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1、第七章 基因的表达与调控(下) 真核基因表达调控的一般规律,真核生物的基因结构与转录活性 真核生物基因表达调控的种类 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,真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因、内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列,第一节 真核生物的基因结构与转录活性, 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元多顺反子 有重叠基因,原核生物基因组结构特点,二、真核细胞与原核
2、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2003年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
3、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个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响RNA聚合酶与它的结合。 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上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。, 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
4、基因称为基因家族。,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 unit,2.复杂多基因家族,复杂多基因家族一般由几个相关基因构成，基因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的复杂多基因家族。,Organization of histone genes in the animal genome,（二）真核基因的断裂结构,基因的编
5、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.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，它有两个重要特征： 1）内含子的两端序列之间没有广泛的同源性 2）连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列（GT-AG法则） 5GTAG 3,2.外显子与内含子的可变调控,组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成
6、熟的mRNA。 选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。,(三)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。,第二节 真核生物基因表达调控的种类,根据其性质可分为两大类：,1) 瞬时调控(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。,2) 发育调控(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。,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 （RNA加工成熟过程的
7、调控、翻译水平的调控、蛋白质加工水平的调控）,第三节 真核生物DNA水平上的基因表达调控,基因丢失,基因扩增,基因重排,DNA的甲基化与基因表达调控,染色质的结构与基因表达调控,抗体分子的形成 Ti质粒 转座子,一、基因丢失,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、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。 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。,二、基因扩增,基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使得细胞在短期内产生大量的
8、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。 如非洲爪蟾卵原细胞中rRNA基因（rDNA）扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。,基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数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 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DNA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转录，这
9、种方式被称为基因重排。 通过基因重排调节基因活性的典型例子:免疫球蛋白结构基因的表达。,三、基因重排,四、DNA的甲基化与基因表达调控,1.DNA的甲基化,DNA 甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。,DNA 甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。,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：,日常型甲基转移酶：催化处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲
10、基化。,从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG,2.DNA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，即抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。,五、染色质的结构与基因表达调控,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。 活性染色质是指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。,1.活性染色质,活性染色质由于核小体发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构。,“灯刷型”染色体,真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合
11、酶能否有效行使转录功能的关键。 疏松的染色质结构便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。,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。,2.活性染色质的结构特点,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。,活性染色质上具有基因座控制区。,第四节 真核生物转录水平上的基因表达调控,一、真核基因
12、转录 二、真核基因转录调控的主要模式,一、真核基因转录 （一）真核基因结构,“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：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 例： 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元件,是在基因转录起始位点（+1）及其5上游大约100200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度大约720bp,是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。,（2）增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。
13、,SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200bp处有两段长72bp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3kb，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
14、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在各类顺式作用元件的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。,TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）,2、结构,DNA结合结构域（DNA识别）,转录活化结构域,反式作用因子,连接区,DNA结合结构域：,螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H
15、-T-H） 锌指结构（zinc finger） 碱性-亮氨酸拉链（basic - leucine zipper） 碱性-螺旋-环-螺旋（basic helix /loop /helix，bHLH）,螺旋-转折-螺旋（ H-T-H ）,锌指结构,配位键,2-9个,定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元（motif）。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。,Cys2 / Cys2锌指,Cys2 / His2锌指,见于甾体激素受体,见于SP1，TF A等,转录因子SP1 （GC盒） 、连续的3个锌指重复结构。,碱性
16、-亮氨酸拉链（ bZIP ）,二聚体 亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链” 。 肽链氨基端有一个含2030个碱性氨基酸的结构域，能与DNA结合。,碱性区与DNA相结合,碱性区与DNA相结合,位于螺旋疏水区的亮氨酸相互作用,碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH ),（一）概 述,单细胞生物 直接作出反应,多细胞生物 通过细胞间复杂的信息传递系统来传递信息，从而调控机体活动。,外界环境变化时,二、真核基因转录调控的主要模式,信息传递 反式作用因子的活性,跨膜信息传递的一般步骤：,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血液循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信息进行转换并启动细胞内信使
17、系统,靶细胞产生生物学效应,细胞间信息物质：是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称作第一信使。如生长因子、细胞因子、胰岛素等,第二信使(secondary messenger)：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。,受体：是细胞膜上或细胞内能特异识别信息物质并与之结合的成分。它是一种能把识别和接受的信息正确无误地放大并传递到细胞内部、进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,配体(ligand)：能与受体特异性结合的信息物质。,存在于细胞膜上的受体，根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体、G蛋白偶联受体、跨膜蛋白激
18、酶受体。,膜受体(membrane receptor),胞内受体(endocellular receptor),高度可变区,位于N端，具有转录活性,DNA结合区,含有锌指结构,激素结合区,位于C端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录,配体：类固醇激素、甲状腺素等,功 能：多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。,1、膜受体介导的信息传递,（1） cAMP -激酶途径,A激酶（PKA）：依赖于cAMP的蛋白激酶。,（二）信息传递途径,cAMP调控的A激酶活性,实例： 在肌肉细胞，激活的A激酶可在1秒钟内启动糖原磷酸解为葡萄糖-1-磷酸，而抑制糖
19、原的合成。,在某些分泌细胞，激活的A激酶需要几个小时才进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。 CRE（cAMP response element， cAMP应答元件）是DNA上的调节区域，是一个顺式作用元件。 (TGACGTCA) CRE结合蛋白(cAMP response element bound protein, CREB)，是一个反式作用因子。,小结：该信息传递途径涉及的反应链可表示为 激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的A激酶反式作用因子基因转录,磷脂酰肌醇- 4,5-二磷酸（PIP2）,磷脂酶C（PLC-）,肌醇- 1,4,5-三磷酸（IP3
20、）,二酰基甘油（DAG）,（2）磷脂酰肌醇途径,活性PKC,2、胞内受体介导的信息传递,激素激活胞内受体的分子机制,胞内受体的基本结构分析,细胞内受体的本质是激素激活的反式作用因子,甲状腺激素与类固醇激素通过胞内受体调节生理过程,第五节、真核基因转录后水平上的调控,（一）RNA的加工成熟,1、rRNA和tRNA的加工成熟,rRNA的切割,rRNA的加工：分子内的切割和化学修饰,rRNA的化学修饰 原核生物：碱基甲基化 真核生物：核糖甲基化,tRNA基因转录时也可能先生成前体tRNA，然后再进行加工成熟。一般认为，tRNA基因的初级转录产物在进入细胞质后，首先经过核苷的修饰，生成4.5S前体tR
21、NA，再行剪接成为成熟tRNA（4S）。,tRNA的加工：,2、mRNA的加工成熟,3、真核生物基因转录后加工的多样性,真核生物的基因可以按其转录方式分为两大类：简单转录单位和复杂转录单位。,(1) 简单转录单位。这类基因只编码产生一个多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。这类基因转录后加工有3种不同形式：,(2) 复杂转录单位。含有复杂转录单位的主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质的基因，它们除了含有数量不等的内含子以外，其原始转录产物能通过多种不同方式加工成两个或两个以上的mRNA，能编码产生多个多肽。,利用多个5端转录起始位点和剪接位点产生不同的蛋白质。,利用多个加多聚（A
22、）位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。,剪接，加多聚A,虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点的基因。,（二）翻译水平的调控,1、mRNA的稳定性与基因表达调控,例一：转运铁蛋白受体（TfR）和铁蛋白分别负责铁吸收和铁解毒（铁排泄）。这两个蛋白质的mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件（iron response element，IRE）。IRE与IRE结合蛋白（IREBP）相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。 当细胞缺铁时，IREBP与IRE具有高亲和力，两者的结合有效地阻止了铁蛋白mRNA的翻译，从而阻止了铁解毒（铁排泄）；与此同时，TfR mRNA上3非翻译区中的IRE也与IREBP特异结合，有效地阻止了TfR mRNA的降解，促进TfR的合成，从而促进铁吸收。,例二：催乳素能明显延缓酪蛋白的降解,2、 蛋白质因子的修饰与翻译起始调控 用兔网织红细胞粗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HCI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抑制剂HCI是受氯高铁血红素调节的eIF-2的激酶，可以使eIF-2的-亚基磷酸化并由活性型转变为非活性型。,