基因的表达与调控下真核基因表达调控的一般规律

基因的表达与调控下真核基因表达调控的一般规律1第1页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第2页，共131页，2023年，2月20日，星期四一、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大

3×109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、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组第3页，共131页，2023年，2月20日，星期四●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原核生物基因组结构特点●有重叠基因第4页，共131页，2023年，2月20日，星期四二、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第5页，共131页，2023年，2月20日，星期四①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。②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。第6页，共131页，2023年，2月20日，星期四③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。④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。第7页，共131页，2023年，2月20日，星期四⑤在真核生物中，基因转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构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。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。第8页，共131页，2023年，2月20日，星期四⑥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。

⑦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。

第9页，共131页，2023年，2月20日，星期四三、基本概念（一）基因家族（genefamily)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。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(genecluster)。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第10页，共131页，2023年，2月20日，星期四1、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。第11页，共131页，2023年，2月20日，星期四TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit第12页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、复杂多基因家族

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。

第13页，共131页，2023年，2月20日，星期四Organizationofhistonegenesintheanimalgenome第14页，共131页，2023年，2月20日，星期四（二）断裂基因

基因的编码序列在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。第15页，共131页，2023年，2月20日，星期四第16页，共131页，2023年，2月20日，星期四1、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：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

5'GT——AG3'第17页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、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。第18页，共131页，2023年，2月20日，星期四第19页，共131页，2023年，2月20日，星期四(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20页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第21页，共131页，2023年，2月20日，星期四第二节真核生物基因表达调控的特点和种类一、真核生物基因表达调控的特点1、RNA聚合酶2、多层次3、个体发育复杂4、活性染色体结构变化：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7、转录后修饰、加工第22页，共131页，2023年，2月20日，星期四根据其性质可分为两大类：一是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。二是发育调控或称不可逆调控，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－－翻译水平调控－－蛋白质加工水平的调控二、真核生物基因表达调控的种类：第23页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第24页，共131页，2023年，2月20日，星期四第三节真核生物DNA水平上的基因表达调控●基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化状态与调控染色体结构与调控●●●●抗体分子的形成Ti质粒转座子第25页，共131页，2023年，2月20日，星期四一、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。第26页，共131页，2023年，2月20日，星期四二、基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得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。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。第27页，共131页，2023年，2月20日，星期四基因组拷贝数增加，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第28页，共131页，2023年，2月20日，星期四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。第29页，共131页，2023年，2月20日，星期四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，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。三、基因重排：第30页，共131页，2023年，2月20日，星期四四、DNA的甲基化与基因调控：1、DNA的甲基化第31页，共131页，2023年，2月20日，星期四在真核生物中，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岛第32页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：日常型甲基转移酶从头合成型甲基转移酶第33页，共131页，2023年，2月20日，星期四第34页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、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，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。第35页，共131页，2023年，2月20日，星期四第36页，共131页，2023年，2月20日，星期四第37页，共131页，2023年，2月20日，星期四五、染色质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，所谓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。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而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。活性染色质第38页，共131页，2023年，2月20日，星期四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聚合酶能否有效行使转录功能的关键。第39页，共131页，2023年，2月20日，星期四第40页，共131页，2023年，2月20日，星期四第41页，共131页，2023年，2月20日，星期四活性染色质的主要特点在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点活性染色质上具有基因座控制区活性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）第42页，共131页，2023年，2月20日，星期四二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。第43页，共131页，2023年，2月20日，星期四2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。第44页，共131页，2023年，2月20日，星期四4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工第45页，共131页，2023年，2月20日，星期四活性染色质上具有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。第46页，共131页，2023年，2月20日，星期四活性染色质上具有核基质结合区（matrixattachmentregion

，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倍以10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。第47页，共131页，2023年，2月20日，星期四第48页，共131页，2023年，2月20日，星期四第49页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第50页，共131页，2023年，2月20日，星期四第四节真核生物转录水平上的基因表达调控一、真核基因转录（一）真核基因结构第51页，共131页，2023年，2月20日，星期四“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。第52页，共131页，2023年，2月20日，星期四（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第53页，共131页，2023年，2月20日，星期四第54页，共131页，2023年，2月20日，星期四（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。

第55页，共131页，2023年，2月20日，星期四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。第56页，共131页，2023年，2月20日，星期四增强子特点：①增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍②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（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；

第57页，共131页，2023年，2月20日，星期四③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；④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；第58页，共131页，2023年，2月20日，星期四⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；⑥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。第59页，共131页，2023年，2月20日，星期四增强子作用机理：第60页，共131页，2023年，2月20日，星期四（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。第61页，共131页，2023年，2月20日，星期四（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核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）第62页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、结构DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区第63页，共131页，2023年，2月20日，星期四

（1）DNA结合结构域：螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）锌指结构（zincfinger）碱性-亮氨酸拉链（basic-leucinezipper）碱性-螺旋-环-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH）第64页，共131页，2023年，2月20日，星期四1、螺旋-转折-螺旋第65页，共131页，2023年，2月20日，星期四第66页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、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。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。第67页，共131页，2023年，2月20日，星期四Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等第68页，共131页，2023年，2月20日，星期四转录因子SP1（GC盒）、连续的3个锌指重复结构。第69页，共131页，2023年，2月20日，星期四3、碱性-亮氨酸拉链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20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。第70页，共131页，2023年，2月20日，星期四这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。第71页，共131页，2023年，2月20日，星期四

定义：出现在DNA结合蛋白质和其它蛋白质中的一种结构基元（motif）。当来自同一个或不同多肽链的两个α-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。第72页，共131页，2023年，2月20日，星期四4、碱性-螺旋-环-螺旋第73页，共131页，2023年，2月20日，星期四（四）转录起始复合物第74页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第75页，共131页，2023年，2月20日，星期四第四节真核生物转录水平上的基因表达调控一、真核基因转录二、真核基因转录调控的主要模式信号转导第76页，共131页，2023年，2月20日，星期四（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号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。外界环境变化时第77页，共131页，2023年，2月20日，星期四跨膜信号转导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循环到达靶细胞与靶细胞的受体特异性结合受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统靶细胞产生生物学效应第78页，共131页，2023年，2月20日，星期四※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、胰岛素等在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。※第二信使(secondarymessenger)第79页，共131页，2023年，2月20日，星期四能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体(ligand)。受体的定义是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分。它能把识别和接受的信号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。第80页，共131页，2023年，2月20日，星期四存在于细胞质膜上的受体，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蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体。1、膜受体(membranereceptor)第81页，共131页，2023年，2月20日，星期四第82页，共131页，2023年，2月20日，星期四（1）G蛋白偶联受体又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体第83页，共131页，2023年，2月20日，星期四※G蛋白(guanylatebindingprotein)是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、、三个亚基组成。有两种构象：非活化型；活化型第84页，共131页，2023年，2月20日，星期四两种G蛋白的活性型和非活性型的互变霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。第85页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、胞内受体(membranereceptor)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，激活转录第86页，共131页，2023年，2月20日，星期四配体：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。第87页，共131页，2023年，2月20日，星期四（二）信号传导途径第88页，共131页，2023年，2月20日，星期四第89页，共131页，2023年，2月20日，星期四1、膜受体介导的信息传递（1）cAMP-蛋白激酶Ａ途径/（P269）A激酶（PKA）：依赖于cAMP的蛋白激酶。第90页，共131页，2023年，2月20日，星期四cAMP调控的A激酶活性第91页，共131页，2023年，2月20日，星期四第92页，共131页，2023年，2月20日，星期四

不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：

●在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图），而抑制糖原的合成第93页，共131页，2023年，2月20日，星期四

cAMP活化糖原磷酸化酶示意图第94页，共131页，2023年，2月20日，星期四●在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。

CRE（cAMPresponseelement，cAMP应答元件）是DNA上的调节区域。(TGACGTCA)

CRE结合蛋白(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)第95页，共131页，2023年，2月20日，星期四cAMP信号与基因表达第96页，共131页，2023年，2月20日，星期四该信号途径涉及的反应链可表示为：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录第97页，共131页，2023年，2月20日，星期四4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）磷脂酶C（PLC-β）1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）二酰基甘油（DAG）（2）磷脂酰肌醇途径第98页，共131页，2023年，2月20日，星期四第99页，共131页，2023年，2月20日，星期四（3）酪氨酸蛋白激酶途径（PTK/TPK）分类：跨膜受体型TPK和胞质非受体型TPK第100页，共131页，2023年，2月20日，星期四

细胞外信号EGF、PDGF等具PTK活性的受体GRB2

PSOS

PRas-GTP

PRaf调节其他蛋白活性MAPKKMAPK

P

P

P细胞核反式作用因子调控基因表达细胞膜二聚化跨膜受体型TPK第101页，共131页，2023年，2月20日，星期四胞质非受体型TPK：受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但它们能借助细胞内的一类具有激酶结构的连接蛋白JAK完成信息转导。第102页，共131页，2023年，2月20日，星期四干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制STAT：信号转导子和转录激活子JAK-STAT途径第103页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、胞内受体介导的信息传递小分子激素激活其受体分子的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基因调控蛋白第104页，共131页，2023年，2月20日，星期四类固醇激素与甲状腺素通过胞内受体调节生理过程第105页，共131页，2023年，2月20日，星期四真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物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第106页，共131页，2023年，2月20日，星期四五、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的加工：分子内的切割和化学修饰第107页，共131页，2023年，2月20日，星期四第108页，共131页，2023年，2月20日，星期四rRNA化学修饰：甲基化原核生物：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tRNA，再行剪接成为成熟tRNA（4S）。第109页，共131页，2023年，2月20日，星期四2、mRNA的加工成熟hnRNA确定是mRNA前体的证据第110页，共131页，2023年，2月20日，星期四3、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：即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：第111页，共131页，2023年，2月20日，星期四第112页，共131页，2023年，2月20日，星期四(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。第113页，共131页，2023年，2月20日，星期四①利用多个5’端转录起始位点或剪接位点产生不同的蛋白质。第114页，共131页，2023年，2月20日，星期四第115页，共131页，2023年，2月20日，星期四②利用多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。第116页，共131页，2023年，2月20日，星期四③虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点的基因。

第117页，共131页，2023年，2月20日，星期四（二）翻译水平的调控1、mRNA的稳定性与基因表达调控第118页，共131页，2023年，2月20日，星期四

例：转运铁蛋白受体（TfR）和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件（ironresponseelement，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，与此同时，TfRmRNA上3'非翻译区中的IRE也与