基因表达与调控下真核基因表达调控一般规律

8基因表达与调控（下）

——真核基因表达调控一般规律当前第1页\共有102页\编于星期三\2点5/27/20231真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组有3×109bp，为大肠杆菌总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！当前第2页\共有102页\编于星期三\2点5/27/20232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。当前第3页\共有102页\编于星期三\2点5/27/20233真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。

第二类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。当前第4页\共有102页\编于星期三\2点5/27/20234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（DNAregulation）;转录水平调控（transcriptionalregulation）；转录后水平调控（posttranscriptionalregulation）；翻译水平调控（translationalregulation）；蛋白质加工水平的调控（regulationofproteinmaturation）等。当前第5页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202358.1真核生物的基因结构与转录活性真核生物与原核生物基因表达调控的特点比较：

1.原核生物无细胞核，真核生物具有核膜包裹着的细胞核，所以原核基因的转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因的转录是在细胞核中进行，翻译在胞质中进行；2.原核的染色质基本上是裸露的DNA，而真核的染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成为核小体；在原核细胞中，染色质的结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核中，这种作用是明显的。当前第6页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202363.原核生物的基因数目少，而且都是连续的。而真核生物的基因数目众多，多数基因组基因都是不连续的，含有数量不等的内含子以及功能不清的重复序列等；4.真核生物生成的初始转录物需在核中进行一系列的转录后加工和运输，所以，真核基因的表达有多种转录后的调控机制，如5’-端加帽、3’-端加poly(A)尾、剪接及成熟mRNA由胞核到胞质的运输等；

当前第7页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202375.原核基因转录多为多顺反子，即参与同一个代谢途径的多个蛋白基因串联在一起，受同一个调控序列的调控；而真核基因转录多为单顺反子。而且一个真核基因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上，才能启动基因的转录；6.在原核基因转录的调控中，既有激活物的调控（正调控），也有阻遏物的调控（负调控），二者同等重要。在真核中虽然也有正调控成分和负调控成分，但迄今已知的主要是正调控。当前第8页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202387.真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中逐步分化形成各种组织和细胞类型。分化是不同基因表达的结果。不同类型的细胞，功能不同，基因表达的情况也不一样。某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机制。

8.真核生物对外界环境条件变化的反应和原核生物十分不同。同一群原核生物细胞处在相同的环境条件中，对环境条件的变化会作出基本一致的反应；而真核生物常常只有少部分细胞基因的表达直接受到环境条件变化的影响和调控，其他大部分间接或不受影响。当前第9页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202398.1.1基因家族真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族（genefamily）。定义：真核基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。可能由某一共同祖先基因(ancestralgene)经重复(duplication)和突变产生。特点：◆家族成员可以分布于不同染色体上；

◆可集中于一条染色体上，串联排列在一起，形成基因簇(genecluster)；

◆有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因(Pseudogene)。当前第10页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023101、简单多基因家族◆特点：家族成员串联排列在一起组成一个转录单位◆代表:rRNA基因家族(重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)当前第11页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202311脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的分布与成熟过程分析。当前第12页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023122、复杂多基因家族特点：相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，分别作为独立的转录单位。代表:组蛋白基因家族。间隔区当前第13页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023133、发育相关复杂基因家族特点：分布在不同的染色体上;独立的转录单位;基因顺序与表达顺序相关。代表:珠蛋白基因家族。当前第14页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202314图8-7人细胞中α和β-珠蛋白基因簇结构示意图当前第15页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023158.1.2染色质的结构对基因表达的调控真核基因组DNA与组蛋白结合成核小体，再进一步形成更高级的染色质结构，染色质中DNA和组蛋白的结构状态影响转录。细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在核内，称为常染色质(euchromatin)，松散的染色质中的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后保持紧凑折叠的结构，在间期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质(heterochromatin)，其中未见有基因转录。在常染色质中表达的基因如移到异染色质则不表达；即紧密的染色质结构阻止基因表达。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。当前第16页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202316当前第17页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202317常染色质（活性染色质）结构上的特点：具有DNaseI超敏感位点具有基因座控制区具有核基质结合区（MAR序列）▲DNase的敏感性和基因表达含有转录活性基因的染色质区域对DNaseⅠ降解的敏感性要比无转录活性区域高得多(超敏感位点)。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质结构变得松散，DNaseⅠ易于接触到DNA之故。当前第18页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202318当前第19页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202319组蛋白的作用组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而封闭了DNA分子，妨碍基因转录。活跃转录的染色质区段中H1水平降低。

当前第20页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202320当前第21页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202321当前第22页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202322转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构，并且对核酸酶敏感度增加。特异的转录因子可消除组蛋白的阻遏作用，使基因转录。

当前第23页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202323组蛋白H3和H4的N端20个氨基酸通过甲基化、乙酰化和磷酸化作用会改变组蛋白与DNA间的亲和力，为其它蛋白和转录因子等的结合提供了机会。当前第24页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202324组蛋白H3和H4的乙酰化与活性染色质有关，而甲基化与非活性染色质有关。当前第25页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023258.1.3真核生物DNA水平上的基因表达调控DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。当前第26页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023261.基因丢失(chromosomediminution)有的生物个体发育早期在体细胞中要丢失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组。马蛔虫（Parascarisequoorum）。动物极植物极当前第27页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202327小麦瘿蚊（Mayetioledestructor）受精卵的细胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞体（syncytium）。当核第3次分裂后，有两核移向卵后端的一个特殊区域，叫做极细胞质，在极细胞质中的核保持了全套的染色体（2n=40），将来分化为生殖细胞。而在一般的细胞质中，染色丢失了32条，只保留8条，将来分化为体细胞。当前第28页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202328小麦瘿蚊（Mayetioledestructor）：2n=40。极细胞区：2n=402n=8当前第29页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202329当前第30页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202330动物克隆表明高等生物细胞核未发生基因丢失。当前第31页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023312、基因扩增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。非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体。当前第32页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202332rDNA是采用滚环式复制方式在核仁区进行的扩增，扩增产生的新rDNA不纳入线形染色体中，而是一环状小DNA分子方式存在。每个环状DNA分子中有2~4个，甚至16个rRNA基因。当前第33页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202333果蝇的不切离的多次复制使基因扩增，DNA不切离的多次扩增形成复制泡的网状结构当前第34页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023343、基因重排将一个基因从远离启动子的地方移到较近的位点从而启动转录，被称为基因重排。例：免疫球蛋白的产生、种类、结构和多样性。当前第35页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202335B淋巴细胞的分化过程：骨髓干细胞前B淋巴细胞未成熟B淋巴细胞成熟B淋巴细胞外周B淋巴细胞抗体骨髓(基因发生重排)外周血当前第36页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202336当前第37页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202337当前第38页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202338不同Ig家族的V、D、J、C基因片段数VDJC人小鼠人小鼠人小鼠人小鼠Lλ<3002764>64Lκ<300~10005511H~300>1000~30124498家族V:可变区;D:歧化区;J:连接区;C:恒定区.当前第39页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202339所有Ig分子都含有两类轻链中的一类，即κ型或λ型。Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是不同的。在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体轻链中，κ型和λ型各占50%左右。当前第40页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202340人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数量比较当前第41页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202341免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达当前第42页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202342Figure24.7Heavygenesareassembledbysequentialjoiningreactions.FirstaDsegmentisjoinedtoaJsegment;thenaVgenesegmentisjoinedtotheDsegment.

重链基因的结构与重组当前第43页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202343Figure.ThelambdaCgenesegmentisprecededbyaJsegment,sothatV-Jrecombinationgeneratesafunctionallambdalight-chaingene.

轻链基因的结构与重组当前第44页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202344轻链k基因的重排当前第45页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202345Figure24.6ThekappaCgenesegmentisprecededbymultipleJsegmentsinthegermline.V-JjoiningmayrecognizeanyoneoftheJsegments,whichisthensplicedtotheCgenesegmentduringRNAprocessing.

当前第46页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023468.1.4DNA甲基化与基因调控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。研究证实，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。当前第47页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023471.DNA的甲基化（methylation）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-甲基鸟嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。当前第48页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202348当前第49页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202349CpG岛（CpG–richislands）富含CpG的区段称为CpG岛当前第50页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202350半甲基化全甲基化当前第51页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202351HpaII能切割非甲基化的CCGG序列DNA甲基化的检测MspI能切割甲基化或非甲基化的CCGG序列当前第52页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202352MspIHpaIIMspI酶切HpaII酶切当前第53页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202353DNA甲基化与基因活性当前第54页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202354当前第55页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202355当前第56页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023562.DNA甲基化抑制转录机理影响染色质的结构，稳定染色质的失活状态，阻止转录因子的进入，防止其活化。DNA甲基化直接干涉转录因子与启动子内识别位点结合；抑制作用通过甲基化CpG结合蛋白（methylatedCpGbindingproteins,MeCP）起作用，这种因子与转录调控因子竞争甲基化DNA结合位点。当前第57页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202357MeCP-1CH3CH3CH3CH3CH3TFRNApolIIMeCP-1可与多个甲基化的CpG位点结合当前第58页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202358MeCP-2CH3CH3CH3CH3CH3SIN3HDACTFRNApolIIMeCP-2能结合到单个甲基化的CpG碱基对上，还结合Sin3阻遏复合体(含HDAC活性)，当前第59页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202359几乎管家基因都含CpG岛一般位于基因的5’端区域大多数CpG岛是未甲基化的CpG岛中的核小体中H1含量低，其它组蛋白被广泛乙酰化，并有超敏感位点未甲基化CpG岛可能说明基因具有潜在活性，当前第60页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023608.2真核生物基因表达转录水平的调控真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（transactingfactor，又称跨域作用因子）调控。当前第61页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023618.2.1顺式作用元件顺式作用元件是指与参与转录调控的反式作用因子（RNA/蛋白质）相互作用的DNA序列。当前第62页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023621、启动子（promoter）真核基因启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成，是在基因转录起始位点（+1）及其5’上游大约100～200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度约为7～20bp，是决定RNA聚合酶II转录起始点和转录频率的关键元件。当前第63页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202363核心启动子（corepromoter）：是指保证RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游-25∼-30bp处的TATA盒。核心启动子确定转录起始位点并产生基础水平的转录。上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等，能通过TFIID复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。1、启动子（promoter）当前第64页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202364当前第65页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023652、增强子增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。当前第66页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202366当前第67页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202367当前第68页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202368当前第69页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202369当前第70页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023703、沉默子(silencer)负性调节元件，与相应的反式因子结合后，可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。这类特定序列不受距离和方向的限制，但机理目前尚不清楚。当前第71页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202371哺乳动物RNA聚合酶Ⅱ启动子上游转录因子结合的序列元件组件保守顺序DNA长度结合因子大小（Da）丰度（/细胞）分布TATAboxTATAAAA～10bpTBP27,000?普遍CAATboxGGCCAATCT～22bpCTF/NF160,000300,000普遍GCboxGGGCGG～20bpSP1165,00060,000普遍OctamerATTTGCAT～20bpOct-176,000?普遍OctamerATTTGCAT

23bpOct-252,000?淋巴细胞κBGGGACTTTCC～10bpNFκB44,000?淋巴细胞κBGGGACTTTCC～10bpH2·TH1??普遍ATFGTGACGT～20bpATF??普遍当前第72页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023728.2.2反式作用因子能直接或间接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。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合物分为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。• 与转录的起始或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。当前第73页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202373当前第74页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202374真核的转录起始是通过蛋白与DNA间以及蛋白与蛋白间的相互作用形成复杂的起始转录复合物而实现转录起始。当前第75页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202375真核生物中转录因子活性调节的主要方式当前第76页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202376反式作用因子结构三个功能结构域：DNA识别结合结构域(DNA-bindingdomain)；转录激活结构域(transcriptionalactivationdomain)；二聚化结构域。当前第77页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023771.DNA结合域DNA结合域（DNAbindingdomain）一般由60~100个氨基酸残基组成的几个亚区组成。与转录因子结合的DNA区常是一段反向重复序列，因此许多转录因子常以二聚体形式与DNA结合。当前第78页\共有102页\编于星期三\2点5/27/2023781.反式作用因子中的DNA识别或结合域（1）螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix,H-T-H）结构◆第一个被确立的DNA-结合结构◆最常见DNA结合域之一◆有至少两个α螺旋，中间由短侧连氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。◆常结合CAAT盒◆例：Lac阻遏蛋白,Trp阻遏蛋白、分解代谢激活蛋白(CAP)等。当前第79页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202379当前第80页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202380当前第81页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202381同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相结合，提高了稳定性。当前第82页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202382（2）锌指（Zincfinger）结构域最常见DNA结合域之一约有23个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基（2个Cys，2个His或4个Cys）以配位键与Zn2+结合。与DNA双螺旋大沟结合。常结合GC盒当前第83页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202383典型的类固醇激素受体结构示意图当前第84页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202384当前第85页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202385当前第86页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202386蛋白质分子可有2~9个锌指重复单位。每个单位以其指部伸入DNA双螺旋的大沟，接触5个核苷酸。如TFⅢA有连续9个锌指重复结构与DNA结合。当前第87页\共有102页\编于星期三\2点5/27/202387（3）亮氨酸拉链蛋白中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。当前第88页