真核生物基因表达调控

Chapter7.基因的表达与调控------真核基因表达调控模式本章所讲述内容：1、真核生物的基因结构与转录活性；2、真核基因的转录水平调控；3、反式作用因子的调控作用；4、真核基因转录调控的主要模式；5、其他水平的基因调控；本节课所讲述内容：真核生物的基因结构与转录活性:1、简述真核生物基因表达调控总论；2、真核基因组的一般构造特点；3、基因的典型结构及特点；4、真核生物DNA水平上的基因表达调控;5、DNA甲基化与基因活性的调控;真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决定基因表达调控上的巨大差别。原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。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，每个真核细胞所携带的基因数量及总基因组中蕴藏的遗传信息量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组就包含有3×109bp总DNA，约为大肠杆菌总DNA的1000倍，是噬菌体总DNA的10万倍左右！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。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。在真核生物中基因表达的调节其特点是:（1）多层次;（2）无操纵子和衰减子;（3）个体发育复杂;（4）受环境影响较小;研究基因调控主要应回答3个问题：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？真核基因组的一般构造特点①在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。②真核细胞DNA都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构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。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（maturationandsplicing），才能顺利地翻译成蛋白质。7.1.1基因的典型结构及特点(1)染色体结构复杂由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。其基本结构物质是DNA和组蛋白。核小体是染色质的基本单位。真核染色体上三要素：DNA复制起始点、着丝点(centromere)和端粒(telomere)。目前通用的酵母人工染色体(YAC)以及正在研制的哺乳动物细胞人工染色体(MAC)就是以此为基础,再加自主复制序列(ARS)、选择标记和插入位点组建的。(2)DNA顺序重复轻度、中度、高度重复序列三种：轻度重复序列：单拷贝基因；一个基因组中有一个或几个拷贝的序列；例如结构基因基本上属于不重复序列，如蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白等。中度重复序列：l0个至几百个拷贝的序列;各种rRNA、tRNA及某些结构蛋白基因（如组蛋白基因）。高度重复序列：从几百到几百万个，通常说的卫星DNA就属于高度重复序列。重复序列的存在是真核生物DNA区别于原核生物DNA的一个重要特征。(3)基因不连续性(interruptedgene)基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为不编码的序列所隔开。不连续基因是通过mRNA和DNA杂交试验发现的。外显子(exon)：编码序列内含子(intron)：非编码序列外显子和内含子的概念与是否编码氨基酸的概念并不相对应。从不连续基因到成熟mRNA之间存在着一个基因转录的中间体,叫做初级转录物，叫做不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA),这个基因的初级转录物既含有外显子又含有内合子序列，从不均一核RNA到成熟mRNA要经过一转录后的加工拼接过程。真核生物基因的不连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又一重要特征。在真核生物中也有些基因是不含内含子的，如组蛋白基因及α型、β型干扰素基因、大多数酵母蛋白基因等。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。所以，真核基因有时被称为断裂基因(interruptedgene)。目前尚不清楚内含子的生理功能。研究发现，只有真核生物具有切除基因中内含子，产生功能型mRNA和蛋白质的能力，原核生物一般不具有这种本领。如果要在原核细胞里表达真核基因，必须首先构建切除内含子的重组基因，才有可能得到所研究的蛋白质。(4)存在许多基因家族(genefamily)来源相同、结构相似、功能相关的基因组成为单一的基因簇或称基因家族。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；更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。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。在大肠杆菌中，16S，23S和5SrRNA基因联合成一个转录单位，各种rRNA分子都是从这个转录单位上剪切下来的。在真核生物中，前rRNA转录产物的分子量为45S，包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。前rRNA分子中至少有100处被甲基化（主要是核糖的2-OH甲基化），原始转录产物也被特异性RNA酶切割降解，产生成熟rRNA分子。5SrRNA作为一个独立的转录单位，由RNA聚合酶III（而不是聚合酶I）完成转录。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。海胆的组蛋白基因家族串联单位中的每一个基因分别被转录成单顺反子RNA，这些RNA都没有内含子，而且各基因在同一条DNA链上按同一方向转录，每个基因的转录与翻译速度都受到调节。研究还表明，在一个特定的细胞中，并不是所有串联的单位都得到转录。胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，暗示可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。(5)存在串联重复基因其特点是各成员之间有高度的序列一致性甚至完全相同，拷贝数高、非转录的间隔区短而一致。组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因都是串联重复基因，这些基因的产物在细胞中都是大量需要的。7.1.3真核生物DNA水平上的基因表达调控分子生物学的最新研究表明，在个体发育过程中，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体的发育。高度重复基因的形成通常与个体分化阶段DNA的某些变化有关。例如，一个成熟的红细胞能产生大量的可翻译出成熟珠蛋白的mRNA，而其前体细胞却不产生珠蛋白。许多情况下，这种变化是由于基因本身或它的拷贝数发生了永久性变化。这种DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，它包括了基因丢失、扩增、重排和移位等方式，通过这些方式可以消除或变换某些基因并改变它们的活性。这些调控方式与转录及翻译水平的调控是不同的，因为它使基因组发生了改变。7.1.3.1．“开放”型活性染色质（activechromatin）结构对转录的影响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。用DNA酶I处理各种组织的染色质时，发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。鸡成红细胞（erythroblast）染色质中，β-血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNA酶I切割降解。鸡输卵管细胞的染色质中被DNA酶I优先降解的是卵清蛋白基因，而不是β-血红蛋白基因。存在于“灯刷型”染色体（lampbrush）上的环形结构可能与基因的活性转录有关。“灯刷型”染色体只有在两栖类动物卵细胞发生减数分裂时才能被观察到，它是染色体充分伸展时的一种形态。高倍电镜下观察发现，灯刷型染色体上存在许多突起的“泡”状或“环”状结构，有时还能看到RNP沿着这些突起结构移动，表明这些DNA正在被RNA聚合酶所转录。1.基因的扩增（amplification）两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18SrRNA和28SrRNA的DNA，在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了1000倍.一旦卵母细胞成熟，多余的rDNA就没有用了，将被逐渐降解。受精之后，染色体DNA开始复制，并通过有丝分裂的方式，不断扩大细胞群体。在此期间，多余的rDNA继续被降解，直到分裂产生几百个细胞时，rDNA的过剩现象就不复存在了。7.1.3.2．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。7.1.3.3．基因重排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。真核生物最典型的例子是免疫球蛋白在成熟过程中的重排以及酵母的交配型转变.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和T-细胞受体基因的表达，前者是由B淋巴细胞合成的，而后者则由T-淋巴细胞合成。抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产生一种抗体免疫球蛋白的肽链主要由可变区（V区）、恒定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。本节课所讲述内容：真核生物的基因结构与转录活性：1、真核基因表达调控的最显著特征是什么？2、真核生物基因调控根据其性质可分为哪两大类？3、真核生物中基因表达的调节特点是什么？4、相对于原核生物，真核基因组的一般构造特点是什么？5、基因的典型结构及特点？6、真核生物DNA水平上的基因表达调控：掌握几个概念：开放性活性染色体对基因转录的影响；基因扩增；基因重排；真核基因的转录水平调控；本节课所讲述内容：1、真核生物的基因结构与转录活性:DNA甲基化与基因活性的调控;2、真核基因的转录；3、反式作用因子7.1.4DNA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。大量研究表明，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甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。实验证明，这个过程不但与DNA复制起始及错误修正时的定位有关，还通过改变基因的表达参与细胞的生长、发育过程及染色体印迹、X染色体失活等的调控。CpG岛（CpGislands）是指DN