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1、第十四章第十四章 真核生物基因真核生物基因的表达调控的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Contents一、真核基因组结构特点一、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 3109bp、染色质、核膜、染色质、核膜单顺反子单顺反子基因不连续性基因不连续性 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第一
2、节 真核生物的基因组 基因组很小，大多只有一条染色体基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼结构简炼 存在转录单元多顺反子存在转录单元多顺反子 有重叠基因有重叠基因原核生物基因组结构特点真核基因组的复杂性真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂， 真核基因组比原核基因组大得多；真核基因组比原核基因组大得多； 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体如线粒体DNA等等)； 二倍体；二倍体； 单顺贩子；真核细胞的许多
3、活性蛋白是由相同和不同的多单顺贩子；真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。 大量的重复序列；不连续基因；大量的重复序列；不连续基因； 增加了基因表达调控的层次和复杂性。增加了基因表达调控的层次和复杂性。 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 试说明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的主要差异，表现在哪些方面？ 武汉大学分子生物学硕士入学试题 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少存在原核生物中
4、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，这些调节区一般通过改变整个所个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因控制基因5上游区上游区DNA构型来影响它与构型来影响它与RNA聚合酶的结合能
5、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，调控蛋白结合到调位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它聚合酶与它的结合。的结合。 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，才能顺利地翻译成蛋白质。三、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
6、。 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。The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit2、复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由复杂多基因家族一般由几个相关基因家族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。的复杂多基因家族。Organization
7、of histone genes in the animal genome（二）断裂基因（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 1、外显子与内含子的连接区、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，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：它有两个重要特征：内含子的两端序列之间没有
8、广泛的同源性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，是连接区序列很短，高度保守，是RNARNA剪接的剪接的信号序列信号序列 5GT5GTAG 3AG 32 2、外显子与内含子的可变调控、外显子与内含子的可变调控组成型剪接组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的接只能产生一种成熟的mRNAmRNA。选择性剪接选择性剪接：同一基因的转录产物由于不：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同同的剪接方式形成不同mRNAmRNA。 ( (三三) )假基因假基因 是基因组中因突变而失活的基因，是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一
9、般是启动子出现无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。问题。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 真核基因表达调控的最显著特真核基因表达调控的最显著特征是能在征是能在特定时间特定时间和和特定的细胞特定的细胞中激中激活活特定的基因特定的基因，从而实现，从而实现“预定预定”的、的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，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
10、一定的环境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。条件范围内保持正常功能。 原核生物真核生物操纵元调控。多样化调控，更为复杂。 基因组小，大肠杆菌：总长4.6106 bp, 编码4288个基因, 每个基因约1100bp。 基因组大，人类基因组全长3109 bp，编码10万个基因，其余为重复序列。 基因分布在同一染色体上，操纵元控制。 DNA与组蛋白结合成染色质, 染色质的变化调控基因表达；基因分布在不同的染色体上, 存在不同染色体间基因的调控问题。 适应外界环境，操纵元调控表达。 基因差别表达是细胞分化和功能的核心。转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控。 转录和翻译在时间和
11、空间上均不同，从DNA到蛋白质的各层次上都有调控，但多数为转录水平调控真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多多级调控多级调控DNA水平水平基因丢失基因丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排甲基化修饰甲基化修饰染色质的结构状态染色质的结构状态RNA水平水平转录转录水平调控水平调控RNARNA的转录后加工的转录后加工mRNAmRNA向胞浆转运向胞浆转运mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质蛋白质水水 平平翻译过程翻译过程翻译后加工翻译后加工蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性 一、真核生物调控的特点一、真核生物调控的特点基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主转录与翻译在不
12、同的区域进行转录与翻译在不同的区域进行无操纵子和衰减子无操纵子和衰减子个体发育复杂个体发育复杂受环境影响较小受环境影响较小根据其性质可分为两大类：一是一是瞬时调控或称为可逆性调控瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬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。细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。二是二是发育调控或称不可逆调控发育调控或称不可逆调控，是真核基因，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长
13、、分化、发育的全部进程。分化、发育的全部进程。二、真核生物基因表达调控的种类：根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控水平调控转录水平调控转录水平调控转录后水平调控转录后水平调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、真核生物基因表达调控的种类：第三节第三节 真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 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Ti质粒质粒转座子转座子一、基因丢失：一、基因丢失： 在细胞分化过程中，可
14、以通过丢失掉某些在细胞分化过程中，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、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。整套的染色体。 目前，在高等真核生物（包括动物、植物）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。中尚未发现类似的基因丢失现象。二、基因扩增：二、基因扩增： 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一
15、性增大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物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。种方式。 如非洲爪蟾体细胞中如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。育需要而出现的基因扩增现象。卵母细胞卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增基因卵裂时，扩增2000倍，达倍，达1012个核糖体个核糖体 基因组拷贝数增加，即基因组拷贝数增加，即多倍性，多倍性，在植在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加
16、使可供遗传重组的物质增多，这可增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。最终物种形成的一种方式。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在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，发现多倍体的核进行分析，发现多倍体的DNA含量与组织的含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，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。质量。将一个基因从远离启动
17、子的地方移到距它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，这种方式被称很近的位点从而启动转录，这种方式被称为为基因重排基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白免疫球蛋白结构基因的表达。结构基因的表达。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.DNA1.DNA的甲基化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：真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：日常型
18、甲基转移酶日常型甲基转移酶 从头合成型甲基转移酶从头合成型甲基转移酶 DNA水平的调控DNA甲基化(DNA methylation)：mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)”甲基化(methylated)程度高，基因表达降低； 去甲基化(undermethylated)：基因表达增加。DNA甲基化与X染色体失活雌性胎生哺乳动物细胞中两条雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在染色体之一在发育早期随机失活发育早期随机失活X染色体失活中心（染色体失活中心（X-chromosome inactivation center, Xic）: Xist基因（基因（Xi-specific
19、transcript）XistX染色体染色体其他位点其他位点甲基化，不转录甲基化，不转录活性活性去甲基化，活性去甲基化，活性去甲基化，转录去甲基化，转录失活失活甲基化，失活甲基化，失活2 2、DNADNA甲基化抑制基因转录的机理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。 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：按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质和非活性染色质活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的，所谓活性染色质是指具有转
20、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。染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往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式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。聚合酶在转录模板上滑动。活性染色质活性染色质 真核细胞中真核细胞中基因转录的模板是基因转录的模板是染色质染色质而不是裸露的而不是裸露的DNA，因此因此染色质呈疏松或紧密结构，即是染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定否处于活化状态是决定RNA聚合聚合酶
21、能否有效行使转录功能的关键。酶能否有效行使转录功能的关键。活性染色质的主要特点在结构上：在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点活性染色质上具有基因座控制区活性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。 每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因5端启动子区域。 活性染色质上具有核基质结合区（matrix attachment region ，MAR） MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。活性染色体结构变化活性
22、染色体结构变化1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感 活活化化基基因因常常有有超超敏敏位位点点，位于调节蛋白结合位点附近。位于调节蛋白结合位点附近。2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在。均以负性超螺旋构象存在。基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3. DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。第四节第四节 真核生物转录水平上的真核生物转录水平上的基因表达调控基因表达调控一、真核基因转录（一）真核基因结
23、构“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。（二）顺式作用元件定义：影响定义：影响自身基因自身基因表达活性的非编码表达活性的非编码DNA序列。序列。 例：例： 启动子、增强子、沉默子等启动子、增强子、沉默子等（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。核心启动子和上游启动子（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。序列。 SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200 bp处有两段长72 bp的正向重复序列。增强子特点： 增强效应十分明显，一般能使基因
24、转录频率增加10-200倍 增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的； 增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质(转录因子)相互作用才能发挥其功能； 没有基因专一性，可以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，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子作用机理： （3）沉
25、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。（三）反式作用因子 1、定义：能直接或间接地识别或结合定义：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的与调控靶基因转录效率的蛋白质蛋白质。 TFDTFD（TATATATA）、）、CTFCTF（CAATCAAT）、）、SP1SP1（GGGCGGGGGCGG）、）、HSFHSF（热激蛋白启动区）（热激蛋白启动区）2、结构DNA结合结构域结合结构域转录活化结构域转录活化结构域结构域结构域连接区（1 1）DNADNA结合结构域：结合结构域：螺旋螺旋-转
26、折转折-螺旋（螺旋（Helix-turn-helixHelix-turn-helix，H-T-HH-T-H）锌指结构锌指结构（zinc fingerzinc finger）碱性碱性-亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic - leucine zipper）碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix /loop /helix，bHLH）1、螺旋、螺旋-转折转折-螺旋螺旋2 2、锌指结构、锌指结构配位键配位键2-9个个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。 C
27、ys2 / 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 A等等转录因子转录因子SP1 （GC盒）盒） 、连续的连续的3个锌指重复结构。个锌指重复结构。 3、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” 。肽链氨氨基基端端2030个个富富含含碱碱性性氨氨基基酸酸结构构域域与与DNA结合。合。这类蛋白质的这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。 定义：出现在DNA结合蛋白质和其它蛋白质中的一种结构基元（motif）。当来自同一个或不同多肽链的两个-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。 4 4、碱性、碱性- -螺旋螺旋- -环环- -螺旋螺旋（四）转录起始复合物
