第八章真核基因表达调控

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本文档共106页；当前第1页；编辑于星期六\11点50分一、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本文档共106页；当前第2页；编辑于星期六\11点50分●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●有重叠基因本文档共106页；当前第3页；编辑于星期六\11点50分三、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本文档共106页；当前第4页；编辑于星期六\11点50分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。本文档共106页；当前第5页；编辑于星期六\11点50分TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit非转录间隔序列外转录间隔序列内转录间隔序列本文档共106页；当前第6页；编辑于星期六\11点50分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。

本文档共106页；当前第7页；编辑于星期六\11点50分OrganizationofhistonegenesintheanimalgenomeRepeatinguniteRepeatingunite本文档共106页；当前第8页；编辑于星期六\11点50分发育调控的复杂多基因家族：

血红蛋白基因家族有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子被两个内含子隔开类和类珠蛋白基因家族人在发育过程中的血红蛋白类型本文档共106页；当前第9页；编辑于星期六\11点50分（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。本文档共106页；当前第10页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第11页；编辑于星期六\11点50分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‘--------GT——AG法则本文档共106页；当前第12页；编辑于星期六\11点50分有些DNA序列可编码一条以上的蛋白质相同密码子、不同起始位点产生长度不同的蛋白质不同起始位点、不同读码顺序产生不同蛋白质本文档共106页；当前第13页；编辑于星期六\11点50分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。肌红蛋白重链基因41个外显子，但能精确的剪接成一个成熟的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。小鼠淀粉酶基因表达的组织特异性变化：

唾液腺和肝脏本文档共106页；当前第14页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第15页；编辑于星期六\11点50分(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。本文档共106页；当前第16页；编辑于星期六\11点50分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、多层次2、个体发育复杂3、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4、正性调节占主导5、转录与翻译间隔进行6、转录后修饰、加工本文档共106页；当前第17页；编辑于星期六\11点50分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：本文档共106页；当前第18页；编辑于星期六\11点50分第三节真核生物DNA水平上的基因表达调控●基因丢失—马蛔虫基因扩增—rDNA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质粒转座子本文档共106页；当前第19页；编辑于星期六\11点50分一、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。本文档共106页；当前第20页；编辑于星期六\11点50分二、基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增多的现象，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。本文档共106页；当前第21页；编辑于星期六\11点50分基因组拷贝数增加，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。

小麦、大豆都是多倍体植物。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在本文档共106页；当前第22页；编辑于星期六\11点50分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：本文档共106页；当前第23页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第24页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第25页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第26页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第27页；编辑于星期六\11点50分免疫球蛋白由两条重链（可变区V、连接区J、恒定区C）和两条轻链（V、C）组成；免疫球蛋白及其基因重排本文档共106页；当前第28页；编辑于星期六\11点50分淋巴细胞

本文档共106页；当前第29页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第30页；编辑于星期六\11点50分实例二：人类血红蛋白；人类血红蛋白基因基因家族成员的发育阶段特异性表达是通过基因重排的方式决定的，这种变化是不可逆的。

本文档共106页；当前第31页；编辑于星期六\11点50分四、DNA甲基化与基因活性的调控DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。其机理是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。DNA的甲基化能提高甲基化位点的突变频率，因而可作为诱变剂或致癌因子调节基因表达。X染色体上DNA的高度甲基化可引起X染色体的失活。本文档共106页；当前第32页；编辑于星期六\11点50分DNA的甲基化本文档共106页；当前第33页；编辑于星期六\11点50分在真核生物中，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，称为CpG岛

本文档共106页；当前第34页；编辑于星期六\11点50分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：在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。催化特异性强，保证了DNA复制及细胞分裂后甲基化模式不变。

从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG，不需要母链的指导，但速度很慢。本文档共106页；当前第35页；编辑于星期六\11点50分NotrecognizedbymaintenancemethylaseRecognizedbymaintenancemethylase本文档共106页；当前第36页；编辑于星期六\11点50分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。

甲基化达到一定程度时，DNA构象由B-DNA向Z-DNA过渡，后者结构收缩，螺旋加深，使许多反式作用因子所识别的元件（顺式作用因子）深陷于大沟内，而不利于二者的识别与结合，从而不利于基因的转录起始。本文档共106页；当前第37页；编辑于星期六\11点50分DNA甲基化对基因转录的抑制作用P252本文档共106页；当前第38页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第39页；编辑于星期六\11点50分DNA的甲基化提高了位点突变频率5-mC脱氨基造成C-T转换：所以CpG二核苷酸序列出现的频率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。本文档共106页；当前第40页；编辑于星期六\11点50分DNA的甲基化与X染色体失活雌性哺乳动物一条X染色体发育早期失活，可传给子细胞，巴氏小体。X特异性基因Xist（xi-specifictranscript,只在失活的X染色体上表达）产物是功能性RNA分子（不含ORF，具有大量的中止密码子，仅定位于核内），可与Xic（X-chromosomeinactivationcenter）位点结合，造成构象变化，使DNA更易与各种蛋白质结合，最终导致X染色体失活。活化X染色体上的Xist基因总是甲基化的，失活X染色体上的Xist基因总是去甲基化的。本文档共106页；当前第41页；编辑于星期六\11点50分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基因甲基化与X染色体失活本文档共106页；当前第42页；编辑于星期六\11点50分五、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[常染色质]和非活性染色质[异染色质]，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。活性染色质本文档共106页；当前第43页；编辑于星期六\11点50分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。本文档共106页；当前第44页；编辑于星期六\11点50分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）本文档共106页；当前第45页；编辑于星期六\11点50分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。HMG蛋白与启动子的结合，导致单链区形成，使启动子暴露，产生了DNaseⅠ超敏感位点。本文档共106页；当前第46页；编辑于星期六\11点50分DNaseⅠhypersensitivesites本文档共106页；当前第47页；编辑于星期六\11点50分HMG蛋白质是真核细胞核内一组含量丰富的非组蛋白,它们在染色质的结构与功能及基因表达调控过程中均起着重要作用。HMG蛋白质能与通用转录因子TFIID和TFIIA相互作用,增强某些基因的转录.HMG(14/17)是目前已知惟一能特异性地识别围绕在核小体核心颗粒上146bpDNA的非组蛋白本文档共106页；当前第48页；编辑于星期六\11点50分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。本文档共106页；当前第49页；编辑于星期六\11点50分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组蛋白巯基暴露本文档共106页；当前第50页；编辑于星期六\11点50分活性染色质上具有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。本文档共106页；当前第51页；编辑于星期六\11点50分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10倍以上，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。本文档共106页；当前第52页；编辑于星期六\11点50分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）真核基因结构本文档共106页；当前第53页；编辑于星期六\11点50分主要讨论真核RNA聚合酶II本文档共106页；当前第54页；编辑于星期六\11点50分“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。本文档共106页；当前第55页；编辑于星期六\11点50分（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本文档共106页；当前第56页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第57页；编辑于星期六\11点50分

增强子增强子首先发现于SV40病毒中。它转录起始位点上游约200bp处有两段72bp长的重复序列，可提高转录效率100倍以上。该序列可远离转录起始点3000bp以上依然发挥作用。核心元件是5-GGTGTGGAAAG-3本文档共106页；当前第58页；编辑于星期六\11点50分增强子及其功能真核生物基因可受长距离调控，即受增强子调控增强子是真核生物中通过启动子来增强转录的远端遗传性控制元件。可以位于基因的5‘端，也可位于3’端，也可位于基因内部的内含子区域。一般跨度为100-200bp，各个独立序列彼此间隔50bp，至少2-3个同时存在。本文档共106页；当前第59页；编辑于星期六\11点50分增强子的其它特性：能通过启动子提高同一条DNA链上靶基因的转录一般具有组织细胞特异性，说明增强子只有与特定蛋白结合后才能发挥功能[即这种组织细胞特异性是由特定蛋白因子决定的]。活性与在双螺旋结构中的方向有关。本文档共106页；当前第60页；编辑于星期六\11点50分Ageneenhancerelementcanfunctioningeneregulationatadistance.

本文档共106页；当前第61页；编辑于星期六\11点50分增

强

子

作

用

机

理

：

本文档共106页；当前第62页；编辑于星期六\11点50分第三节反式作用因子

（转录因子）对转录的影响一、转录因子的类型；二、转录因子的DNA结合结构域；三、转录因子的蛋白质结合结构域本文档共106页；当前第63页；编辑于星期六\11点50分一、转录因子的类型1、具有普遍性作用的通用转录因子

一般作用于类型Ⅱ基因的基本元件，如TATA框和转录起始区域(INR)，一般参与启动子上转录起始反应。它们使启动子进行低水平基础性转录，可以被转录活化因子进一步激活，也可被转录抑制因子阻遏。

是参与转录起始或终止的非特异性转录因子本文档共106页；当前第64页；编辑于星期六\11点50分一、转录因子的类型2、细胞或基因特异性转录调控因子

作用于转录起始复合物形成过程中的某些靶分子和控制位点，往往含有DNA序列特异性结合的结构域和激活(活化)结构域。DNA序列特异性结合的结构域使它们结合、固定到启动子上游调控区上。活化结构域被认为是直接或间接地接触到普遍性转录因子内的靶位点上，对转录的起始过程实行调控。

本文档共106页；当前第65页；编辑于星期六\11点50分TFⅡD的一个亚基TBP即TATA框结合蛋白，是一个普遍性的转录因子本文档共106页；当前第66页；编辑于星期六\11点50分TFⅡD的一个亚基是特异识别TATA框的，称为TATA框结合蛋白（TBP）；其余亚基叫TBP-相关因子（TAF）；起始复合物的组装过程：TFⅡD（TBP、TAFs）+DNA+TFⅡA+TFⅡB+（TFⅡF+RNApolⅡ）+TFⅡE由RNApolⅡ与通用转录因子组成基础转录装置——起始复合物本文档共106页；当前第67页；编辑于星期六\11点50分RNApolⅡ的上游元件及其转录因子上游元件：TATA框、GC框、CAAT框、八聚体（Octamer，一个8bp元件）。转录因子：1、TATA框结合蛋白：TFⅡD、TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE等；2、SP1：结合到GC框，能与启动子的任一条链结合。其DNA结合域在C端，含有三个锌指。3、结合CAAT框的因子：有多种，其中一类是CTF家族，其成员与CAAT框的亲和力相同；另一类是CP家族，其成员与不同启动子的CAAT框的亲和力不同。本文档共106页；当前第68页；编辑于星期六\11点50分二、转录因子的DNA结合结构域1、锌指（Zincfingerregion）2、亮氨酸“拉链”式二聚体（leucinezipper）；3、螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）；4、结合相关靶DNA的同源域（hemeodomain）：本文档共106页；当前第69页；编辑于星期六\11点50分Threemajorcategoriesoftranscriptionfactorprotein本文档共106页；当前第70页；编辑于星期六\11点50分1、锌指：定义：保守氨基酸的残基与锌离子结合，使中间的氨基酸残基回折成一种手指状结构，称为锌指。结构：保守序列：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His；Cys2/His2锌指，Cys2/Cys2锌指；功能：锌指区负责识别并结合于DNA上特异的目标位点。有两类与DNA结合的蛋白质具有这种结构，即经典的锌指蛋白与类固醇受体。不同蛋白质锌指数目不同。本文档共106页；当前第71页；编辑于星期六\11点50分大部分的锌指区都聚合成一组，但也有的不止一个锌指簇，一般认为，如果某个蛋白具有一个或多个成簇的锌指区，那么它很可能就是转录因子。本文档共106页；当前第72页；编辑于星期六\11点50分锌指区结构都是以锌将一个α

螺旋与一个反向平行的β折叠片的基底通过半胱氨酸和组氨酸之间形成配位键连接起来，指环上的赖氨酸和精氨酸参与DNA的结合结合在DNA大沟中重复出现，所以结合牢固。本文档共106页；当前第73页；编辑于星期六\11点50分糖皮质激素特异性雌激素特异性

类固醇激素受体是以二聚体形式发挥其促进转录作用的。它们的两个锌指的功能不同。第1个锌指的右侧是控制与DNA结合的，第2个锌指的左侧则是控制形成二聚体的能力的。本文档共106页；当前第74页；编辑于星期六\11点50分2、碱性亮氨酸“拉链”式二聚体bZIP此种结构基元的特点是蛋白质的-螺旋的一侧集中了许多疏水氨基酸，两分子蛋白质的这种疏水侧面相互作用使之形成二聚体。本文档共106页；当前第75页；编辑于星期六\11点50分这些-螺旋的一个突出特点是频繁出现亮氨酸，并且趋于每7个氨基酸残基出现一个亮氨酸，这种出现频率使得在形成-螺旋时，亮氨酸出现在-螺旋的疏水一侧，并且直线排列。早期设想的这些-螺旋之间的蛋白质—蛋白质相互作用的模式是亮氨酸残基的交错插入，因而把它叫成亮氨酸拉链。现在已知，在两个蛋白质上的亮氨酸残基是肩并肩地排列起来的，并且相互作用的两个-螺旋是彼此缠绕在一起，成为螺旋了的螺旋。

本文档共106页；当前第76页；编辑于星期六\11点50分亮氨酸拉链蛋白在序列上的另一个共同特点是，在拉链区的氨基端有一个约30个残基的碱性区(富含赖氨酸和精氨酸)。此区的作用是与DNA结合，它也形成-螺旋。亮氨酸拉链区的作用是将一对与DNA结合的区域拉在一起，以结合两个相邻的DNA序列。本文档共106页；当前第77页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第78页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第79页；编辑于星期六\11点50分

3、螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）HLH蛋白的共同结构：含40-50个氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂的-螺旋（helix），-螺旋被不同长度的连接区（loop）分开。HLH蛋白借两个螺旋对应面上疏水基团相互作用形成同样亚基或不同亚基构成的二聚体。HLH区可能使各亚基的两个碱性区正确定向。与HLH区相邻的是强碱性的区域，它是与DNA结合必须的。本文档共106页；当前第80页；编辑于星期六\11点50分

bHLH蛋白是以二聚体与DNA结合并发挥作用的。一个同二聚体或一个异二聚体的两个亚基都有碱性区时才能与DNA结合。HLH结构域的作用大概是正确安置这两个(由每个亚基各提供一个)碱性区的位置。本文档共106页；当前第81页；编辑于星期六\11点50分4、结合相关靶DNA的同源域同源域：是指由60个保守氨基酸组成的结构域。它存在于许多或几乎所有真核生物的DNA结合蛋白中，负责与DNA结合。编码同源域的DNA序列称为同源域（同源转换）基因，可能与生物的生长、发育和分化密切相关。同源域具有三个螺旋区并通过螺旋区与DNA发生识别和结合。本文档共106页；当前第82页；编辑于星期六\11点50分本文档共106页；当前第83页；编辑于星期六\11点50分图示果蝇engrailed基因产物的同源异型域与DNA结合的模式图。从图中可以看出，螺旋3结合在DNA的大沟中，它是蛋白质和DNA的主要接触部位。螺旋3的一些部位与磷酸骨架结合，这是没有特异性的。但中间部分则与碱基相结合，这种结合规定着特异性。螺旋2和螺旋3形成螺旋—转角—螺旋式样，螺旋1和螺旋2为反平行样式，它们与螺旋3近于垂直。此外，在结构域N端有个伸展的臂，它伸入到小沟中，成为蛋白质与DNA的另一个接触位点。本文档共106页；当前第84页；编辑于星期六\11点50分第四节其他水平上的基因调控一、RNA的加工成熟；二、翻译水平的调控；三、蛋白质的加工成熟；本文档共106页；当前第85页；编辑于星期六\11点50分一、RNA的加工成熟（一）、rRNA和tRNA的加工成熟；1、rRNA：

45S前体rRNA→18SrRNA+28SrRNA+5.8SrRNA2、tRNA：前体tRNA→4.5StRNA→成熟4StRNA（二）、mRNA的加工成熟（证据：P285）1、5末端加“帽子”：P862、3末端加上poly（A）尾：P873、mRNA的剪接；4、核苷酸的甲基化修饰。本文档共106页；当前第86页；编辑于星期六\11点50分rRNA的加工成熟本文档共106页；当前第87页；编辑于星期六\11点50分rRNA和tRNA同时加工成熟本文档共106页；当前第88页；编辑于星期六\11点50分mRNA的加帽与加尾本文档共106页；当前第89页；编辑于星期六\11点50分mRNA

的

加

工

成

熟本文档共106页；当前第90页；编辑于星期六\11点50分（二）、mRNA的剪接本文档共106页；当前第91页；编辑于星期六\11点50分组成型剪接本文档共106页；当前第92页；编辑于星期六\11点50分内含子的GT-AG法则本文档共106页；当前第93页；编辑于星期六\11点50分选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质本文档共106页；当前第94页；编辑于星期六\11点50分剪接过程本文档共106页；当前第95页；编辑于星期六\11