真核基因表达调控

真核基因表达调控第1页/共83页真核生物基因调控可分为两大类瞬时调控发育调控根据基因调控在同一事件中发生的先后次序转录水平调控转录后水平调控

牛牛文库文档分享第2页/共83页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基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？

③不同水平基因调控的分子机制是什么？

牛牛文库文档分享第3页/共83页一、真核基因组的一般构造特点

①在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。

②真核细胞DNA都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。

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。

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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。

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（maturationandsplicing），才能顺利地翻译成蛋白质。

牛牛文库文档分享第5页/共83页二、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

牛牛文库文档分享第6页/共83页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。16StRNA23S5S17StRNA25S5S16StRNA23S5S甲基化切割核酸酶降解1121133细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析pre-rRNA甲基

牛牛文库文档分享第7页/共83页TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit

牛牛文库文档分享第8页/共83页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。

Organizationofhistonegenesintheanimalgenome果蝇海胆6000bp

牛牛文库文档分享第9页/共83页3、发育调控的复杂多基因家族如：血红蛋白基因发育阶段组成胚胎期（8周以前）ζ2ε2、ζ2γ2和α2ε2胎儿期（8-41周）α2

γ2成人期（出生以前）α2δ2

和α2β2

不同发育阶段血红蛋白亚型

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β-链R1

S1R2S2R3

S3

εGγAγδβ胚胎胎儿成体R1、R2、R3分别为调控序列血红蛋白的调控序列如R1、R2、R3与编码序列分别被S1、S2、S3隔开，因此不能表达。

在胚胎发育早期，间隔序列S1缺失，使R1与ε相连，表达ε。

在胎儿期，间隔序列S2缺失，使R2与γ相连，表达γ

。

在成人期，间隔序列S3缺失，使R3与δ或β相连，δ或β表达。

S1、S2、S3的切除及R系列与编码序列的重组与个体发育阶段有关，因此在发育不同阶段血红蛋白组成不同。β

牛牛文库文档分享第11页/共83页（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。

牛牛文库文档分享第12页/共83页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'

牛牛文库文档分享第13页/共83页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。如：肌红蛋白重链基因，（41个外显子）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。如;小鼠淀粉酶基因

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牛牛文库文档分享第15页/共83页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

牛牛文库文档分享第16页/共83页二、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

牛牛文库文档分享第17页/共83页第三节真核生物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●●●●

牛牛文库文档分享第18页/共83页一、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。

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⑴马蛔虫受精卵中只有一对染色体（2n=2).马蛔虫的生殖细胞保存着个体发育必需的全部基因（完整基因组）。在体细胞分化中，染色体破碎成很多片段—所谓小染色体。小染色体中具有着丝点的在细胞分裂中得以保存，不具着丝点的片段在细胞分裂中不能分配到子代细胞中，即丢失，造成体细胞基因丢失，从而决定了细胞的分化方向。昆虫：例如，小麦瘿蚊在个体发育中也有类似的部分染色体丢失的现象。

⑵许多原生动物有两种类型的核：小核（micronucleus)和大核（macronucleus)。生殖细胞只有小核。在细胞分化时，小核经历各种变化：小核小核（含有全部无活性DNA—为未来的生殖细胞保存遗传信息）大核（DNA分子具有转录活性）

牛牛文库文档分享第20页/共83页大核形成过程：生殖过程中的小核DNA分化中被切割成500~2000bp的线形片段大部分降解小部分复制17000种/1000拷贝建成大核结果：大核DNA的量是小核的几百倍，而种类丢失了一半。

⑶蜜蜂工蜂和蜂皇是二倍体，孤雌生殖的单倍体则发育成雄蜂。

牛牛文库文档分享第21页/共83页蛙受精卵高等真核生物是否有基因丢失？有实验证明未丢失。核代换实验：去核去核卵蝌蚪肠细胞含有肠细胞核的受精卵发育健全的蛙取核

牛牛文库文档分享第22页/共83页二、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。

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果蝇的不切离的多次复制使基因扩增。果蝇在卵巢成熟之前，卵巢颗粒细胞中的卵壳蛋白基因被扩增。果蝇的卵母细胞经过4次分裂，形成：

1个卵母细胞

15个营养细胞（为卵母细胞提供营养—蛋白质及其它大分子）。大量蛋白质营养物质合成原因？营养细胞通过胞浆桥与卵细胞相连，使营养物质顺利进入正在增大的卵细胞。DNA不切离的多次扩增。多边复制复制泡的网状结构

牛牛文库文档分享第24页/共83页三、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。

VVVDDDJJJCCVDJC免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达

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牛牛文库文档分享第26页/共83页酵母的交配型转换HMLα

MATaHMRaHMLα

MATaHMRaHMLα

MATαHMRa基因转换核酸内切酶HO

牛牛文库文档分享第27页/共83页四、DNA的甲基化与基因调控：1、DNA的甲基化

牛牛文库文档分享第28页/共83页在真核生物中，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

牛牛文库文档分享第29页/共83页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

牛牛文库文档分享第30页/共83页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。5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的，基因的5和3端往往富含甲基化位点，而启动区DNA分子的甲基化密度与基因受抑制的程度密切相关。（见下图）

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牛牛文库文档分享第32页/共83页表8-1

甲基化修饰对转录的影响CpG密度低（28/1.4kb）高（141/1.5kb）1/10

低（26/3.3kb)HhaI低水平甲基化

00+（HhaI）（24mCpG/1.5kb）SssI全部甲基化+（SssI）+（SssI）+（SssI）基因导入Hela细胞完全甲基化基因是否表达小鼠α-珠蛋白基因人α-珠蛋白基因人γ-珠蛋白基因启动区装上增强子序列表达表达(部分）不表达（完全）表达————

牛牛文库文档分享第33页/共83页甲基化还提高了该位点的突变频率：5-mC主要出现在5'-CpG-3'序列中，5-mC脱氨后生成T，不易被识别和校正。如：在脑瘤、乳腺癌和直肠癌细胞中，p53基因第273位密码子含CpG序列，常由CGT突变为CAT或TGT（Arg→His或Cys）。3.DNA甲基化与X染色体失活X染色体的失活中心：Xic，失活的染色体上绝大多数基因都处于关闭状态，DNA序列都高度甲基化。Xist：只在失活的染色体上表达，而不在活性的X染色体上表达，该基因产物是一功能性RNA分子。

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XistX染色体其他位点甲基化，不转录活性去甲基化，活性去甲基化，转录失活甲基化，失活Xist甲基化与X染色体失活

牛牛文库文档分享第35页/共83页五、染色质结构与基因表达调控：

常染色质（euchromatin）---基因可以转录异染色质（hetrochromatin）---基因不能转录

,

活性基因置于异染色质内会失活位置效应（Positioneffect）：指基因转移到基因组上新位置而引起基因表达的改变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。

牛牛文库文档分享第36页/共83页（一）DNaseⅠ的敏感性和基因表达转录活跃区域对核酸酶的敏感度增加

1、DNaseⅠ超敏感位点（hypersensitivesite）：具有转录活性的基因周围的DNA区域对DNaseⅠ降解高度敏感

。2、特点：（1）一般在转录起始点附近，即5’启动子区域（2）低甲基化区（3）不存在核小体结构（4）裸露易与反式作用因子结合例：鸡成红细胞中-血红蛋白基因与输卵管中的卵清蛋白基因。

牛牛文库文档分享第37页/共83页（二）两栖动物卵细胞减数分裂时的灯刷染色体

牛牛文库文档分享第38页/共83页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“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。

牛牛文库文档分享第39页/共83页（二）真核基因转录的主要成分1.启动子2.转录模板3.RNA聚合酶II4.RNA聚合酶II基础转录所需的蛋白因子（以“TFII”表示）

牛牛文库文档分享第40页/共83页（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

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牛牛文库文档分享第42页/共83页（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。

牛牛文库文档分享第43页/共83页增强子特点：

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；

牛牛文库文档分享第44页/共83页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；

牛牛文库文档分享第45页/共83页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。

牛牛文库文档分享第46页/共83页增强子作用机理：

牛牛文库文档分享第47页/共83页（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）

牛牛文库文档分享第48页/共83页2、反式作用因子对转录的影响

真核生物启动子和增强子是由若干可以区分的DNA序列组成的，由于它们和特定的功能基因连锁在一起，因此称为顺式作用元件。真核生物转录调控大多是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用而实现的，下面介绍的是与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。一般认为，如果某个蛋白是体外转录系统中起始RNA合成所必需的，它就是转录复合体的一部分。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合体分为3部分：

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①参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。②与转录的起始或终止有关的辅助因子，也不具有基因特异性。③与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转录复合体的一部分，因为所有或大部分基因的启动子区含有这一特异序列，如TATA区和TFIID，更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白，它们是起始某个（类）基因转录所必需的。

牛牛文库文档分享第50页/共83页3、结构DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区

牛牛文库文档分享第51页/共83页（1）DNA结合结构域基序

a.Helix-turn-helix（螺旋-转角-螺旋）。是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。

牛牛文库文档分享第52页/共83页b.Zincfinger（锌指）

重复的锌指结构都是一个螺旋与反向平行的片层的基部以锌原子为中心，通过与一对半胱氨酸和一对组氨酸之间形成配位键相连接，锌指环上突出的赖氨酸和精氨酸参与DNA的结合。长约30个aa，其中4个氨基酸（4个Cys或2个Cys，2个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。

牛牛文库文档分享第53页/共83页具有4Cys的锌指序列：Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys,这一结构被称为Cys2/Cys2锌指。具有Cys2/Cys2锌指的转录因子蛋白相对分子量锌指数靶序列皮质糖受体9.4X1042GRE中20bp雌激素受体6.6X1042ERE中20bpGAL49.9X1041UASC中17bp腺病毒E1A3.0X1041？

牛牛文库文档分享第54页/共83页c.Leucinezippers（亮氨酸拉链）

是亲脂性（amphipathic）的α螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。

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牛牛文库文档分享第56页/共83页e.碱性--螺旋--环--螺旋（basichelix-loop-helix）

该调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。

牛牛文库文档分享第57页/共83页8-25

牛牛文库文档分享第58页/共83页c.Homeodomain（同源域）最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与helix-turn-helixmotif相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。

牛牛文库文档分享第59页/共83页（2）DNA结合蛋白主要转录激活结构域

转录激活结构域（transcriptionactivationdomains）一般由20-100个氨基酸残基组成。如GAL4分子中有2个这种结构域，分别位于多肽链的第147-196位和第768-881位；GCN4的转录激活结构域位于多肽链的第106-125位。a.酸性α-螺旋(acidicα-helix)

该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性α-螺旋，包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。

牛牛文库文档分享第60页/共83页b.谷氨酰胺丰富区(glutamine-richdomain)

SP1的N末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有这种结构域。C.脯氨酸丰富区(proline-richdomain)

CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端与其转录激活功能有关，含有20%-30%的脯氨酸残基。

牛牛文库文档分享第61页/共83页第五节其他水平的调控一、RNA的加工成熟1.rRNA和tRNA的加工成熟

牛牛文库文档分享第62页/共83页4-30

牛牛文库文档分享第63页/共83页4-31

牛牛文库文档分享第64页/共83页2.mRNA的加工成熟（1）5’–末端加帽子（2）3’–末端加poly(A)尾巴（3）RNA的剪接（4）核苷酸的甲基化修饰hnRNA是mRNA的前体。

牛牛文库文档分享第65页/共83页证据：①在真核生物细胞核中发现存在代谢十分活跃、平均相对分子质量为2x107，长度不均一的RNA，而细胞质中平均相对分子质量为1.5x106。②hnRNA很不稳定，半衰期只有5-15min。③用放射性同位素做脉冲标记证明，75%被标记的RNA是hnRNA。这些标记的RNA大部分位于细胞核内，只有10%进入细胞质，所以认为它是mRNA的前体。④hnRNA占全部RNA的3%，说明它一经诞生就立即发生了加工变化，不会长久积累下来。⑤hnRNA3′端也带有polyA。⑥加入dAR（脱氧腺嘌呤核苷）抑制polyA的生物合成，hnRNA和mRNA的合成都受到抑制。

牛牛文库文档分享第66页/共83页3、真核基因转录后加工的多样性（1）简单转录单位

牛牛文库文档分享第67页/共83页（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，其初级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。

牛牛文库文档分享第68页/共83页利用多个5′端转录起始位点或剪接位点产生不同的蛋白质12345671234567134567

牛牛文库文档分享第69页/共83页利用多个加poly（A）位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。降钙素降钙素相关蛋白如：大鼠降钙素基因

牛牛文库文档分享第70页/共83页二、翻译水平的调控（1）真核生物mRNA的“扫描模式”与蛋白质合成的起始调查第一个AUG前后序列发现，绝大部分都是A/GNNAUGG（2）mRNA5′末端帽子结构的识别与蛋白质合成

牛牛文库文档分享第71页/共83页（3）mRNA稳定性控制

真核生物能否长时间、及时地利用成熟的mRNA分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是和mRNA的稳定性以及屏蔽状态的解除相关的。原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约3min。高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h。在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命长达数天。

牛牛文库文档分享第72页/共83页转运铁蛋白受体（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IREBP特异结合，有效地阻止了TfRmRNA的降解，促进TfR蛋白的合成。

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牛牛文库文档分享第74页/共83页4.蛋白质因子的修饰与翻译起始调控

（1）

eIF-2磷酸化对翻