第七章真核基因表达调控的一般规律.

第七章基因的表达与调控(下)—真核基因表达调控的一般规律•真核生物的基因结构与转录活性•真核生物基因表达调控的种类•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、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结构与转录活性●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●有重叠基因原核生物基因组结构特点二、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。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。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RNA聚合酶与它的结合。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。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。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。TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit2.复杂多基因家族复杂多基因家族一般由几个相关基因构成，基因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（二）真核基因的断裂结构基因的编码序列在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。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：•1）内含子的两端序列之间没有广泛的同源性•2）连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列（GT-AG法则）5'GT……AG3'2.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。PS外显子SPL外显子L外显子2外显子3DNA50b2800bp161bp4500bp205bp327bp初始转录本：在唾腺中转录成熟mRNA：1663nt初始转录本：在肝中转录成熟mRNA：1773nt图18-57小鼠淀粉酶(amy)基因利用不同启动子产生两个不同的mRNA(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。第二节真核生物基因表达调控的种类根据其性质可分为两大类：1)瞬时调控(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。2)发育调控(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（RNA加工成熟过程的调控、翻译水平的调控、蛋白质加工水平的调控）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的甲基化与基因表达调控染色质的结构与基因表达调控●●●●抗体分子的形成Ti质粒转座子一、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。二、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。如非洲爪蟾卵原细胞中rRNA基因（rDNA）扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。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。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:免疫球蛋白结构基因的表达。三、基因重排四、DNA的甲基化与基因表达调控1.DNA的甲基化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。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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：催化处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG2.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，即抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。五、染色质的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。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。1.活性染色质活性染色质由于核小体发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构。“灯刷型”染色体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。疏松的染色质结构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。2.活性染色质的结构特点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。活性染色质上具有基因座控制区。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。（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，每个元件长度大约7~20bp,是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。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：通过TFⅡD复合物调节转录起始的频率，提高转录效率（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。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。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；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；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。增强子作用机理：（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。（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的核心序列上，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）2、结构DNA结合结构域（DNA识别）转录活化结构域反式作用因子连接区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）螺旋-转折-螺旋（H-T-H）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（motif）。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。Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等转录因子SP1（GC盒）、连续的3个锌指重复结构。碱性-亮氨酸拉链（bZIP）•二聚体•亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。•肽链氨基端有一个含20～30个碱性氨基酸的结构域，能与DNA结合。碱性区与DNA相结合碱性区与DNA相结合位于螺旋疏水区的亮氨酸相互作用碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH)（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息传递系统来传递信息，从而调控机体活动。外界环境变化时二、真核基因转录调控的主要模式信息传递→反式作用因子的活性跨膜信息传递的一般步骤：特定的细胞释放信息物质信息物质经扩散或血液循环到达靶细胞与靶细胞的受体特异性结合受体对信息进行转换并启动细胞内信使系统靶细胞产生生物学效应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第二信使(secondarymessenger)：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。受体：是细胞膜上或细胞内能特异识别信息物质并与之结合的成