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1、真核生物基因表达的调控 09中西七年制2班 内容摘要：真核生物细胞结构比原核生物复杂，转录和翻译在时空上都被分隔开，分别在细胞核和细胞质中先后进行，并且基因组和染色体结构复杂，蕴藏大量的调控信息，因此真核生物基因表达的调控要比原核生物要复杂的多。真核生物可以从多个层次调控基因表达。一、 真核生物基因表达调控的种类（一） 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，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
2、（二）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翻译后水平调控二、真核生物基因表达的调控的多层次性真核生物基因表达可以随细胞内外环境条件的改变以及生长发育的不同阶段而在不同表达水平加以精确地调控。主要体现在以下几个水平上：（一） DNA 水平：主要包括：染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰和异染色质化等，这些变化都是永久性的，会随着细胞分裂传递给子代细胞，使这类细胞具有特定的表型，成为某种特定的分化细胞。1：基因的丢失、扩增与重排1) 基因丢失：只存在于一些低等生物体细胞中。在细胞分化时，当需要消除某些基因活性时才发生。采
3、用基因丢失的方式调控是不可逆的。体现了真核细胞全能性。例如小麦瘿蚊的染色体丢失，瘿蚊卵跟果蝇相似（始核分裂胞质不分裂），其卵的后端含有特殊的细胞质，极细胞质核保持了全部40条染色体生殖细胞其他细胞质区域核丢失32条、留8条体细胞；2) 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。如非洲爪蟾的基因扩增，是两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增。非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18S r RNA和28S r RNA的DNA，在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了4000倍。再如果蝇的多线染色体：每条染色体中含有许
4、多相同的DNA分子。在果蝇卵巢成熟之前，卵巢颗粒中的卵壳蛋白基因被大量扩增。果蝇卵原细胞经过4次分裂产生16个细胞，其中1个是卵母细胞，其余15个是营养细胞，它们为卵细胞的形成提供大量的生物大分子。3) 基因重排：是指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，如免疫球蛋白中L链中的链基因的重排，链基因由V、J、C3个基因簇组成，每个V区基因上也有一个L基因。 V基因簇只有2个基因， J和C基因簇都有4个基因。链基因重排和k链有所不同， J和C基因严格按照L1J1 J1 C1、 L1J1 J3 C3以及L2J2 J2 C2的组合进行连接，这种非随机的连接使链的组合数大大低于k链
5、。2：DNA的甲基化和去甲基化 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。 在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度较低。现以卵黄原蛋白基因为例来说明这个问题。卵黄蛋白并非在卵母细胞或受精卵中合成的，而是在成熟的雌性动物肝中先合成卵黄蛋白原，然后分泌到血液中，再运送到卵巢。发育中的卵（卵母细胞）选择性地将卵巢中的卵黄蛋白原加以吸取，再切割，装配成卵黄蛋白。雄性动物也有卵黄蛋白原基因，但不能表达。这是因为缺乏雌激素之故。其分子机制仍和甲基化有关。鸡的卵黄蛋白原基因的5调节区有4个CpG
6、位点，C，D位点是雌二酮受体蛋白复合物的结合部位。在雌激素处理后，在-612（C）的Hpa位点处于低甲基化。在红细胞DNA的上面一股链上4个位点全部甲基化，下股链只有50%甲基化，但经雌二酮处理后数小时内甲基化的形式发生急剧变化，上股链中4个位点全部去甲基化，与卵黄蛋白原mRNA相吻合，而另一股键上4个位点滞后24小时才去甲基化，这就是在肝细胞中卵黄蛋白原基因中的5端调节区有部分半甲基化位点，而雌激素的处理只引起其中一条链迅速地去甲基化，另一条链暂时仍保持本甲基化状态，所以此基因在雄体中处于甲基化状态，没有活性。3：染色质结构与基因表达调控真核细胞中基因转录的模板是染色质，染色质呈疏松或紧密结
7、构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。活性染色质是具有转录活性的染色质，非活性染色质是指没有转录活性的染色质；活性染色质结构变化：a) 对核酸敏感b) DNA拓扑结构变化c) DNA碱基修饰变化d) 组蛋白变化： 组蛋白的变体会以不同方式影响染色质的性质；另一方面组蛋白的修饰，这些修饰会应影响染色质的结构和功能，调控基因活性。具体是，一调控因子和组蛋白会竞争转录调控区，若组蛋白竞争到，那么基因不转录，反之则转录。二组蛋白乙酰化会激活转录，去乙酰化会抑制转录。i. 富含Lys组蛋白水平降低ii. H2A，H2B二聚体不稳定性增加iii. 组蛋白修饰：高乙酰化iv.
8、H3组蛋白疏基暴露（二）转录起始水平 是最重要的环节，用以调控基因转录活性的调控。基因转录活性与基因的空间结构、折叠状态、DNA上的调控序列、与调控因子的相互作用等有关。这些因素可以影响转录因子和RNA pol与转录起始序列的结合以及转录激活。1：顺式作用元件：在基因表达过程中，如果有调节功能的DNA序列只能影响同一分子的相关基因，发生在同一个序列中的突变不会改变其它染色体上的等位基因的表达，这样的调控序列被称为顺式作用元件1) 启动子：在DNA中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。真核有三种不同的启动子和有关的元件,每一种RNA聚合酶都有自己的启动子.a) RNA聚合酶的启动子
9、：近启动子:-40-+5,其功能决定转录起始的精确位置；远启动子:-165- -40,其功能是影响转录的频率.b) RNA聚合酶的启动子：核心启动子、上游启动子元件c) RNA聚合酶的启动子：位于转录起始位点的下游,一般又叫做内部启动子或下游启动子；该类启动子有分区,并须与相应的转录因子结合才能起始转录2) 调控元件：基因调控元件是指位于远端调控区的顺式作用元件，按其功能可分为正调控的增强子和负调控的沉默子。a) 增强子：指使与它连锁的基因转频率明显增加的DNA序列，增强效应十分明显:10-200倍,甚至上千倍；增强效应与其位置和取向无关；大多为重复序列,其内部常有一个核心序列TGGAAA；
10、其增强效应有严密的组织性和细胞特异性,只有特定的转录因子参与才能发挥其功能； 没有基因专一性,与不同的基因组合均表现增强效应；许多增强子还受外部金属离子等调控b) 沉默子：某些基因含有负性调节元件沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。沉默子的功能一般不受距离和取向的限制,数量比增强子少的多.2：反式作用因子：一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子，与顺式作用元件相反，调节蛋白可通过扩散结合于细胞内的多个靶位点，若发生突变后将影响不同染色体上等位基因的表达，表现出反式作用。转录因子TFD 识别结合TATA box； 转录因子SP1识别结合GC box。反式因子有两个必需的结构域：
11、1) DNA结合结构域：与顺式元件识别、结合2) 转录激活结构域：与RNA聚合酶结合，激活域是与其它转录因子相互作用的结构成分，可控制转录起始复合物的组装和转录起始，具有转录调控功能。 例如酵母中编码蔗糖酶的基因有6个,分散在不同的染色体上。有胞内酶和胞外酶两种类型。胞外酶比胞内酶多了一个信号肽。葡萄糖的存在可抑制胞外酶的合成。基因转录时起始位置的不同导致产生不同类型的酶。 再例如小鼠的唾液腺、肝脏和胰脏中都能合成-淀粉酶，但在唾液腺中-淀粉酶的浓度是在肝脏中的100倍。造成-淀粉酶浓度差异的原因是amy基因有两个不同的启动子。Ps启动子在唾液腺中转录，PL启动子在肝脏中转录。前者的转录活性比
12、后者高30倍，而唾液腺中amy基因的mRNA浓度比肝脏中高100倍，处转录起始之外还有其它调控方式。（三） 转录后水平这时真核生物可以通过：1：选择不同的5起始点或者3加尾点产生不同的成熟m RNA;2：特异性选择性拼接，表达具有不同能够生物活性的蛋白；3：mRNA内部进行甲基化修饰，特殊情况下还可以进行编辑；4：在mRNA通过转运离开细胞核进土细胞质中时对基因表达进行调控例如：鸡的肌球蛋白轻链基因在心脏和砂囊中转录后产生的成熟mRNA分别为LC1和LC3，它们的3编码区完全相同，而5端有所不同，这是前体mRNA在不同组织中选择性剪接的结果。（四） 翻译水平1：5UTR结构与翻译起始调控：形成
13、帽子结构a) 帽子结构i. 帽子0:m7GpppX,N7甲基鸟嘌呤核苷酸ii. 帽子1:m7GpppXm,帽子0后第一个核苷酸2位氧甲基化,这是除单细胞真核生物外其它真核生物的主要帽子形式iii. 帽子2:m7GpppXmpYm,帽子0后第二个核苷酸2位氧甲基化iv. 帽子结构中甲基供体为S-腺苷甲硫氨酸(SAM)b) 帽子结构的生理功能i. 帽子结构为核糖体识别mRNA提供了信号,帽子0结构是核糖体识别mRNA所必须的.ii. 帽子结构增加mRNA的稳定性,保护mRNA免受5外切核酸酶的 降解.iii. 帽子结构还能促进某些RNA的合成.2：蛋白因子磷酸化与翻译起始调控 例如用兔网织红细胞粗
14、抽提液研究蛋白质合成时发现，如果不向这一体系中添加氯高铁血红素，网织红细胞粗抽提液中的蛋白质合成抑制剂就被活化，蛋白质合成活性在几分钟之内急剧下降，很快就彻底消失。现已查明，网织红细胞蛋白质合成的抑制剂HCI是受氯高铁血红素调节的eIF-2的激酶，可以使该因子的-亚基磷酸化并由活性型转变为非活性型。 再例如转运铁蛋白受体和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件。 IRE与IRE结合蛋白相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。当细胞处于缺铁或高铁水平时，能产生两个数量级的蛋白水平差异，却没有在mRNA水平上发现存在显著差异。3：3 UTR结构与mRNA稳定性调控：3端加尾 尾巴结构的生理功能：1) 穿越核膜。2) 对帽子有保护作用。细胞质中与核糖体结合的mRNA呈环状，一旦尾巴缩短，帽子也开始消失。3) 调节翻译效率。影响程度与尾巴的长度成正比。4) 维持mRNA的稳定。尾巴越长， mRNA的半衰期也就越长。例如（五）翻译后水平 1. 去除肽链合成的起始氨基酸。2. 去除信号肽。3. 二硫键的形成及氨基酸的共价修饰。4. 蛋白质的糖基化。5. 蛋白质前体剪辑。6. 蛋白质的分选和运输。参考文献：1分子生物学南京大学出版社2分子生物学课件3百度百科
