1、第八章 基因的表達(dá)與調(diào)控(下) 真核基因表達(dá)調(diào)控一般規(guī)律,真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 真核基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要組成 蛋白質(zhì)磷酸化對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜?duì)蛋白表達(dá)的影響 激素與熱激蛋白對(duì)基因表達(dá)的影響 其它水平上的表達(dá)調(diào)控,Contents, 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(diǎn), 有重疊基因,真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 主要由多細(xì)胞組成，每個(gè)細(xì)胞基因組中蘊(yùn)藏的遺傳信息量及基因數(shù)量都大大高于原核生物。人類細(xì)胞單倍體基因組有3109bp，為大腸桿菌總DNA的800倍，噬菌體的10萬倍左右3109bp、染色質(zhì)、 單順反子 基因不連

2、續(xù)性 斷裂基因（interrupted gene）、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(fù)序列,真核基因的表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)： 原核細(xì)胞環(huán)境因素對(duì)調(diào)控起決定性的作用。群體中每一個(gè)細(xì)胞對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)是直接的和一致的。 真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控最明顯的特征是能在特定時(shí)間，特定的細(xì)胞中激活特定的基因，實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育，并使生物的組織和器官保持正常功能。這是生命活動(dòng)規(guī)律決定的，環(huán)境因素在其中作用不大。,真核生物基因調(diào)控達(dá)到了原核生物所不可能有的深度和廣度,真核生物基因調(diào)控可分為兩大類： 第一類是瞬時(shí)調(diào)控或稱可逆性調(diào)控，它相

3、當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)，包括某種底物或激素水平升降，或細(xì)胞周期不同階段酶活性的調(diào)節(jié)； 第二類是發(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，決定了真核細(xì)胞生長、分化、發(fā)育的進(jìn)程。 根據(jù)基因調(diào)控發(fā)生的先后次序，又可分為： 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）。,研究基因調(diào)控的三個(gè)主要內(nèi)容： 誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號(hào)是什么？ 基因調(diào)控在哪一步（模板DNA的轉(zhuǎn)錄、mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成）實(shí)現(xiàn)的？ 不同水平基因調(diào)控的分子機(jī)制什么？,真核基因表達(dá)調(diào)控的主要步驟,真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 真核基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要組成 蛋白質(zhì)磷酸

4、化對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜?duì)蛋白表達(dá)的影響 激素與熱激蛋白對(duì)基因表達(dá)的影響 其它水平上的表達(dá)調(diào)控,Contents,真核細(xì)胞與原核細(xì)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(gè)方面的差異 p282,試說明真核細(xì)胞與原核細(xì)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(xué)2003年分子生物學(xué)碩士入學(xué)試題,8.1 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性, 在真核細(xì)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。, 真核細(xì)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。, 高等真核細(xì)胞DNA中很大部分是不

5、轉(zhuǎn)錄的，一些由幾個(gè)或幾十個(gè)堿基組成的DNA序列，在整個(gè)基因組中重復(fù)幾百次甚至上百萬次。大部分真核細(xì)胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。, 真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進(jìn)行DNA片段重排，還能在需要時(shí)增加細(xì)胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。這種能力在原核生物中極為罕見。, 在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對(duì)較大，它們可能遠(yuǎn)離啟動(dòng)子達(dá)幾百個(gè)甚至上千個(gè)堿基對(duì)，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個(gè)所控制基因5上游區(qū)DNA構(gòu)型來影響它與RNA聚合酶的結(jié)合能力。 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(dòng)子上游不遠(yuǎn)處，調(diào)控蛋白結(jié)合到調(diào)節(jié)位點(diǎn)上可直接促進(jìn)或抑制RNA聚合酶與它的結(jié)合。, 真核生物的RNA在細(xì)胞核中

6、合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)穿過核膜，到達(dá)細(xì)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(yán)格的空間間隔。, 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。,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(guān)的基因按功能成套組合，這些基因被稱為基因家族。,同一家族中的成員有時(shí)緊密地排列在一起，成為一個(gè)基因簇(gene cluster) 。,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,8.1.1 基因家族（gene family),更多時(shí)候，同一家族的成員分散在同一染色體不同部位，甚至位于不同染色體上，具有各自不同的表達(dá)調(diào)控模式。,1、簡單多基因家族 簡單多基因家

7、族中的基因一般以串聯(lián)方式前后相連。,在大腸桿菌中，16S，23s和5s rRNA基因聯(lián)合 成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元，各種rRNA分子都是從這個(gè)轉(zhuǎn)錄單位上剪切下來的。 細(xì)菌中所有rRNA和部分tRNA都來自這個(gè)分子量為30S（約6500個(gè)核苷酸）的前rRNA。,在真核生物中，前rRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的分子量為45S，（約有14 000個(gè)核苷酸），包括18S，28S和5.8S三個(gè)主要rRNA分子。,至少100處被甲基化,2、復(fù)雜多基因家族,復(fù)雜多基因家族一般由幾個(gè)相關(guān)基因家族構(gòu)成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復(fù)雜多基因家族。 海膽組蛋白基因家族：編碼不同組蛋白的基因處于

8、一個(gè)約為6 000bp的片段中，分別被間隔序列所隔開。這5個(gè)基因組成的串聯(lián)單位在整個(gè)海膽基因組中可能重復(fù)多達(dá)1 000次。,3. 發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜多基因家族,血紅蛋白是所有動(dòng)物體內(nèi)輸送分子氧的主要載體，由22組成的四聚體加上一個(gè)血紅素輔基（結(jié)合鐵原子）后形成功能性血紅蛋白。 在生物個(gè)體發(fā)育的不同階段出現(xiàn)幾種不同形式的和亞基。這是由于在發(fā)育不同階段，編碼和亞基的基因不同，編碼和亞基的基因是受發(fā)育調(diào)控的。 P285,8.1.2 真核基因的斷裂結(jié)構(gòu),真核基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，為非編碼序列所隔開，形成鑲嵌排列的斷裂方式，因此，真核基因也被稱為斷裂基因。其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序

9、列稱內(nèi)含子。,外顯子(Exon) ：真核細(xì)胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進(jìn)而翻譯為蛋白質(zhì)。 內(nèi)含子(Intron) ：真核細(xì)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。,哺乳動(dòng)物二氫葉酸還原酶基因，全長25-31kb左右，但其6個(gè)外顯子總長只有2kb。,基因中的內(nèi)含子數(shù)量和大小都不同。 膠原蛋白基因長約40kb，至少有40個(gè)內(nèi)含子，其中短的只有50bp，長的可達(dá)到2000bp。,2、外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū),外顯子-內(nèi)含子連接區(qū)指外顯子和內(nèi)含子的交界或稱邊界序列，它有兩個(gè)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，每

10、個(gè)內(nèi)含子5 端起始的兩個(gè)堿基都是GT，而3 端最后兩個(gè)堿基總是AG，稱為GT-AG法則，是RNA剪接的信號(hào)序列。,斷裂結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是外顯子-內(nèi)含子連接區(qū)的高度保守性和特異性堿基序列。,T,3、外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控,組成型剪接：一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA的過程。 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的過程。,8.1.3 真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控 在個(gè)體發(fā)育過程中，DNA會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，從而控制基因表達(dá)和生物的發(fā)育。 DNA水平的調(diào)控是真核生物發(fā)育調(diào)控的一種形式，包括基因丟失、擴(kuò)增、重排和移位等。這與轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)控是

11、不同的，這種調(diào)控使基因組發(fā)生了改變。 例如： 成熟紅細(xì)胞能產(chǎn)生大量的可翻譯出成熟珠蛋白的mRNA，但它的前體細(xì)胞是不產(chǎn)生珠蛋白的。這種變化是由于基因本身或者是基因的拷貝數(shù)發(fā)生了永久性變化所調(diào)控的。,基因擴(kuò)增：,基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)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。 非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個(gè)拷貝，在減數(shù)分裂粗線期，基因開始迅速復(fù)制，到雙線期拷貝數(shù)約為200萬個(gè)，擴(kuò)增近4000倍，可用于合成1012個(gè)核糖體，滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質(zhì)的需要。,基因重排與變換 將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的

12、地方移到較近的位點(diǎn)從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，被稱為基因重排。,例如：P 291 fig 8-11 b 免疫球蛋白的肽鏈主要由可變區(qū)（V區(qū)）、恒定區(qū)（C區(qū)）以及兩者之間的連接區(qū)（J,D區(qū)）組成，V、C和J、D基因片段在胚胎細(xì)胞中相隔較遠(yuǎn)。編碼產(chǎn)生免疫球蛋白的細(xì)胞發(fā)育分化時(shí)，通過染色體內(nèi)DNA重組把4個(gè)相隔較遠(yuǎn)的基因片段連接在一起，產(chǎn)生具有表達(dá)活性的免疫球蛋白基因。,8.1.4 DNA甲基化與基因活性的調(diào)控：,1、DNA的甲基化,DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。,DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一； DNA甲基化能關(guān)閉某些基因

13、的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。 DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。 研究證實(shí)，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導(dǎo)致了人體1/3以上由于堿基轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病。,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，這段序列被稱為CpG島 。,2、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制,DNA甲基化導(dǎo)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，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。 啟動(dòng)區(qū)DNA分子上的甲基化密度與基因轉(zhuǎn)錄

14、受抑制的程度密切相關(guān)。,對(duì)于弱啟動(dòng)子來說，稀少的甲基化就能使其完全失去轉(zhuǎn)錄活性。當(dāng)這一類啟動(dòng)子被增強(qiáng)時(shí)（帶有增強(qiáng)子），即使不去甲基化也可以恢復(fù)其轉(zhuǎn)錄活性。若進(jìn)一步提高甲基化密度，即使增強(qiáng)后的啟動(dòng)子仍無轉(zhuǎn)錄活性。P294 fig8-14,真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 真核基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要組成 蛋白質(zhì)磷酸化對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜?duì)蛋白表達(dá)的影響 激素與熱激蛋白對(duì)基因表達(dá)的影響 其它水平上的表達(dá)調(diào)控,Contents,真核基因調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行，受大量特定的順式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（transacting factor）調(diào)控。真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)

15、控大多數(shù)是通過順式作用元件和反式作用因子復(fù)雜的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。,8.2 真核基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的主要組成,8.2.1 真核基因的轉(zhuǎn)錄 一個(gè)完整的基因，不但包括編碼區(qū)（coding region），還包括5和3端長度不等的特異性序列，它們雖然不編碼氨基酸，卻在基因表達(dá)的過程中起著重要作用。所以，“基因”的分子生物學(xué)定義是：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。,順式作用元件 定義：影響自身基因表達(dá)活性的非編碼DNA序列。 例： 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等,（1）啟動(dòng)子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識(shí)別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。,真核基因啟動(dòng)子由核心啟動(dòng)子和上游啟動(dòng)子兩個(gè)部分組成，是在基因轉(zhuǎn)錄

16、起始位點(diǎn)（+1）及其5上游大約100200bp以內(nèi)的一組具有獨(dú)立功能的DNA序列。,核心啟動(dòng)子：是指保證RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-25-30bp處的TATA盒。 上游啟動(dòng)子：包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等。,（2）增強(qiáng)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(diǎn)上游約200 bp處有兩段長72 bp的正向重復(fù)序列。,若把增強(qiáng)子上兩個(gè)72bp重復(fù)序列同時(shí)刪除，基因表達(dá)水平會(huì)降低很多。,增強(qiáng)子特點(diǎn)：, 增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄

17、頻率增加10-200倍, 增強(qiáng)效應(yīng)與其位置和取向無關(guān)，不論增強(qiáng)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，均表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)；,大多為重復(fù)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(gè)核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)所必需的；, 增強(qiáng)效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細(xì)胞特異性，說明增強(qiáng)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；, 沒有基因?qū)Ｒ恍?，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)；, 許多增強(qiáng)子還受外部信號(hào)的調(diào)控， 如金屬硫蛋白的基因啟動(dòng)區(qū)上游所帶的增強(qiáng)子，就可以對(duì)環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應(yīng)。,（三）反式作用因子

18、,1、定義：能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)，也稱轉(zhuǎn)錄因子。,轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中，根據(jù)各個(gè)蛋白質(zhì)成分在轉(zhuǎn)錄中的作用，能將整個(gè)復(fù)合物分為3部分： 1. 參與所有或某些轉(zhuǎn)錄階段的RNA聚合酶亞基，不具有基因特異性。 2. 與轉(zhuǎn)錄的起始或終止有關(guān)的輔助因子，不具基因特異性。 3. 與特異調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。,研究較多的轉(zhuǎn)錄因子： TFD（TATA box）、CTF（CAAT box）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動(dòng)區(qū)）,真核生物中轉(zhuǎn)錄因子活性調(diào)節(jié)的主要方式 p300,這些轉(zhuǎn)錄因子有兩種獨(dú)立的活性： 1. 首先它們特異地與DNA結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合； 2