第8章真核基因表达调控模板

第八章真核基因表达调控（下）真核生物基因表达调控的特点真核生物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蛋白质磷酸化对基因转录的调控其他水平上的表达调控本章内容真核生物（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，每个细胞基因组中蕴藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。e.g.人类细胞单倍体基因组有3×109bp，为大肠杆菌总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！真核生物染色质被包裹在细胞核内，基因的转录（核内）和翻译（细胞质内）被核膜所隔开，核内RNA的合成与转运，细胞质中RNA的剪接和加工等都属于真核生物基因调控的范围。真核生物基因表达调控的特点1、RNA聚合酶2、多层次3、个体发育复杂4、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5、正性调节占主导6、转录与翻译间隔进行7、转录后修饰、加工根据其性质可分为两大类：一.瞬时调控或称为可逆性调控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.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。真核生物基因表达调控的种类：根据基因调控在同一事件中发生的先后次序可分为转录水平调控:基因结构的活化和转录的启动；转录后水平调控，主要包括：RNA加工成熟过程的调控；mRNA转运到胞质及其稳定性；翻译水平调控；蛋白质加工水平的调控。真核基因表达调控主要步骤*******调控位点*蛋白质加工成熟蛋白质折叠蛋白质降解翻译起始和调控转录复合物的组装RNA加工和成熟研究基因调控主要回答的问题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？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。8.1真核生物的基因结构与转录活性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，才能顺利地翻译成蛋白质。8.1.1基因家族真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族。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。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简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。如rDNA，tRNA等，细菌中所有rRNA和部分tRNA都来自这个分子量为30S的前rRNA。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。5SrRNA作为一个独立的转录单位，由RNA聚合酶III完成转录。1、简单多基因家族基因之间结构相似，基因与基因之间有中间重复序列，在基因组内分散成若干个基因簇。各个基因含有单一的转录单元和非转录区。细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的分布与成熟过程分析成熟rRNAs前rRNA转录物真核生物的rRNA基因家族是一种中度串联重复、有转录活性的基因，是简单多基因家族之一。基因组含有大量的rRNA基因，细胞内RNA的80%-90%是rRNA。高等真核生物中，有4种rRNA，即28S、18S、5.8S和5SrRNA。2、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。组蛋白基因作为一个单位重复上千次。每个基因单独地按一定方向转录。各重复单位含有多个不同的转录单元和非转录区。3、发育调控的复杂多基因家族在不同组织、细胞类型、时间表达的复杂的多基因家族中，如珠蛋白和免疫球蛋白基因等属于不同时态表达的复杂的多基因家族。血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由2α2β组成的四聚体加上一个血红素。珠蛋白基因族所有动物血红蛋白基因的基本结构相同，但在个体发育不同时期却出现不同形式的亚基。人类发育阶段中血红蛋白组成的变化。发育阶段血红蛋白组成胚胎期（8周前）ξ2ε2ξ2γ2α2ε2胎儿期α2γ2成年期α2δ2α2β2人类11号染色体上的β族基因胚胎胎儿出生到成人胚胎胎儿和成人人类16号染色体上的α族基因人β-珠蛋白基因的基本结构人细胞中α和β-珠蛋白基因簇结构示意图8.1.2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。原始转录体需要剪接去掉内含子，然后切点两侧的RNA重新连接，才具有连续编码的成熟mRNA。大多数真核基因的编码区是不连续的，由外显子和内含子交替排列是断裂的。不同真核生物基因的平均长度及单个基因平均含有外显子数量比较物种外显子数/基因核基因平均长度(kb)mRNA平均长度酵母11.61.6真菌31.51.5线虫44.03.0果蝇411.32.7鸡913.92.4哺乳类716.62.2哺乳动物二氢叶酸还原酶的基因结构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'GTAG3'1、外显子与内含子的连接区内含子外显子外显子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小鼠淀粉酶(amy)基因利用不同启动子产生两个不同的mRNA肝中转录唾腺中转录(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。8.1.3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增大的现象，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。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。定义：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的方式。e.g.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：V、C、J区在胚胎期细胞中相距较远，细胞发育分化时，免疫球蛋白重链基因DNA重排。免疫球蛋白重链基因片段重排VVＪＣ２Ｃ３四、DNA的甲基化与基因调控：1、DNA的甲基化CH3CH3作用：关闭基因活性，引起染色质结构、ＤＮＡ构象稳定性及蛋白质作用方式的改变。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：日常型甲基转移酶从头合成型甲基转移酶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。DNA甲基化抑制基因转录启动子强度甲基化低密度高密度不同的内切酶识别不同的甲基化位点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。五、染色质结构与基因表达调控：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。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。活性染色质的主要特点在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点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）ABA“灯刷型”染色体B存在于“活性”染色质区的DNA环状结构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“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（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结合结构域转录活化结构域结构域连接区（1）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-