第十八章真核生物基因表达的调控

第十八章真核生物基因表达的调控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短期调节（short-termregulation）对环境条件的改变或者细胞的及组织的生理条件的改变作出反应。长期调节(long-termregulatiion长期调节是受到内在程序化的控制和外界环境的变化关系不大。基因的活性是指具有表达的基本条件。基因的表达是指具备表达的充分条件第一节染色体水平的调控一.染色体丢失马蛔虫（Parascarisequoorum）（2n=2）图18-马蛔虫受精卵的早期分裂840图18-小麦瘿蚊的染色体丢弃•二.染色体的扩增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2.多线染色体（polytennechromosomes）DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次。三.基因组序列的选择性扩增1.dhfr基因氨甲喋呤（methotrexate）二氢叶酸还原酶(DHFR)均染色区（homogeneouslystainingregion,HSR）双微体(double-minutechromosomes)均染色区（homogeneouslystainingregion,HSR）双微体(double-minutechromosomes)1gene/chromosomeUnstablelineExtrachromosomalNumberofcopieschangesindaughter?StablelineAmplifiedregionGenotypeisconstantindaughtercellsFig.18-Thedhfrgenecanbeamblifiedtogeveunstablecopiesthatareetrachromosomal(doubleminutes)orstable(chsomosomal)染色体外的拷贝是怎样产生？这有两种可能：（1）复制的附加环可能在dhfr基因附近起始，然后通过dhfr拷贝之间的非同源重组而产生（2）或是等位基因之间的非同源重组来起始这个过程。额外的拷贝可能是通过类似于重组的事件将其从染色体释放出来。2.果蝇卵壳蛋白基因的扩增Fig.18果蝇卵壳蛋白基因的扩增．染色体的重排原核生物沙门氏细菌的相转变Mu噬菌体G片断的倒位。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.新搞清的锥虫VSG的重排.第二节真核生物中染色体的重排一.酵母的变配型的转变(一)酵母的变配型表18-1交配型控制的各种活性MATaMATαMATa/MATα细胞型aαa/α交配是是不孢子形成不不可外激素a因子α因子无表面受体结合α因子结合a因子无1.交配型的转换（switch）1977年Hicks,T.B.等提出了暗箱模型（cassettemodel）活性暗箱（activecassette）沉默暗箱（silentcassettes）沉默子（silencers）SilentcassettesActivecassettesSilentcassettesHMLMATHMRαaaChangeofmatingtypeoccurswhenαfrequentcassettereplacesacassetteααaChangeofmatingtypeoccurswhenacassettereplacesαcassettefrequentαaaNochangeofmatingtypeoccurswhenRarecassetteofsametypereplacesactivecassetteαaaFig.18-11ChangesofmatingtypeoccurwhensilentcassettesreplaceactivecassettesOfoppositegenotype;whentranspositionsoccurbetweencassettesofthesametype,thematingtyperemaunsunaltered.(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.10)aDiffusiblefactorαhaploidhaploidSurfacereceptorSurfacereceptoraFactorsbindtoreceptorsαhaploidhaploidMatingaαhaploidhaploida/αdiploidMATaMATαMATaMATαFig.TheyeastlifecycleproceedsthoughmatingofMATaandMATαhaploidstoGiveheterozygousdiploidsthatsporulatetogeneratehaploidspores.交配型（matimg-tyne）外激素（pheromones）α因子是一个13肽（WHWLQLKPGQPMY）a因子是12肽（YIILGLFWAPY）（二）交配型的信号传递（signaltransduction）交配型途径是通过释放βγ而被触发的因子受体αβγαβγGDPGTP交配型途径α突变体具有组成型活性受体βγ由于细胞周期停止组成型表达是致死的β突变体不能触发交配型途径αγ受体GDP由于对交配因子无反应故不育图18-9a或α因子与受体相互作用触发激活了G蛋白，其βγ亚基将信号转递给下一个蛋白(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.2)a-因子或α-因子STE2＝α-因子受体SCG1STE4STE18STE3＝a-因子受体GαGβGγSTE20激酶STE11激酶STE20激酶Fus1激酶Kss1激酶Fus3激酶细胞融合所需抑制CLN3激活接合STE12转录因子far1抑制CLN2图18-10相同的交配型反应是通过另一种外激素与其受体相互作用而引起的。此信号是通过一系列激酶转递给转录因子，在那儿再分别执行一些最终的功能。(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.3)表18-2酵母接合作用有关的基因及功能基因产物及功能MFa1MFa2a-因子STE2α-因子受体STE6分泌a-因子所需asgSsT1分解α-因子（蛋白分解酶）MFα1MFα2α-因子STE3a-因子受体αsgSTE13α-因子加工SCG1G蛋白α-因子STE1G蛋白β-因子STE18G蛋白γ-因子STE5活化asg·αsghsgSTE12转录因子STE7,STE11激酶（蛋白磷酸化酶）Fus3激酶，关闭细胞周期，开通接合Kss1激酶fus1细胞融合far1关闭细胞周期Kar1核融合SIR阻遏沉默暗盒的表达HO内切酶，起始交配型转换SIN1-6阻遏HO表达SWI1-5为HO表达导致转换所需RME1减数分裂和孢子形成的抑制因子HML/HMR储存沉默的交配型信息asg:a交配型特异基因群，αsg:α交配型特异基因群，hsg:单倍体特异基因群，HMRaX=704bpYa=642bpZ1=239bpZ2=88bpHMLαW=723bpX=704bpYa=642bpZ1=239bpZ2HMTαWXYαZ1Z2HMTaWXYaZ1Z2图19-12沉默暗盒和活性暗盒结构相同，但HMRa缺乏侧翼序列。(参考J.D.Watsonetal:《MolecularBiologyoftheGene》4ed.1987,Fig.37.4)SIR1SIR2SIR3SIR4WXYαZWXYαZXYaZELHMLαMATαERHMRa图19-13SIR蛋白作用E区，关闭HMLα和HMRa的表达。aα单倍体功能功能功能a单倍体组成型不表达组成型Noknownfunctions细胞表达表达HMLαMATaHMRaa1二倍体不表达不表达受阻遏α2细胞HMLαMATαHMRaα1α2α单倍体受阻遏被诱导组成型细胞表达诱导α接合阻遏a接合图18-16asg,αsg及hsg在a细胞，α细胞及二倍体细胞中的表达(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.6)(a)α-细胞α2a-特异性基因α1α2α-特异性基因MATαα1HORMEa/α-特异性基因b)a-细胞a-特异性基因a1α-特异性基因MATaHORMEa/α-特异性基因(C)a/α-细胞α1a-特异性基因α2α-特异性基因HORMEa/α-特异性基因MATaa1图18-15MAT基因的调节功能(a)α-单倍体；(b)a-单倍体；(c)a/α二倍体细胞“”转录；“”激活；“”抑制a-specificgenesα-specificgenesPRTFactivetesgenesconstitutivelyGenesoff:PRTFcannotbindwithoutα1ahaploidPRTFPRTFPRTFCCATGTAATTACCCAAAAAGGAAATTTACATGGTTTCCTAATTAGTNCNTCAATGNCAGα2+PRTFrepressa-specificgenesα1enablesPRTFtoactivatetargetgenesNNαhaploidPRTFPRTFα1TTTCCTAATTAGTNCNTCAATGNCAGα2α2CPRTFPRTFCCCATGTAATTACCCAAAAAGGAAATTTACATGGα2+a1represshaploid-specificgenesα/adiploidα2a1α2CCATGTNANTNNTATCATGGFig.CombinationsofPRTF,a1,α1andα2activateorrepressspecificgroupsofgenestocorrespondWiththemapingtypeofthecell信息素和受体转录因子YregionTTTCAGCTTTCCGCAACAGTATAAAAGTCGAAAGGCGTTGTCATATHOendonucleaseTTTCAGCTTTCCGCAACAGTATAAAAGTCGAAAGGCGTTGTCATATFig.19-18HOendonucleasecleavesMATjusttotherightofYregion,generatingstickyendswitha4baseoverhang.(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.9)MATHMRorHMLCutatYboundaryPairingwithdonorDegradationofMATSynthesisofnewDNARecipientDNAhaschangedmatingtypeDonorDNAisunchangedFig.18-19Cassettesubstiutionisinitiatedbyadouble-strandbreakintherecipint(MAT)locus,andmayinvolvepairingoneithersiteoftheYregionwiththedonor(HMRorHML)locus.(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.10)酵母交配型转换的分子机制α在母细胞α和子细胞ααa细胞之间发生转换转换后的第一代细胞aa不发生转换母细胞a和子aaaa细胞α间发生转换αα图18-20转还只发生在目细胞中；两个子细胞具有新的交配型。子细胞必须通过一个完整的细胞周期才能变成母细胞，此母细胞又能发生转换(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.32.11)－1200－1000－800－600－400－200起始点TTATAHO基因由SWI/SIN基因控制控制hsg和细胞周期阻遏阻遏转录激活SWI4SWI5TCATGTNNANANNTACATCACACGAAAAa1/α2阻遏物c