第七 章 基因的表达与调控(下)

基因的表达与调控(下)—真核基因表达调控的一般规律真核基因

表达调控

主要步骤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?真核细胞与原核细胞差异一条成熟的mRNA链只能翻译出一条//多条多肽链DNA是裸露？组蛋白和大量非组蛋白相结合不转录的DNA序列，重复几百次甚至上百万次；内含子。DNA片段重排，增加基因的拷贝数，转录的调节区都很小//多，上游不远处//远离核心启动子达几百个甚至上千个碱基对。直接影响启动子区对于RNA聚合酶的接受程度，而是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。穿过核膜?成熟和剪接过程基因转录翻译DNA的空间结构rRNA成熟过程分析45S30S复杂的多基因家族发育调控的复杂多基因家族真核基因的断裂结构外显子(exon)：编码序列内含子(intron)：非编码序列断裂基因(interruptedgene)在一个结构基因中，编码某一蛋白质不同区域的各个外显子并不连续排列在一起，而常常被长度不等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式。高等真核基因核DNA序列中对应于外显子的部分可能还不到10％哺乳动物二氧叶酸还原酶的基因结构示意图一些基因，如SV40T抗原基因，一旦除去内含子，成熟mRNA运入细胞质的过程就完全被阻断几乎每个内含子5‘端起始的两个碱基都是GT，而3’端最后两个碱基总是AG，由于这两个碱基的高度保守性和广泛性，有人把它称为GT—AG法则，即：5‘CT……AG3’。由于内含于两末端的序列不同，可定向标明内含子的两个末端，根据剪接加工过程沿内含子自左向右进行的原则，一般将内含子5'端接头序列称为左剪接位点(供体位点donorsite)，3'端接头序列称为右剪接位点(受体位点aceeptorsite)外显子与内含子的可变调控

一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA，编码一个多肽

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真核生物DNA水平上的基因表达调控用来合成RNA的DNA模板也会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。基因丢失基因扩增基因重排基因移位消除或变换某些基因并改变它们的活性。与转录及翻译水平的调控是不同的，它使基因组发生了改变。“开放”型活性染色质真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生之前，染色质常常会在特定的区域被解旋松弛，形成自由DNA。这种变化可能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(Z—DNA)等，这些变化可导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，诱发基因转录。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。基因重排与变换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。免疫球蛋白结构基因—由B淋巴细胞合成的T—细胞受体基因的表达—由T淋巴细胞合成“交配型转换”酵母细胞能通过“交配型转换”(matingtypeswitching)的过程改变自己的性别。也称为基因转换(geneconversion)。以降低在遗传学上的风险。DNA甲基化与基因活性的调控DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，这一修饰途径可能存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切相关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。DNA甲基化与基因活性的调控在真核生物中，5—甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXgG、CCA／TGG和GATC中因为高等生物CpG二核苷酸序列中的C通常是甲基化的，极易自发脱氨，生成胸腺嘧啶，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。由于这些CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，这段序列往往被称为CpG岛真核生物甲基化日常型甲基转移酶，主要在甲基化母链(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。该酶催化特异性极强，对半甲基化的DNA有较高的亲和力，使新生的半甲基化DNA迅速甲基化，从而保证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未甲基化的CpG成为mCpG，它不需要母链指导，但速度很慢。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。研究表明，当组蛋白H1与含CCGG序列的甲基化或非甲基化DNA分别形成复合体时，DNA的构型存在着很大的差别，甲基化达到一定程度时会发生从常规的B—DNA向Z—DNA的过渡。由于Z—DNA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基因转录的起始。有实验用序列相同但甲基化水平不同的DNA为材料，比较其作为RNA聚合酶转录模板的活性，发现甲基的引入不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了其体外转录活性。启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关

DNA甲基化与X染色体失活X染色体失活是发育过程中独特的调节机制。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，以确保与只有一条X染色体的雄性个体内X染色体基因的剂量相同一旦发生X染色体失活，这个信息便能够稳定地传递给子代细胞，使该细胞有丝分裂所产生的后代都保持同一条X染色体失活。真核基因的转录顺式作用元件(cis—actingelement)同一DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列反式作用因子(trans-actingfactor，又称跨域作用因子)真核基因顺式作用元件启动子──真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，每一组件含7~20bp的DNA序列。增强子──远离转录起始点（1~30kb）、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。沉默子──某些基因含有的一种负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。真核基因

一般构造示意图核心启动子上游启动子元件-25~-30-70增强子特性：增强效应十分明显一般能使基因转录频率增加10~200倍，有的可以增加上千倍，如经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高600~1000倍；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')，甚至与靶基因相距3kbp或在靶基因下游，均表现出增强效应；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；其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蛋白质(转录因子)相互作用才能发挥功能；没有基因专一性许多增强子还受外部信号的调控如金属硫蛋白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。反式作用因子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。它们中有些被认为是转录复合物的一部分，因为所有或大部分基因的启动区都含有这一特异序列。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。螺旋—转折—螺旋(helix—turn—helix，H—T—H)结构蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中间由短侧链氨基酸残基形成“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控制酵母交配型MAT基因座以及果蝇体节发育的调节基因(antp、ftz、ubx)等同源盒(homeobox)基因所编码的蛋白都有H—T—H结构。与DNA相互作用时，同源域蛋白的第一、二两个螺旋往往靠在外侧，其第三个螺旋则与DNA大沟相结合，并通过其N—端的多余臂与DNA的小沟相结合锌指(zincfinger)结构三种结构：锌指、锌钮(twist)和锌簇(cluster)其特有的半胱氨酸和组氨酸残基之间氨基酸残基数基本恒定，有锌参与时才具备转录调控活性。由于结合在大沟中重复出现的α螺旋几乎联成一线，这类蛋白质与DNA的结合很牢固，特异性也很高。重复的锌指样结构都是以锌将一个α螺旋与一个反向平行β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、精氨酸参与DNA的结合。锌指(zincfinger)结构类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构，其中两个锌原子将两个α螺旋装配成类似H—T—H的结构，再以同源或异源性二聚体的方式将两个d螺旋结合在相邻的两个大沟中碱性—亮氨酸拉链(basic-leucinezipper)肝脏、小肠上皮、脂肪细胞以及某些脑细胞中存在的一大类C／EBP家族蛋白质，它们的特征是能够与CCAAT盒和病毒的增强子结合。C／EBP家族蛋白的羧基端35个氨基酸残基具有能形成α螺旋的特点，其中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，这就导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。由于这类蛋白质都以二聚体形式与DNA结合，两个蛋白质α螺旋上的亮氨酸一侧是形成拉链型二聚体的基础。然而，亮氨酸拉链区并不能直接结合DNA，只有肽链氨基端20-30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。若不形成二聚体，该碱性区对DNA的亲和力明显降低。所以，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其它反式作用因子碱性—螺旋—环—螺旋(basic—helix／loop／helix)即bHLH结构。bHLH类蛋白