinc finger））C 碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链D 碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 I、螺旋、螺旋-转折转折-螺旋螺旋 II、锌指结构配位键配位键2-9个个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4 4个个CysCys或或2 2个个CysCys和和2 2个个HisHis配位的配位的ZnZn构成构成，结构像手指状 Cys2 / Cys2锌指锌指Cys2 / His2锌指锌指见于见于甾体激素受体甾体激素受体见于见于SP1，，TF ⅢA等等 转录因子转录因子SP1 （（GC盒）盒） 、连、连续的续的3个锌指重复结构个锌指重复结构 III、碱性-亮氨酸拉链•二聚体二聚体•亮亮氨氨酸酸之之间间相相互互作作用用形形成成二聚体，形成二聚体，形成“拉链拉链” •肽肽链链氨氨基基端端20～～30个个富富含含碱碱性性氨氨基基酸酸结结构构域域与与DNA结结合。
合 IV、碱性-螺旋-环-螺旋 五、五、真核基因转录后水平上的调控真核基因转录后水平上的调控•miRNA介绍介绍 。