第八章 真核生物基因表达的调控-分子生物学

1第八章真核生物基因表达的调控2☻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。3☻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。4☻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。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：5真核基因组的复杂性与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，真核基因组比原核基因组大得多；真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体DNA等)；二倍体；单顺反子；真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。大量的重复序列；不连续基因；增加了基因表达调控的层次和复杂性。6原核生物真核生物操纵子调控。多样化调控，更为复杂。基因组小，大肠杆菌：总长4.6×106bp,编码4288个基因,每个基因约1100bp。基因组大，人类基因组全长3×109bp，编码10万个基因，其余为重复序列。基因分布在同一染色体上，操纵子控制。DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的变化调控基因表达；基因分布在不同的染色体上，存在不同染色体间基因的调控问题。适应外界环境，操纵子调控表达。基因差别表达是细胞分化和功能的核心。转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控。转录和翻译在时间和空间上均不同，从DNA到蛋白质的各层次上都有调控，但多数为转录水平调控真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多7◆多级调控DNA水平基因丢失基因扩增基因重排甲基化修饰染色质的结构状态RNA水平转录水平调控RNA的转录后加工mRNA向胞浆转运mRNA稳定性蛋白质水平翻译过程翻译后加工蛋白质的稳定性一、真核生物调控的特点89◆基因表达以正调控为主◆转录与翻译在不同的区域进行◆无操纵子和衰减子◆个体发育复杂◆受环境影响较小101、基因家族（genefamily）A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。B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)一）DNA水平上的调控111）简单基因家族◆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)12132）复杂基因家族◆特点：相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，独立的转录单位◆代表:组蛋白基因家族间隔区143）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1516174）假基因(Pseudogene)◆核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因。一般都不被转录,且没有明确生理意义,可能是产生一种功能性非编码RNA,调节来自其等位编码基因的mRNA的稳定性◆根据其来源可分为复制假基因已加工假基因完全缺失存在于功能基因中的间隔序列无5’端调控序列3’末端紧接着有多聚腺嘌呤尾两端常被7～21bp的正向重复序列包围1819果蝇的sex－lethal基因转移到小鼠体内，大多数小鼠表现正常，但有一个品系的小鼠在幼年期全部死亡。研究发现，sex－lethal基因插入到makorin1－p1假基因中部，破坏了该假基因的转录。如果将假基因makorin1－p1敲除，makorin1基因将被关闭。导致多种畸形，包括多囊肾和骨变形。这种老鼠无法正常产生Makorin-1（这是一种在分裂的细胞中与beta-catenin存在于同一位置的蛋白），不是因为makorin-1基因的某个缺陷，而是因为它所产生的mRNA在一个相关假基因中的一个突变的影响下失去了稳定性。202、DNA水平调控1）染色质结构对基因表达的影响A常染色质(euchromatin):压缩程度低，伸展状态，着色浅常染色质是进行活跃转录的部位。异染色质(heterochromatin)：压缩程度高，聚缩状态，着色深结构异染色质(constitutiveheterochromatin)兼性异染色质(facultativeheterochromatin)没有基因转录表达。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。212223▲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。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）2425鸡胚红细胞珠蛋白基因+-卵清蛋白基因-+鸡输卵管细胞超敏感区域（hypersensitiveregion）或超敏感位点（hypersensitivesite):一般在转录起始点附近，即5′端启动子区域，少部分位于其它部位如转录单元的下游。反映出染色体DNA的有效性。鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统26▲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。2728B组蛋白的变化①富含Lys组蛋白水平降低,H2A,H2B二聚体不稳定性增加②组蛋白修饰③H3组蛋白巯基暴露2930C端粒位置效应（telomerepositioneffect，TPE）端粒处核小体的堆积紧密，导致该处附近的基因不表达；基因在染色体的位置不同，表达的效果也不同。31322)DNA的甲基化与去甲基化A甲基化◆DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,可能存在于所有高等生物中，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化诱导了基因的重新活化和表达◆DNA甲基化的主要形式：CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC3334▲CGislands高等真核生物中包含未甲基化CpG双核甘酸序列通常成串出现在随时准备好转录或转译的脱氧核糖核酸中，这段序列称为CG岛。3536▲甲基化酶①日常型（mainteance）②从头合成型（denovosynthesis）37▲在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度较低.▲去甲基化又可使基因恢复活性。卵黄原蛋白Ⅱ基因5调节区雌激素结合位点38BDNA甲基化抑制基因转录的机制甲基化抑制基因转录的直接机制39甲基化抑制转录的间接机制甲基化以后改变染色质的构象或者通过与甲基化CpG结合的蛋白因子（MeCP1、MeCP2）间接影响转录因子与DNA结合。甲基化达到一定程度会发生从常规的B－DNA向Z－DNA的转变。4041甲基化提高了突变频率42CDNA甲基化与X染色体失活X染色体失活中心(X-chromosomeinactivationcenter,Xic)：X染色体上存在一个与X染色体失活有密切联系的核心部位，定位在Xq13区。Xi-specifictranscript(Xist)基因：只在失活的X染色体上表达，产物是一功能性RNA，没有ORF却含有大量的终止密码子。XistRNA分子可能与Xic位点相互作用，引起后者构象变化，易于结合各种蛋白因子，最终导致X染色体失活。434445▲遗传印迹(geneticimprinting)或亲本印迹(parentalimprinting)：是指一对等位基因由于来源不同（父源或母源）而有不同表现（表达或不表达活性），使个体出现不同性状的遗传现象。如源于父本的IGF-Ⅱ(胰岛素样生长因子Ⅱ)基因可表达，而源于母本的则不能表达。选择性甲基化4647在生殖细胞形成或胚胎发育过程中DNA的甲基化修饰是引起父源和母源基因活性差异的关键。高度甲基化的等位基因常不被表达或表达活性减低，称为被印迹的基因。如果在卵子形成过程中被印迹，就会在后代细胞中表现出来自母方的该基因“沉默”，称为母源印迹；若在精子形成过程中被印迹，则来自父方的该基因表现“沉默”,称为父源印迹。48目前在人类和鼠身上已辨明了20种印迹基因。49▲印记基因与疾病印记丢失（lossofimprinting）在许多遗传性疾病中存在遗传印迹的现象。如亨廷顿舞蹈病属于常染色体显性遗传病，若由父源传递，则子女的发病年龄提前，临床症状加重，除舞蹈动作外，还出现神经系统功能紊乱。近年提出，IGF2或H19的印迹丢失(lossofimprinting,LOI),即被印迹的非活性等位基因重新激活，是肿瘤发生的一种新机制。50▲肿瘤发生抑癌基因甲基化不表达513)染色体(质)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）此可能是由于在植物极中有特殊的物质的存在，这种物质具有保护染色体不受削减的功能。5253小表瘿蚊（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。54554)基因扩增◆定义细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加◆作用满足特定阶段生命活动的需要56①组织中整个染色体组都进行扩增：在哺乳动物肝细胞扩增为四倍体；在双翅目昆虫[如果蝇（D.melanogaster）]的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体（polytennechromosomes）（含多于1000条染色单体）。57♣果蝇的多线染色体polytennechromosomesGeorgeRudkm早在1960年就指出：果蝇唾腺的多线染色体其常染色质DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次。58②发育中的编程扩增A特定的基因簇的染色体外扩增非洲爪蟾的18S、5.8S和28SrDNA的串联重复单位，它们成簇存在，形成核仁形成区。可是在卵母细胞中rDNA串联重复单位被剪切下来后环化，以滚环复制的形式进行扩增，使拷贝数扩大了4000倍以上，到双线期拷贝数达到200万个,形成灯刷染色体。满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。59♣B特定的基因簇原位扩增：在黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋白基因不被剪切，但在基因组中通过复制的重叠环而被扩增。卵泡细胞中选择性扩增来满足在短期中对卵壳蛋白的大量需要60Fig.18果蝇卵壳蛋白基因的扩增61C哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增某些试剂可使那些对其产生抗性的基因大量扩增。氨甲蝶呤（methotrexate）是二氢叶酸还原酶（DHFR）的竞争性抑制剂，可阻断叶酸盐的代谢。突变体dhfr基因可能扩增上千倍。在这种高抗性的细胞染色体中，可以观察到扩增区域形成一延伸的染色体带称均匀染色区（homogeneouslystainingregion,HSR）或形成小的点状染色体被称为双微体