分子生物学-14-1-第八章真核基因表达调控-1-概念和分类1

1、第8章 真核基因表达调控 课程教案授课题目：真核基因表达调控模式基本概念教学时数：2授课类型： 理论课 实践课教学目的、要求：真核基因表达调控的基本概念（理解）真核基因调控机制（掌握） 真核与原核的基因结构上的区别，基因组水平的区别教学重点：重点阐明：真核转录机器的主要组成重点指出：真和调控的多层性。 本节重点指明染色体、基因组、DNA水平上的调控教学难点：绝对难点：如何激活转录的的机制相对难点：无教学方法和手段：老师讲授为主：讲授 视频演示 PPT演示 讨论。以电脑幻灯片边演示边讲述为主，（白板课件）辅以板书（黑板板书）学生回答问题为辅：（如时间等条件许可的情况下）注：以下内容按实际需要进行

2、取舍 要求有多媒体，因为信息量大，许多结构图需要媒体放映，效果才好教学内容与教学设计：教学设计先介绍本章的主要内容，然后通过古人的箴言引出分子生物学上重要的理论，指出道理的相同性，随后给出表达调控相关的一系列概念或者已有的观点，然后介绍与调控直接相关的两大类元件：转录控制区和转录信息区，指明真核基因表达调控是一个非常复杂的过程，其结构也是最复杂的。然后介绍相关的重要概念。教学导入DNA的图片、基因开关图片8.0 基因表达调控相关的概念或观点人法地 地法天 天法道 道法自然绳锯材断，水滴石穿，学道者须要力索水到渠成，瓜熟蒂落，得道者一任天机 把绳索当锯子摩擦久了可锯断木头；水滴落在石头上时间一久

3、就可贯穿坚石，做学问的人也要努力用功才能有所成就；各方细水汇集在一起能形成一道河流，瓜果成熟之后自然会脱落 DNA分子的双股螺旋结构的阐明，基因开关的发现，都是科学家研究自然所得到的重大认识 什么是真核基因表达？基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物或者只通过转录而产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。 一般整个过程包括 基因结构的活化转录起始转录过程胞浆转运mRNA翻译蛋白质加工蛋白质定位、作用 什么是真核基因调控？指顺式作用元件和反式作用因子相互作用来控制基因的启动和关闭、活性的增加和减弱、表达过程的进行和终止的作用。基因调控可以发生在基因表达的连续步骤的任何一个步骤。 真核生物与

4、原核生物的基因组结构特点比较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interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon)非编码区较多 多于编码序列(9:1)含有大量重复序列原核生物基因组结构特点基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼存在转录单元多顺反子 真核生物基因表达调控的种类：根据其性质可分为两大类：一、瞬时调控或称为可逆性调控，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。二、发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它

5、决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。在个体发育过程中，DNA会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为： 真核生物基因表达调控的主要水平1. 染色体水平上的调控-含基因组水平染色体丢失、基因丢失、扩增、重排、 可动基因的移动、基因组倍性2. 染色质水平上的调控染色质活化（DNase超敏位点改变染色质结构）染色质重建（核小体解离）组蛋白的修饰 (去)甲基化、(去)乙酰化、(去)磷酸化3. DNA水平上的调控DNA甲基化、去甲基化4. 转录水平上的调控顺式作用（启动子、增强子、沉默子、绝缘子）反式作用（转录调控因子、转录激活因子、甾体激素）

6、MicroRNAs5. RNA加工水平的调控初始转录物的活化、修饰、选择性剪接、mRNA稳定性6. 翻译水平的调控5、3非翻译区的调控7. 蛋白质水平的调控蛋白质的激活和失活、蛋白质剪切 真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点1、RNA聚合酶不同2、多层次，不存在超基因式操纵子结构 3、个体发育复杂：基因表达的时间性和空间性强 时间性：个体发育的不同阶段，空间性：在不同组织和器官中是真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现预定的、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一定的环境条件范围内保持正常功能4、活性染色质结构变化：

7、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，转录和翻译分开进行 7、转录后修饰、加工，初级转录产物要经过转录后加工修饰 8.1真核生物的基因结构与转录活性 真核基因结构之关键元件8.1.1 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。 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 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) 。 超基因(super gene)是指作用于一种性状或作用于一系列相关性状的几

8、个紧密连锁的基因。1、简单多基因家族及其特点：简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。简单多基因家族主要以tRNA、rRNA基因家族为主。简单多基因族中的基因的表达调控主要与核糖体组装、蛋白质翻译、小胞质RNA参与的各类加工有关。与发育的关系不是很强，组织特异性不强，具有普遍性。基因的结构比较简单。比如：The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit存在串联重复基因是真核生物基因组结构的另一个特点：其特点是各成员之间有高度的序列一致性甚至完全相同，拷贝数高、非转录的间隔区短而一致。组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因都是串联重复基因，这些基因的产

9、物在细胞中都是大量需要的,属于典型的串联重复基因。2 复杂多基因家族及其特点复杂多基因家族一般由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。这种复杂多基因家族的基因表达通常与发育调控直接相关。组织特异性强。基因的结构比较复杂。 比如：Organization of histone genes in the animal genome3 发育调控的复杂多基因家族及其特点所有动物的血红蛋白基因的结构相同，由和亚基组成，但是在个体发育的不同时期，却出现不同形式的亚基，其结合氧的能力大大不同。 假基因：是基因组中因突变而失活的基因，无蛋

10、白质产物。一般是启动子出现问题。常见于多基因家族的成员中。作业布置：1 武汉大学分子生物学硕士入学试题： 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？ 答案：page 282课后小结：该内容的教学设计上，本教案采用了强化知识点之间的联系，多种媒体结合，难点问题（基因结构）采用逐次分解的方式，提高学生的认识，采用了联系、引导、提问、尤其是问题引导式教学和俗语话类比的教学方式，非常有助于学生理解和记忆，能够达到充分发挥学生求知主动性的目的和教学效果。总的来说以上所设计的解决重点、难点的方法，贯彻了新教改的教学思想，多年来采用这种方法都收到良好的教学

11、效果，实现了教学计划的教学目标。 设计的理念：问题引导式教学与俗语化分解相结合介绍最新进展给出最新有的观点简单复习阐明概念简单的是什么信号？进一步解释此处举例：玉米花丝雄花丝雌花丝基因只有在它应该发挥作用的细胞和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态例如：在一株玉米的全部细胞内都有发育雌花丝的基因，但是在根、茎、叶上不会长出雌花丝来，只有在形成子房后，在子房的顶端才长出雌花丝。复习图示重点详细介绍注意对比比较图示注意比较解释：排列方法有差异转录方向有区别强调： 学内容与教学设计：教学设计续上节，没有什么特殊设计。教学导入续上节 开门见山8.1.2 断裂基因基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为

12、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。 DNA分子的双股螺旋结构的阐明，基因开关的发现，都是科学家研究自然所得到的重大认识 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：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RNA剪接的信号序列 5GTAG 3 5CATC 3 5GUAG 3 外显子与内含子的可变调控通常，一个基因的

13、转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟mRNA。由于选择性剪接，有一些真核生物基因的原始转录产物可通过不同的剪接方式，产生不同的mRNA。一些核基因由于转录时选择不同的启动子，使mRNA表达水平发生极大的变化。 重复序列除了复杂的染色体结构之外，重复序列的存在是真核生物DNA区别于原核生物DNA的一个重要特征。轻度、中度、高度重复序列三种：轻度重复序列：单拷贝基因；一个基因组中有一个或几个拷贝的序列；例如结构基因基本上属于不重复序列，如蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白等。中度重复序列：l0个至几百个拷贝的序列；各种rRNA、tRNA及某些结构蛋白基因（如组蛋白基因）。高度重复序列：从几百到几百万个，通常

14、说的卫星DNA就属于高度重复序列。重复序列的生物学意义（功能？）a. 参与复制水平的调节反向序列常存在于DNA复制起点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶）和DNA的结合位点。b. 参与基因表达的调控DNA的重复顺序可以转录到核内不均一RNA分子中，而有些反向重复顺序可以形成发夹结构，这对稳定RNA分子，免遭分解有重要作用.c. 参与转座作用几乎所有转位因子的末端都包括反向重复顺序，长度由几个bp到1400bp。由于这种顺序可以形成回文结构，因此在转座作用中即能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特异酶所识别。d. 与进化有关不同种属的高度重复顺序的核苷酸序列不同，具有种属特异

15、性，但相近种属又有相似性。如人的卫星DNA长度仅差1个碱基（前者为171bp，后者为172bp），而且碱基序列有65是相同的，这表明它们来自共同的祖先。在进化中某些特殊区段保守的，而其他区域的碱基序列则累积着变化。e. 与个体的特异性有关，同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即DNA指纹f. 卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关，即同源染色体之间的联会可能依赖于具有染色体专一性的特定卫星DNA顺序 g. 位于蛋白质编码区的重复序列，如果发生扩展或减缩，将会因为发生移框突变或因延长的有害mRNA的生成，而使基因丧失功

16、能或重新获得新的功能 。h. 位于基因5UTR（untranslated region非翻译区）的重复序列的变异，可以通过影响基因的转录和蛋白质的翻译而起到调节基因表达的作用 .i. 位于3UTR端的重复序列的扩展，可以导致转录滑移，并产生延伸的mRNA，又可以进一步地影响mRNA剪切或影响其他的生物功能 。j. 位于内含子处的重复序列的扩展或缩减，也可以影响基因转录、mRNA的剪切或mRNA向胞质的输出 。k. 位于UTR区或者内含子的三碱基重复，还能诱导异染色质样的基因沉默 l. 最终所有这些影响可以导致生物表型的改变。适应各种逆境的环境8.1.3 真核生物染色体水平上的基因表达调控一、染

17、色体丢失：1、低等生物的染色体丢失原生动物、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2、高等真核生物减数分裂 红细胞四膜虫：大核：营养核可转录 小核：生殖核无转录活性大核由小核发育而来，发育过程中有多处染色质断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存在可能抑制了基因的正常表达。二、染色体扩增1 组织中整个染色体组扩增内多倍体人 在1120岁时肝细胞中常出现四倍体，到21岁以后就出现八倍体。家 蚊幼虫的肠壁细胞核植物 中在果实永久组织中果蝇 等双翅目昆虫的唾腺中拟南芥 多倍体的DNA含量随着组织成熟程度而升高2 发育中的编程性扩增page290其一：特定的基因簇的染色体外扩

18、增非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增 rDNA的滚环复制其二：特定的基因簇的染色体内原位扩增黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋白基因在基因组中通过复制的重叠环而被扩增。三、基因重排page290将一个基因从远离启动子的地方移到距启动子很近的位点从而启动转录的方式。免疫球蛋白结构基因五类Ig的代谢、分布及生物活性性状IgGIgAIgMIgDIgE血清含量(mg/dL)120020012030.04相对含量()758510155100.050.03合成率(mg/kgd)332470.40.02分解率(/d）72583771半衰期(d)236532血管内分布()5050807550外分泌液中结合补体透过胎盘与肥大细胞结合(IgG4)接种或感染后出现的速度最早生物学意义：在不增加基因组容量的情况下，通过基因重排，可以满足对多样化的抗原的应答反应。其他生物学意义1. DNA重排广泛存在于动物、植物