基因表达与调控下

基因表达与调控下第一页，共七十七页，2022年，8月28日生物体任何时候只表达部分基因IttakeslotsofenergytoexpressgenesThusitwouldbewastefultoexpressallgenesallthetimeBydifferentialexpressionofgenes,cellscanrespondtochangesintheenvironmentDifferentialexpression,allowscellstospecializeinmulticelledorganisms.Differentialexpressionalsoallowsorganismstodevelopovertime.第二页，共七十七页，2022年，8月28日真核和原核在基因表达调控上的巨大差别是由两者基本生活方式不同所决定的原核：单细胞，调控目的是为了适应环境，方式主要为：on－off真核：多细胞，调控目的是为了完成发育和分化，方式多层次、多方式，能在特定的时间和空间激活特定的基因。第三页，共七十七页，2022年，8月28日真核基因调控瞬时调控（可逆调控）：对环境反应（底物、激素、酶）发育调控（不可逆调控）：决定真核细胞的生长、分化、发育按调控的先后转录后调控转录水平调控翻译水平调控RNA的加工成熟蛋白质加工水平调控第四页，共七十七页，2022年，8月28日研究基因调控主要应回答3个问题1、什么是诱发基因转录的信号？2、基因调控主要是在那一步实现的？3、不同水平基因调控的分子机制是什么？第五页，共七十七页，2022年，8月28日一、真核基因结构与转录活性真核与原核基因调控的共同点（Similarityofregulationbetweeneukaryotesandprokaryote）：Principlesarethesame:signals,activatorsandrepressors,recruitmentandallostery,cooperativebindingExpressionofagenecanberegulatedatthesimilarsteps,andtheinitiationoftranscriptionisthemostpervasivelyregulatedstep.

第六页，共七十七页，2022年，8月28日真核与原核细胞在转录、翻译及DNA空间结构方面有如下差异：1、真核细胞一条成熟mRNA只翻译一条多肽链，原核为多基因操纵子2、真核DNA与组蛋白、非组蛋白结合，很少有裸露DNA3、真核细胞DNA中含大量不转录的重复序列，大部分真核基因含不被翻译的内含子4、真核生物能进行DNA的重排、增加拷贝数5、真核生物转录调节区很大6、真核生物转录在细胞核内进行，翻译在胞质中进行7、真核生物基因要经过复杂的成熟和剪接过程才能被翻译成蛋白质第七页，共七十七页，2022年，8月28日Alotmoreregulatorbindingssitesinmulticellularorganismsreflectsthemoreextensivesignalintegration第八页，共七十七页，2022年，8月28日真核生物基因表达调控水平：GenestructureTranscriptionRNAprocessing(splicingorothertypesofprocessing)mRNAtransportmRNAdegradationandstoregeTranslationPosttranslationalmodulationofproteinactivity第九页，共七十七页，2022年，8月28日Figure14.1EukaryoticmRNAIsTranscribedintheNucleusbutTranslatedintheCytoplasm

第十页，共七十七页，2022年，8月28日RegulationofGeneExpressionSixstepsatwhicheucaryoticgeneexpressioncanberegulated.DNARNAtranscriptmRNAmRNAinactivemRNAproteininactiveproteinNUCLEUSCYTOSOLtranscriptionalcontrolRNAprocessingcontrolRNAtransportandlocalizationcontrol

translationcontrol

mRNAdegradationcontrol

proteinactivitycontrol第十一页，共七十七页，2022年，8月28日（一）基因家族基因家族（genefamily）：真核细胞中许多相关的基因按功能成套组合1、简单多基因家族一般以串联方式前后相连。例：◆大肠杆菌的rRNA30S的前rRNA甲基化酶切17S、tRNA、25S、5SrRNA前体核酸酶降解成熟的16S、tRNA、23S、5SrRNA◆真核生物：40S前rRNA甲基化切割18S、28S、5.8S一、真核基因结构与转录活性第十二页，共七十七页，2022年，8月28日Figure14.2AModeratelyRepetitiveSequenceCodesforrRNA

第十三页，共七十七页，2022年，8月28日第十四页，共七十七页，2022年，8月28日2、复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位例：◆海胆▲5个组蛋白基因处于一个6000bp的片段中，分别被间隔序列隔开，且这个串联单位可有1000个拷贝▲每个基因都为单顺反子，都无内含子▲各基因转录方向相同，转录和翻译的速度受到调节，H2A、H2B、H3、H4数量相等，H1为它们的一半▲在一个特定的细胞中，并不是所有串联的单位都得到转录。◆果蝇：tRNA基因家族特点：基因家族中含有3个tRNALys基因基因家族中的每个基因都单独按各自的方向转录第十五页，共七十七页，2022年，8月28日3、发育调控的复杂多基因家族血红蛋白α簇：16号染色体的短臂上，30kb，ζ为胚胎期基因β簇：11号染色体的短臂上，50－60kb，є为胚胎期基因，Gγ

和Aγ为胎儿型基因，δ和β

为成人期基因。图8－6，8－7每个基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序珠蛋白的演变：原始珠蛋白产生于8亿年前，由单基因编码，现代珠蛋白基因家族是由同一个原始基因通过一系列的重复、突变和转位演变而成的。单基因，单亚基突变，杂合基因，四聚体进一步演化新亚型第十六页，共七十七页，2022年，8月28日Figure14.7TheGlobinGeneFamily

第十七页，共七十七页，2022年，8月28日Figure14.8DifferentialExpressionintheGlobinGeneFamily

第十八页，共七十七页，2022年，8月28日（二）真核基因断裂结构断裂基因（interruptedgene）：外显子（exon）：内含子（intron）：断裂基因特点：▲不同基因内含子的数量和大小不同（举例胶原蛋白）▲内含子的功能尚不清楚（？）▲只有真核生物具有切除基因中内含子，产生功能型mRNA和蛋白质的能力▲断裂基因的结构形式为某些重要蛋白质的编码区提供了进行重组的潜在位点第十九页，共七十七页，2022年，8月28日EukaryoticGeneComplexityYeastintronsrarepromotersadjacentgenomedense“large”Eukaryotesintronscommon,LONGERthanexonsPromoter/enhancergenomesparseFungiintronscommon,shortrelativetoexonspromoter/enhancergenomedense第二十页，共七十七页，2022年，8月28日2、外显子与内含子的连接区定义：外显子和内含子的交界序列特征：内含子两端序列间没有广泛的同源性外显子和内含子连接区高度保守GT-AG法则：供体位点（donorsite,左剪接位点）受体位点（acceptorsite,右剪接位点）线粒体基因和酵母tRNA不同第二十一页，共七十七页，2022年，8月28日3、外显子与内含子的可变调控RNAsplicingistheprocessofexcisingthesequencesinRNAthatcorrespondtointrons,sothatthesequencescorrespondingtoexonsareconnectedintoacontinuousmRNA.组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只产生一种成熟mRNA，编码一个多肽.选择性剪接：基因的转录产物通过不同的剪接方式产生不同的mRNA，并翻译成不同的蛋白质例：小鼠淀粉酶基因（起始外显子不同S，L）第二十二页，共七十七页，2022年，8月28日Figure2.27Alternativesplicingusesthesamepre-mRNAtogeneratemRNAsthathavedifferentcombin-ationsofexons.

2.9SomeDNAsequencescodeformorethanoneprotein第二十三页，共七十七页，2022年，8月28日Figure2.28AlternativesplicinggeneratestheaandbvariantsoftroponinT.

2.9SomeDNAsequencescodeformorethanoneprotein第二十四页，共七十七页，2022年，8月28日（三）真核生物DNA水平上的基因表达调控1、开放型活性染色质结构对转录的影响真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的，转录前染色质在特定区域解旋松弛，形成自由DNA。这种变化包括：▲核小体结构的消除或改变▲

DNA本身局部结构的变化，从右旋型变为左旋型这些变化可导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA结合，诱发基因转录第二十五页，共七十七页，2022年，8月28日活跃染色质的特点▲更容易被DNA酶Ⅰ降解，可被单链核酸酶降解例：鸡成红细胞染色质：β－血红蛋白基因比卵清蛋白基因更易被DNA酶Ⅰ切割，而在鸡输卵管细胞中则相反。DNA酶I超敏感位点：果蝇唾液腺染色体中，胶原蛋白基因sgs4原因：活跃表达基因启动区部分序列解开成单链，不能缠绕在核小体上，使启动区DNA裸露于组蛋白表面，形成了对DNA酶Ⅰ的超敏感现象。而这是基因转录所必须的▲灯刷型染色体：泡状或环状结构，染色体充分伸展，与基因的活性转录有关。▲两种状态可逆第二十六页，共七十七页，2022年，8月28日2、基因扩增Amplificationreferstotheproductionofadditionalcopiesofachromosomalsequence,foundasintrachromosomalorextrachromosomalDNA.基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生大量的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。例：▲非洲爪蟾的卵母细胞rRNA基因▲果蝇卵巢颗粒细胞中卵壳蛋白基因第二十七页，共七十七页，2022年，8月28日3、基因的重排与变换基因重排：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，这种方式称为基因重排。例：▲免疫球蛋白V区、C区、J区在胚胎细胞中相隔较远，编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把这几个基因片段连接在一起，产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。▲酵母的：交配型转换（MATa，MATα）第二十八页，共七十七页，2022年，8月28日第二十九页，共七十七页，2022年，8月28日第三十页，共七十七页，2022年，8月28日人血红蛋白基因表达：

β链基因家族的调节基因和受体基因▲胚胎发育早期：S1缺失，形成调节启动基因R1A1，产生ε链▲胚胎发育后期：S2缺失，形成R2A2，产生γ链▲出生后：S3缺失，形成R3A3，产生β和σ链α肽链基因也同样第三十一页，共七十七页，2022年，8月28日（四）甲基化与基因活性的调控DNAmethylation◆

DNA的甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导基因活化和表达◆

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◆

DNA甲基化与遗传病第三十二页，共七十七页，2022年，8月28日1、DNA甲基化DNA甲基化主要针对：A、C、G高等生物CpG中的C通常甲基化，极易自发脱氨成为T，因而CpG出现频率很低，而非甲基化C-U突变易被识别而校正。由于CpG通常成串出现在DNA上，这段序列往往被称为CpG岛。日常型：在甲基化母链的指导下，使另一条DNA链甲基化从头合成型：催化未甲基化的CpG，不需母链指导甲基化酶第三十三页，共七十七页，2022年，8月28日ReplicationofmethylatedDNAgiveshemimethylatedDNA,whichmaintainsitsstateatGATCsitesuntiltheDammethylaserestoresthefullymethylatedcondition.

Geneexpressionisassociatedwithdemethylation第三十四页，共七十七页，2022年，8月28日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，从而影响蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。机理：甲基化的DNA常由B-DNA向Z-DNA过渡，由于后者结构收缩，螺旋加深，使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟而不利于转录的起始。第三十五页，共七十七页，2022年，8月28日◆

5-甲基胞嘧啶的分布不是随机的，基因的5‘端和3’端往往富含甲基化位点，◆转录程度与启动区甲基化密度和启动子的强度有关，甲基化CpG的密度与启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性图8－14弱启动子：强启动子：例：低密度CpG：小鼠α-珠蛋白、人γ-珠蛋白高密度CpG：人α-珠蛋白不同程度甲基化，并装上增强子序列，表达情况：图8-15◆

DNA甲基化提高该位点的突变频率第三十六页，共七十七页，2022年，8月28日3、DNA甲基化与X染色体失活雌性胎生哺乳类动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活X染色体失活中心（Xic）：人在Xq13区，小鼠在3XD失活的染色体上的绝大多数基因为关闭状态，DNA高度甲基化Xist基因：只在失活染色体上表达机制：Xist基因在活性染色体上总是甲基化的，而在失活染色体上是去甲基化的。其产物是一功能性RNA分子，能与Xic位点作用，引起后者构象变化，易与蛋白因子结合，最终导致X染色体失活。第三十七页，共七十七页，2022年，8月28日二、真核基因转录机器的主要组成转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节。（一）真核基因的转录特异性基因转录的基本条件包括：①启动子(特别是核心启动子)②转录模板(转录起始点（+1）---终止点)③RNAPolⅡ④普通转录因子(GTFs)第三十八页，共七十七页，2022年，8月28日图3-9

一个典型的真核细胞基因结构示意图点击数：823

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第三十九页，共七十七页，2022年，8月28日1、启动子(promoter)

与基因转录启动有关的一组DNA序列，一般位于RNApoII转录起始点上游100-200bp以内，其功能是决定转录的起始点和调控转录频率．启动子区域包括核心启动子和启动子上游近侧序列：1）核心启动子(corepromoter)是决定转录起始位置的关键序列，也是普通转录因子TFⅡD的结合位点，

TATA盒(TATAbox)

位于转录起始点上游-30～-25bp．起始子(initiator，Inr)Inr是与转录起始位点重叠的短的较保守序列．下游核心启动子第四十页，共七十七页，2022年，8月28日注：①不是所有基因都含有这三种序列．有的只有其中之一，有的两者都无．②这些核心启动子的序列和它们之间的间隔多变2）上游启动子元件(UpstreamPromoterelement，UPE)

位于较上游(-70bp)，能较强影响转录起始的频率，如CAAT盒和GC盒．其中GC盒是转录因子SPl的结合位点。第四十一页，共七十七页，2022年，8月28日第四十二页，共七十七页，2022年，8月28日2、转录模板：包括从转录起始位点到RNA聚合酶Ⅱ转录终止处的全部DNA序列3、RNA聚合酶Ⅱ

负责真核生物蛋白编码基因的转录(产物mRNA)，有10-12个亚基，最大亚基的羧基末端结构域(CTD)具有7个氨基酸(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Set)的重复序列，其中有多个磷酸化位点．CTD磷酸化对调控基因转录有重要作用．第四十三页，共七十七页，2022年，8月28日第四十四页，共七十七页，2022年，8月28日4、基础转录因子(basaltranscriptionfactor)

真核基因转录除RNA聚合酶外还需要许多蛋白因子——转录因子参加，其中一些转录因子是RNA聚合酶Ⅱ转录起始必需的，并且可以维持基础水平的转录，因此称为基础转录因子或普通转录因子(generaltranscriptionfactor)第四十五页，共七十七页，2022年，8月28日1）RNA聚合酶II的普通转录因子(TFII)▲TFIID是由TATA盒结合蛋白(TATAbindingprotein，TBP)和8种TBP协同因子(TBPassociatedfactor，TAF)组成的复合物，TFIID可识别和结合核心启动子(TATA盒和Inr)；▲

TFⅡB的C端与TFIID和DNA的复合物结合，N-端与TFⅡF协同作用募集RNA聚合酶II，再加上TFIIE,TFIIH形成完整的转录复合物．▲

TFIIH有蛋白激酶活性，可使RNAPol最大亚基CTD磷酸化，使转录起始过渡到转录延伸．▲

TFIIA有助于TFIID与TATA盒核心启动子结合．第四十六页，共七十七页，2022年，8月28日2）TAF的作用

TFIID中包括至少8种TBP协同因子,分子量为30－250kD,分别命名为TAFⅡ-30～250．TAFⅡ150识别起始子(1nr)序列．TAF是基因转录调控的辅助因子，它的作用是通过与多种转录调控因子（激活物或阻遏物）的转录调控结构域结合，而介导转录激活或抑制。第四十七页，共七十七页，2022年，8月28日TFIID介导形成转录前起始复合物(PIC) TATAbox在－25~－30处，由TFIID的TBP亚基结合,TFIIA参与促进TATA-TFIID稳定复合物的形成，TFIIB和TFIIF偶联结合RNA聚合酶II形成封闭型前起始复合物(pre-initiationcomplex,PIC)，ATP水解供能(TFIIE的ATPase活性)和TFIIF解旋作用使得启动子下游构象变化而解开双螺旋，形成开放型起始复合物。无TATAbox基因由INR结合蛋白结合并与TBP相互作用促进复合物的形成。第四十八页，共七十七页，2022年，8月28日5、RNA聚合酶II的转录终止位点

▲

PolyA位点及其上游保守序列AATAAA对于初级转录产物的准确切割及加polyA是必需的。▲

RNA聚合酶II在polyA位点下游0.5-2kb处终止转录第四十九页，共七十七页，2022年，8月28日（二）基因转录的顺式调控元件

顺式调控元件(cis-regulatingelement)是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因．第五十页，共七十七页，2022年，8月28日第五十一页，共七十七页，2022年，8月28日

1、启动子(promoter)2、增强子(enhancer)

能显著提高基因转录效率的一类顺式调控元件（其核心序列常为8-12bp)．

增强子的作用特点：

1）增强效应十分明显

2）增强效益与位置和取向无关

3）大多为重复序列，50bp，核心序列:G)TGGA/TA/TA/T(G)4）增强子一般具有严密的组织或细胞特异性．

5）无基因专一性，对同源基因或异源基因同样有效；

6）许多增强子还受外部信号的调控第五十二页，共七十七页，2022年，8月28日增强子的作用原理，可能有如下三种机制：（思考）▲影响模板附近的DNA双螺旋结构，或在反式因子的参与下，增强子与启动子“成环”连接，活化基因转录▲将模板固定在细胞核特定位置，有利于改变DNA双螺旋结构的张力。▲可以作为反式作用因子和RNA聚合酶Ⅱ进入染色质的入口第五十三页，共七十七页，2022年，8月28日增强子成环模型:

增强子结合蛋白酸性活化结构域与转录起始蛋白因子相互作用使DNA弯曲而影响基因转录。第五十四页，共七十七页，2022年，8月28日5’DNA3’EnhancersEnhancerTranscribedRegion3’5’TFTFTF3’5’TFTFTF5’RNARNAPol.RNAPol.ManybasesPromoter第五十五页，共七十七页，2022年，8月28日3、负调控元件—沉寂子

负调控元件是能抑制基因表达的序列．如沉寂子(silencer)4、其它顺式调控元件

1）应答元件(responsiveelements)

真核细胞中对某些特定的环境作出应答的基因，常具有相同的顺式元件—应答元件．应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别(又称为可诱导的顺式调控元件／反式作用因子)。

2）转座元件对基因表达的调控

第五十六页，共七十七页，2022年，8月28日概念：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质（一）转录因子的种类按功能分:1)普遍性转录因子,如TFIID等；

2)转录激活因子，结合UPE/enhance3)转录抑制因子，为负调控因子；按靶位点的特异性分

1)组织/细胞特异性结合因子；

2)序列特异性结合因子:大多数DNA结合蛋白;3)基因特异性结合因子:结合特定基因的序列;三、反式作用因子

第五十七页，共七十七页，2022年，8月28日类型I基因的转录因子（rRNA)

UBF:upstreambindingfactor,可结合核心启动子和上游启动子序列，与HMG-1的DNA结合结构域具相似结构；

SL-1:

结合核心启动子序列，由TBP和3种TAFs组成；

TFIC和TFIA:

结合和激活RNApolI；类型III基因的转录因子（tRNA)

TFIIIA:

结合5SrRNA基因内部控制区(ICR,Cbox)，含9个锌指结构；

TFIIIC:

结合tRNA基因内启动子，酵母中为因子，可结合A/Bbox(A/B)；

TFIIIB:

与TFIIIC-DNA复合物相互作用正确定位RNApol;

TFIID:

部分III类基因需要TFIID；

UBF:

影响5SrRNA和tRNA基因转录；

TFIIIR:

为含有RNA的转录因子。第五十八页，共七十七页，2022年，8月28日类型II基因的转录因子

普遍性转录因子:

作用于基本核心启动子如TATAbox、INR(转录起始区)，每种细胞类型都必需的，如TFIID/A/B/E/F/G/H/I等。

特异性转录因子:

作用于转录起始复合物形成过程的靶分子和控制位点，含DNA特异性序列结合结构域和激活结构域(有的两者都有)。第五十九页，共七十七页，2022年，8月28日(二)反式作用因子的调节方式转录调控过程中,需要调控区和反式作用因子共同作用蛋白质的结合蛋白质磷酸化去磷酸化配体结合与去结合去掉抑制因子更换结合蛋白第六十页，共七十七页，2022年，8月28日转录复合物分为3部分参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性与转录的起始和终止有关的辅助因子，不具有基因特异性与特异调控序列结合的转录因子第六十一页，共七十七页，2022年，8月28日(三)反式作用因子的结构

结构域(domain)：是指蛋白质中可以具有独立的超二级结构的部分。通常由一个基因外显子编码，并可具有特定的功能。在较大的蛋白质中，多个结构域间可通过较短的多肽柔性区互相联接．

DNA结合结构域

转录活化结构域基序(motif)：一般指构成任何一种特征序列的基本结构．作为结构域中的亚单元，其功能是体现结构域的多种生物学作用．第六十二页，共七十七页，2022年，8月28日1．反式作用因子的DNA结合结构域（DNAbindingdomain)中的几种常见基序：

1）螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix,HTH）基序结构：两段螺旋被一短的转角结构分开，其中一段螺旋为DNA识别螺旋．与DNA结合方式：第一、二个螺旋靠外侧，第三个螺旋则与DNA大沟相结合，并通过其N端的多余臂与DNA的小沟相结合。

第六十三页，共七十七页，2022年，8月28日第六十四页，共七十七页，2022年，8月28日2）锌指(Zincfinger)基序锌指家族可分为：锌指、锌纽、锌簇结构：

(His2／Cys2)或(cys2／cys2)与一个锌离子形成配位键，这些氨基酸对之间的多肽链成环状突出并折迭成指形结构，多个锌指结构常串联重复。与DNA结合：锌指族转录因子以二聚体形式同DNA上的顺式调控元件结合。如类固醇受体家族：两个锌原子将两个α螺旋装配成类似H-T-H结构，再以同源二聚体的方式将两个α螺旋结合在相邻的大沟中。

含锌指基序的转录因子：与GC盒结合的SPl、类固醇激素受体家族，抑癌蛋白WT1等。第六十五页，共七十七页，2022年，8月28日第六十六页，共七十七页，2022年，8月28日3）碱性-亮氨酸拉链(basic-leucine-zipper)基序

结构：由一段每隔6个aa就有一个Leu的伸展肽链组成，这些周期性出现的Leu都位于α—螺旋的同—侧面，因此两条均含Leu拉链基序的蛋白质通过亮氨酸侧链