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真核基因表达的调控1DNA水平的调控2染色质水平上的基因活化调节3转录水平的调控4转录后水平的调控5翻译水平调控6翻译后水平调控7原核与真核基因表达调控差异内容介绍一、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（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)非编码区较多多于编码序列(9:1)含有大量重复序列真核生物的基因组●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原核生物基因组结构特点●有重叠基因二、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2019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。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。Organizationofhistonegenesintheanimalgenome（二）断裂基因基因的编码序列在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：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'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。根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，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。二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。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－－翻译水平调控－－蛋白质加工水平的调控四、真核生物基因表达调控的种类：第一节DNA水平的调控●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，通过丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性totipotency第一节DNA水平的调控二、基因扩增在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象1、为满足正常的生长发育需要如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增:卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍，用于转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体。在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增2、外界环境因素引起基因扩增基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc原癌基因的DNA区段扩增10－200倍。许多致癌剂可诱导DNA扩增。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是免疫球蛋白结构基因的表达。三、基因重排：基因重排特异性调节，发生在特殊的细胞类型中例如：酿酒酵母接合型哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接无序的，发生在肿瘤细胞基因组中1、酿酒酵母接合型的决定Saccharomycescerevisiae单倍体细胞,aor接合型不同接合型的细胞可以接合相同接合型的细胞不能接合MATa,MAT接合型可互变a←→需要HO基因，编码内切酶2、Cassettemodel匣子模型（1）接合型互变的匣子模型一个单倍体细胞中同时存在MATa和MAT在同一染色体上，活跃匣子MAT沉寂匣子HML,HMR活跃匣子表达，HML和HMR保持沉默？Sir(silentinformationregulator)，编码阻遏蛋白,其结合位点在HML和HMR启动子上游1500bp以外，在MAT上无结合位点sir如何控制转录？影响RNA聚合酶的结合通过染色质浓缩，改变基因转录DNaseI超敏感位点不存在于HML/R上与活跃匣子不同类型的沉寂匣子可以取代活跃匣子，改变接合型3接和型互变接合型的改变，实际上是DNA序列的代换，依赖于序列同源性与活跃匣子不同类型的沉寂匣子可以取代活跃匣子，改变接合型匣子WXYZ1Z2totalHML723704747239882501MAT723704747239882501MATa723704642239882369HMRa7046422391585四、DNA的甲基化与基因调控：1、DNA的甲基化在真核生物中，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：维持甲基转移酶重新甲基转移酶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。第二节染色质水平上的基因活化调节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，所谓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。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）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。4.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露活性染色质上具有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。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倍以10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。第三节转录水平的调控真核生物细胞中有成千上万个基因表达，不同类型细胞由不同组合的基因表达。那么，每种细胞如何保证正确的基因组合表达？一种途径是基因重复：基因有多个拷贝，不同类型细胞表达不同的拷贝，不同拷贝的表达处于不同调控系统。另一种途径是复合控制系统：真核生物单拷贝基因转录调控系统,网络一、基因转录的顺式调控元件cis-element由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反式作用因子结合，实现对基因转录的调控。按照功能分为启动子、增强子、沉默子按照调控水平分为基础转录水平的顺式调控元件，如启动子；特异诱导高效表达的顺式调控元件，如增强子1、启动子UPE:upstreampromotorelementUAS:upstreamactivatingsequence2、Enhancersv40促进转录，不具有启动子专一性功能与方向，位置无关远距离发挥作用(100~500bp，10Kb)组织或细胞特异性必须有两个(以上)增强子成份紧密相连，enhanson增强子的特点SV40至少有3个不连续的21bp的增强子成分A,B,C，6个增强子元3、silencer负调控元件,不受距离和方向限制，可对异源基因的表达起作用对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用例如酵母，matingtypeß-珠蛋白ε基因簇T淋巴细胞激活所需要的CD4/CD8基因SawadaS.,1994,Alineage-specifictranscriptionalsilencerregulatesCD4geneexpressionduringTlymphocytedevelopment.Cell77:917-929对细胞亚型成熟过程中特异性的选择表达二、基因转录的反式作用因子调控蛋白质包括负调控因子（阻遏蛋白）正调控因子（转录因子）原核生物调控蛋白种类较少（由于启动子或操作子结构简单）真核生物调控蛋白种类较多，主要是转录因子DNAbindingdomain：100aa，氢键，大沟transcriptionactivedomain：30-100aaregulardomain：与其它因子或调控蛋白结合（一）TF结构