大學生物遺傳學：第七章基因的表達與調(diào)控(下)-真核基因表達調(diào)控的一般規(guī)律

第七章基因的表達與調(diào)控(下)

—真核基因表達調(diào)控的一般規(guī)律真核生物的基因組

真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因組結(jié)構(gòu)龐大3×109bp、染色質(zhì)、核膜單順反子基因不連續(xù)性斷裂基因（interruptedgene）、內(nèi)含子(intron)、外顯子(exon)非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)含有大量重復序列第一節(jié)真核生物的基因組●基因組很小，大多只有一條染色體●

結(jié)構(gòu)簡煉●存在轉(zhuǎn)錄單元多順反子原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點●有重疊基因二、真核細胞與原核細胞在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在以下幾個方面的差異試說明真核細胞與原核細胞在基因轉(zhuǎn)錄，翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在的主要差異，表現(xiàn)在哪些方面？武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題①在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。②真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，只有一小部分DNA是裸露的。③高等真核細胞DNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。④真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。⑤在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5’上游區(qū)DNA構(gòu)型來影響RNA聚合酶與它的結(jié)合。在原核生物中，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調(diào)控蛋白結(jié)合到調(diào)節(jié)位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結(jié)合。⑥真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運穿過核膜，到達細胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。

⑦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(zhì)。

三、基本概念（一）基因家族（genefamily)真核生物的基因組中有很多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關的基因，將這些基因稱為基因家族。同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(genecluster)。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族1.簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯(lián)方式前后相連。TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit2.復雜多基因家族

復雜多基因家族一般由幾個相關基因構(gòu)成，基因之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉(zhuǎn)錄單位?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復雜多基因家族。

Organizationofhistonegenesintheanimalgenome（二）斷裂基因基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，為非編碼序列所隔開，其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內(nèi)含子。外顯子(Exon)

：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進而翻譯為蛋白質(zhì)。內(nèi)含子(Intron)

：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。1.外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū)指外顯子和內(nèi)含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：內(nèi)含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性連接區(qū)序列很短，高度保守，是RNA剪接的信號序列5'GT——AG3'2.外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控組成型剪接：一個基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA。選擇性剪接：同一基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。(三)假基因是基因組中因突變而失活的基因，無蛋白質(zhì)產(chǎn)物。一般是啟動子出現(xiàn)問題。真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第二節(jié)真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類一、真核生物基因表達調(diào)控的特點1.RNA聚合酶2.多層次3.活性染色體結(jié)構(gòu)變化：對核酸酶敏感、DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化4.正性調(diào)節(jié)占主導5.轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進行6.轉(zhuǎn)錄后修飾、加工對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控－－轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控－－轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控（RNA加工成熟過程的調(diào)控、翻譯水平的調(diào)控、蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控）二、真核生物基因表達調(diào)控的種類：真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控

真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第三節(jié)真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控●基因丟失基因擴增基因重排DNA的甲基化與基因表達調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與基因表達調(diào)控●●●●抗體分子的形成Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)座子一、基因丟失在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。二、基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象，它使得細胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾卵原細胞中rRNA基因（rDNA）擴增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴增現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的發(fā)育控制利用流式細胞儀對從擬南芥不同發(fā)育階段的組織中分離到的間期細胞核進行分析，發(fā)現(xiàn)多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成正比。對于一給定的物種，C是單倍體基因組中的DNA質(zhì)量。將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達。三、基因重排四、DNA的甲基化與基因表達調(diào)控1.DNA的甲基化在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中

CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島

真核生物細胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：日常型甲基轉(zhuǎn)移酶：催化處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。從頭合成型甲基轉(zhuǎn)移酶：催化未甲基化的CpG成為mCpG2.DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機理DNA甲基化導致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，即抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合效率。五、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與基因表達調(diào)控按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)。1.活性染色質(zhì)活性染色質(zhì)由于核小體發(fā)生構(gòu)象的改變，往往具有疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)?！盁羲⑿汀比旧w真核細胞中基因轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的DNA，因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結(jié)構(gòu)，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉(zhuǎn)錄功能的關鍵。疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動。活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因5′端啟動子區(qū)域。2.活性染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（matrixattachmentregion，MAR），MAR一般位于DNA放射環(huán)或活性轉(zhuǎn)錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達水平10倍以上，說明MAR在基因表達調(diào)控中有作用，是一種新的基因調(diào)控元件。活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)。真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控

真核基因轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控Contents第四節(jié)真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達調(diào)控一、真核基因轉(zhuǎn)錄二、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要模式一、真核基因轉(zhuǎn)錄（一）真核基因結(jié)構(gòu)“基因”的分子生物學定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。（二）順式作用元件定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。例：啟動子、增強子、沉默子等（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結(jié)合并導致轉(zhuǎn)錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子元件（2）增強子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄起始位點上游約200bp處有兩段長72bp的正向重復序列。增強子特點：①增強效應十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍②增強效應與其位置和取向無關，不論增強子以什么方向排列（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應；

③大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強效應時所必需的；④增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能；⑤沒有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應；⑥許多增強子還受外部信號的調(diào)控，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應。增強子作用機理：（3）沉默子：某些基因含有負性調(diào)節(jié)元件——沉默子，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（三）反式作用因子1、定義：能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件的核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）2、結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域反式作用因子連接區(qū)

DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域：螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucinezipper）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH）螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋鋅指結(jié)構(gòu)配位鍵2-9個定義：是一種常出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元（motif）。是由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。

Cys2/Cys2鋅指Cys2/His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1，TFⅢA等轉(zhuǎn)錄因子SP1（GC盒）

、連續(xù)的3個鋅指重復結(jié)構(gòu)。堿性-亮氨酸拉鏈二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。肽鏈氨基端有一個含20～30個堿性氨基酸的結(jié)構(gòu)域，能與DNA結(jié)合。堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（四）轉(zhuǎn)錄起始復合物（一）概述單細胞生物

——直接作出反應多細胞生物

——通過細胞間復雜的信息傳遞系統(tǒng)來傳遞信息，從而調(diào)控機體活動。外界環(huán)境變化時二、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要模式信息傳遞→反式作用因子的活性跨膜信息傳遞的一般步驟：特定的細胞釋放信息物質(zhì)信息物質(zhì)經(jīng)擴散或血液循環(huán)到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結(jié)合受體對信息進行轉(zhuǎn)換并啟動細胞內(nèi)信使系統(tǒng)靶細胞產(chǎn)生生物學效應細胞間信息物質(zhì)：是由細胞分泌的調(diào)節(jié)靶細胞生命活動的化學物質(zhì)的統(tǒng)稱，又稱作第一信使。如生長因子、細胞因子、胰島素等第二信使(secondarymessenger)：在細胞內(nèi)傳遞信息的小分子物質(zhì)，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。受體：是細胞膜上或細胞內(nèi)能特異識別信息物質(zhì)并與之結(jié)合的成分。它是一種能把識別和接受的信息正確無誤地放大并傳遞到細胞內(nèi)部、進而引起生物學效應的特殊蛋白質(zhì)，個別是糖脂。

配體(ligand)：能與受體特異性結(jié)合的信息物質(zhì)。存在于細胞膜上的受體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換信號的方式又分為三大類：離子通道受體、G蛋白偶聯(lián)受體、跨膜蛋白激酶受體。膜受體(membranereceptor)胞內(nèi)受體(endocellularreceptor)高度可變區(qū)位于N端，具有轉(zhuǎn)錄活性DNA結(jié)合區(qū)含有鋅指結(jié)構(gòu)激素結(jié)合區(qū)位于C端，結(jié)合激素、熱休克蛋白，使受體二聚化，激活轉(zhuǎn)錄配體：類固醇激素、甲狀腺素等功能：多