第七章基因的表達與調控下真核基因表達調控的一般規(guī)律

1、1. 1. 真核生物基因表達調控與原核不同點在于：真核生物基因表達調控與原核不同點在于：（1 1）轉錄激活與染色體轉錄區(qū)特定結構相）轉錄激活與染色體轉錄區(qū)特定結構相適應適應（2 2）正性調節(jié)占主導）正性調節(jié)占主導（3 3）轉錄與翻譯在空間上的分離）轉錄與翻譯在空間上的分離（4 4）更多、更復雜的調控蛋白）更多、更復雜的調控蛋白 2. 真核基因表達調控的主要步驟真核基因表達調控的主要步驟 （1 1） dnadna水平的調控水平的調控 染色質（染色質（chromatinchromatin）結構對基因表達）結構對基因表達的調控作用的調控作用 基因修飾對基因表達的調控作用基因修飾對基因表達的調控作用

2、基因丟失基因丟失 基因擴增基因擴增 基因重排基因重排 （2 2） 轉錄水平的調控轉錄水平的調控 轉錄水平的調控是真核基因表達調控中轉錄水平的調控是真核基因表達調控中最重要的環(huán)節(jié)，大多數(shù)生物基因在轉錄水平的最重要的環(huán)節(jié)，大多數(shù)生物基因在轉錄水平的調控是決定細胞質中調控是決定細胞質中mrnamrna水平的一個最重要方水平的一個最重要方式，調控主要通過反式作用因子和式，調控主要通過反式作用因子和rnarna聚合酶聚合酶的相互作用來實現(xiàn)。的相互作用來實現(xiàn)。 真核生物基因真核生物基因轉錄調控的三大要素：轉錄調控的三大要素： dnadna調控單元調控單元 調控蛋白調控蛋白 rnarna合成酶合成酶 （3）

3、 轉錄后水平的調控轉錄后水平的調控 轉錄后水平的調控一般是指基因轉錄后對轉錄后水平的調控一般是指基因轉錄后對轉錄產物進行一系列修飾、加工過程，主要包轉錄產物進行一系列修飾、加工過程，主要包括括mrnamrna選擇性剪切、胞內定位以及選擇性剪切、胞內定位以及mrnamrna穩(wěn)定性穩(wěn)定性調節(jié)調節(jié) （4 4）翻譯水平的調控翻譯水平的調控 翻譯水平的調控主要是控制翻譯水平的調控主要是控制mrnamrna的穩(wěn)的穩(wěn)定性和定性和mrnamrna翻譯的起始頻率，是一種迅速控翻譯的起始頻率，是一種迅速控制基因表達的方式，是各種高等生物廣泛采制基因表達的方式，是各種高等生物廣泛采用的調控方式。用的調控方式。 翻譯

4、水平上的調控機制大致可以分為翻譯水平上的調控機制大致可以分為兩種類型：兩種類型： 固定裝置式調控固定裝置式調控 非固定裝置式調控非固定裝置式調控 （5 5） 翻譯后水平的調控翻譯后水平的調控 mrna翻譯的產物新生多肽鏈大多翻譯的產物新生多肽鏈大多是沒有生物學活性的，必須經(jīng)過加工、修飾是沒有生物學活性的，必須經(jīng)過加工、修飾才能成為有活性的蛋白質才能成為有活性的蛋白質 第一節(jié)第一節(jié) 真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物的基因結構與轉錄活性 一一.真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及及dnadna空間結構等方面存在的差異空間結構等方面存在的差異 （1 1）在真核細

5、胞中，一條成熟的）在真核細胞中，一條成熟的mrnamrna鏈只鏈只能翻譯出一條多肽鏈能翻譯出一條多肽鏈 ，很少存在原核生物中，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。常見的多基因操縱子形式。 （2 2）真核細胞）真核細胞dnadna與組蛋白和大量非組蛋與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分白相結合，只有一小部分dnadna是裸露的。是裸露的。 （3 3）高等真核細胞）高等真核細胞dnadna中很大部分是不轉中很大部分是不轉錄的，有由幾個或幾十個堿基組成的錄的，有由幾個或幾十個堿基組成的dnadna重復重復序列，基因中還有不翻譯的內含子。序列，基因中還有不翻譯的內含子。 （4）真核生物能夠

6、有序地根據(jù)生長發(fā)育階）真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行段的需要進行dna片段重排，還能在需要時增片段重排，還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數(shù)，原核生物沒有這加細胞內某些基因的拷貝數(shù)，原核生物沒有這種能力。種能力。 （5）在原核生物中，轉錄的調節(jié)區(qū)都很小，）在原核生物中，轉錄的調節(jié)區(qū)都很小，大都位于轉錄起始位點上游不遠處，調控蛋白大都位于轉錄起始位點上游不遠處，調控蛋白結合到調節(jié)位點可直接促進或抑制結合到調節(jié)位點可直接促進或抑制rna聚合酶聚合酶對它的結合。在真核生物中，基因轉錄的調節(jié)對它的結合。在真核生物中，基因轉錄的調節(jié)區(qū)則大得多，它們可能遠離核心啟動子幾百甚區(qū)則大得多，它們

7、可能遠離核心啟動子幾百甚至上千個堿基對。調節(jié)區(qū)可與調節(jié)位點結合，至上千個堿基對。調節(jié)區(qū)可與調節(jié)位點結合，但并不直接影響啟動子區(qū)對于但并不直接影響啟動子區(qū)對于rna聚合酶的接聚合酶的接受程度，而是通過整個所控制基因受程度，而是通過整個所控制基因5上游區(qū)上游區(qū)dna構型來影響它與構型來影響它與rna聚合酶的結合能力。聚合酶的結合能力。 （6）真核生物的）真核生物的rna在細胞核中合成，只在細胞核中合成，只有經(jīng)轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被有經(jīng)轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質。原核生物中不存在嚴格的空翻譯成蛋白質。原核生物中不存在嚴格的空間間隔，轉錄和翻譯是相偶聯(lián)的。間間隔，轉錄和

8、翻譯是相偶聯(lián)的。 （7）許多真核生物的基因只有經(jīng)過復雜的）許多真核生物的基因只有經(jīng)過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質。成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質。 二二. 基因家族基因家族 gene family 1. 概念概念 基因組中來源相同、結構相似、功能相基因組中來源相同、結構相似、功能相關的一組基因成為基因家族（關的一組基因成為基因家族（gene family）。）。一些基因彼此靠近，成串地排列在一起，這一些基因彼此靠近，成串地排列在一起，這種基因排列結構叫基因簇（種基因排列結構叫基因簇（gene cluster）。在基因家族結構中經(jīng)常會看到基因簇結構。在基因家族結構中經(jīng)常會

9、看到基因簇結構。 基因簇基因簇多順反子結構多順反子結構 2. 分類：分類： （1） 串聯(lián)重復多基因家族串聯(lián)重復多基因家族 組蛋白、組蛋白、trna rrna （2） 分散重復多基因家族分散重復多基因家族 alu 家族家族 （3） 不同組織、細胞類型、發(fā)育時期表不同組織、細胞類型、發(fā)育時期表達的多基因家族達的多基因家族 同工酶（珠蛋白）同工酶（珠蛋白） 3. 簡單多基因家族簡單多基因家族 研究發(fā)現(xiàn)，不同真核生物的研究發(fā)現(xiàn)，不同真核生物的rrna轉錄起始位點鄰近轉錄起始位點鄰近的序列完全不同的序列完全不同rna聚合酶聚合酶 i 啟動子區(qū)有較大變異。啟動子區(qū)有較大變異。 rrna基因具有轉錄的種屬特

10、異性?；蚓哂修D錄的種屬特異性。 rrna基因的特點：基因的特點： 以基因家族、基因簇的形式串聯(lián)排列，外顯子較以基因家族、基因簇的形式串聯(lián)排列，外顯子較為保守，內含子的長度和序列有較大差異。為保守，內含子的長度和序列有較大差異。 （1.）細菌的）細菌的rrna基因家族基因家族（2.）脊椎動物的）脊椎動物的rrna基因家族基因家族 4. 復雜多基因家族復雜多基因家族 特點：特點： （1）由幾個相關基因家族構成）由幾個相關基因家族構成 （2）基因家族之間由間隔序列隔開）基因家族之間由間隔序列隔開 （3）獨立轉錄）獨立轉錄 5. 發(fā)育調控的復雜多基因家族發(fā)育調控的復雜多基因家族 （1.）珠蛋白基因的

11、基本結構）珠蛋白基因的基本結構 （2.）人不同發(fā)育期珠蛋白基因的表達）人不同發(fā)育期珠蛋白基因的表達 二二. 真核基因的斷裂結構真核基因的斷裂結構 1. 斷裂基因斷裂基因interrupted gene：在一個結構基因中，：在一個結構基因中，編碼一個蛋白質不同區(qū)域的各個編碼一個蛋白質不同區(qū)域的各個外顯子并不連續(xù)排列外顯子并不連續(xù)排列在一起，而被長度不等的內含子所隔開。在一起，而被長度不等的內含子所隔開。 2. 外顯子與內含子的連接區(qū)外顯子與內含子的連接區(qū) 大多數(shù)內含子都有特異的保守序列，其大多數(shù)內含子都有特異的保守序列，其5端為端為gt，3端為端為ag。 3. 外顯子與內含子的可變調控外顯子與內

12、含子的可變調控 （1）組成型剪接）組成型剪接 （2）選擇性剪接）選擇性剪接 三三. 真核生物真核生物dna水平上的基因表達調控水平上的基因表達調控 是真核生物發(fā)育調控的一種形式，包括基是真核生物發(fā)育調控的一種形式，包括基因丟失、擴增、重排和移位等方式，通過消除因丟失、擴增、重排和移位等方式，通過消除或變換某些基因并改變它們的活性?；蜃儞Q某些基因并改變它們的活性。 1. “開放開放”型活性染色質結構對轉錄的影響型活性染色質結構對轉錄的影響 核小體結構的消除或改變、核小體結構的消除或改變、dna分子從右旋型分子從右旋型變?yōu)樽笮偷龋菇Y構基因暴露，促進轉錄因子與啟變?yōu)樽笮偷龋菇Y構基因暴露，促進

13、轉錄因子與啟動子結合，誘發(fā)基因鉆錄。動子結合，誘發(fā)基因鉆錄。 2. 基因擴增：指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增基因擴增：指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象，它使細胞在短期內產生大量的基因產物以加的現(xiàn)象，它使細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。 3. 基因重排與變換基因重排與變換 基因重排：將一個基因從遠離啟動子的地方移到基因重排：將一個基因從遠離啟動子的地方移到它很近的位點從而啟動轉錄的方式。它很近的位點從而啟動轉錄的方式。 四四. dna甲基化與基因活性的調控甲基化與基因活性的調控 dna甲基化能關閉某

14、些基因的活性，去甲基化則甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。誘導了基因的重新活化和表達。dna甲基化能引起染甲基化能引起染色質結構、色質結構、dna構象、構象、dna穩(wěn)定性、穩(wěn)定性、dna與蛋白質相與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達?；プ饔梅绞降母淖儯瑥亩刂苹虮磉_。 1. dna的甲基化的甲基化 （1）主要產物：）主要產物：5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5-mc）、少量）、少量n6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（n6-ma）和）和7-甲基鳥嘌呤（甲基鳥嘌呤（7-mg）。）。 （2）主要形成部位：）主要形成部位：cpg、cpxpg、cca/tgg和和gatc中

15、的中的c。2. dna甲基化抑制基因轉錄的機理甲基化抑制基因轉錄的機理 3. dna甲基化與甲基化與x染色體失活染色體失活 x染色體失活是發(fā)育過程中獨特的調節(jié)機制。雌性染色體失活是發(fā)育過程中獨特的調節(jié)機制。雌性胎生哺乳動物細胞著兩條胎生哺乳動物細胞著兩條x染色體之一在發(fā)育早期隨機染色體之一在發(fā)育早期隨機失活，以確保與只有一條失活，以確保與只有一條x染色體的雄性個體染色體的雄性個體x染色體染色體基因的劑量相同?；虻膭┝肯嗤?結果：常形成一個結果：常形成一個x染色體中心染色體中心barr小體。小體。 第二節(jié)第二節(jié) 真核基因的轉錄真核基因的轉錄 一一.真核生物基因轉錄的特點：真核生物基因轉錄的特

16、點： 1. 轉錄啟動子結構復雜，不同類型的轉錄啟動子結構復雜，不同類型的rna有不同的啟動序列；有不同的啟動序列； 2. 多種多種rna聚合酶轉錄不同的聚合酶轉錄不同的rna產物；產物； 3. 多個調節(jié)因子參與轉錄調節(jié)；多個調節(jié)因子參與轉錄調節(jié)； 4. 轉錄和翻譯在時間和空間上分隔，轉錄轉錄和翻譯在時間和空間上分隔，轉錄后存在廣泛的加工。后存在廣泛的加工。 二二.真核基因的基本組成真核基因的基本組成三三.真核啟動子真核啟動子 1. 概念：概念： 真核基因啟動子由核心啟動子和上游啟真核基因啟動子由核心啟動子和上游啟動子兩個部分組成，是在基因轉錄起始位點動子兩個部分組成，是在基因轉錄起始位點（+1

17、）及其）及其5上游大約上游大約100200bp以內的一組以內的一組具有獨立功能的具有獨立功能的dna序列每個元件長度大約序列每個元件長度大約為為720bp，是決定，是決定rna聚合酶聚合酶ii轉錄起始位轉錄起始位點和轉錄頻率的關鍵元件。點和轉錄頻率的關鍵元件。 2.真核基因真核基因啟動子有三種類型：啟動子有三種類型： （1）基因內啟動子）基因內啟動子 （2）基因外啟動子）基因外啟動子 （3）混合啟動子）混合啟動子（1.）基因內啟動子基因內啟動子 轉錄起始識別區(qū)位于轉錄區(qū)域內部，轉轉錄起始識別區(qū)位于轉錄區(qū)域內部，轉錄起始頻率由轉錄起始位點負責。錄起始頻率由轉錄起始位點負責。（2）基因外啟動子）基

18、因外啟動子 位于轉錄序列上游（位于轉錄序列上游（caat盒和盒和gc盒）盒） （3）混合啟動子）混合啟動子 具有基因內和基因外混合啟動子元件。具有基因內和基因外混合啟動子元件。 如：海膽硒代半胱氨酸如：海膽硒代半胱氨酸t(yī)rna基因基因 第三節(jié)第三節(jié) 反式作用因子反式作用因子 1. 順式調控元件順式調控元件cis acting elements： 位于基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響位于基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的轉錄的dna序列，包括啟動子、增強子等。序列，包括啟動子、增強子等。 2. 反式調控因子反式調控因子trans acting factors： 與上特異序列結合的蛋白因子

19、，對轉與上特異序列結合的蛋白因子，對轉錄起調控作用。如聚合酶等。錄起調控作用。如聚合酶等。 3. 轉錄復合物包括轉錄復合物包括3個部分個部分 （1）參與所有或某些階段的）參與所有或某些階段的rna聚合酶亞聚合酶亞基，不具有基因特異性；基，不具有基因特異性； （2）與轉錄起始或終止有關的輔助因子，不）與轉錄起始或終止有關的輔助因子，不具有基因特異性；具有基因特異性； （3）與特異調控序列結合的轉錄因子。）與特異調控序列結合的轉錄因子。 一一. 反式作用因子中的識別或結合域反式作用因子中的識別或結合域 1. 螺旋螺旋-轉折轉折-螺旋（螺旋（helix-turn- helix ） 2. 鋅指結構（鋅指結構（zinc finger） 3. 堿性亮氨酸拉鏈（堿性亮氨酸拉鏈（basic-l