第八章真核基因表达调控

第八章基因的表达与调控(下)—真核基因表达调控的一般规律DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。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。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！真核生物基因表达与调控的复杂性：（1）真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中（2）基因组结构庞大。真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了有不起表达作用的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才进入表达阶段。(3)形成染色体结构。真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成细胞分裂的中期染色体。染色质的结构对基因的表达起总体控制作用。（4）重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列和异染色质。大多数为非编码区。（5）断裂基因。有外显子和内含子。（6）发育过程中高度分化的机制（7）信号传递复杂1.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。真核生物基因表达调控的种类：2.根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：真核基因表达调控的环节更多真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性.同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但转录后的调控占有了更多的分量。8.1真核生物的基因结构与转录活性8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控8.3真核生物转录水平上的基因表达调控8.4真核基因转录后水平上的调控Contents8.1真核生物的基因结构与转录活性1.真核细胞与原核细胞的差异2.基因家族（genefamily)3.断裂基因1.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P282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2003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。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，这些基因成套组合称为基因家族。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2.基因家族（genefamily)多基因家族大致可分为两类：一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内；另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。珠蛋白是一个多基因家族，在人类的第16号染色体上发现了7个类a珠蛋白基因，在第11号染色体上发现了6个类b珠蛋白基因。在约5亿年前，祖先珠蛋白基因经重复和歧化产生了原始的a珠蛋白基因和b珠蛋白基因，再追溯至8亿年前，这个祖先珠蛋白基因本身也是通过基因重复而产生的，它的另一份拷贝进化为现今的肌红蛋白(myoglobin)基因，肌红蛋白基因的组成和珠蛋白基因相似，其主要功能也同珠蛋白一样是贮存氧，因此我们可以将三个外显子结构看成是它们共同的祖先。1、简单多基因家族2、复杂多基因家族3.发育调控的复杂多基因家族大多数真核基因在DNA分子上是不连续的，都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成，其中编码的序列称为外显子(Exon)，非编码序列称内含子(Intron)。3.断裂基因断裂基因（interruptedgene）：在一个基因结构中，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，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，称为断裂基因。真核基因有时被称为断裂基因。真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子-内含子连接区（exon-intronjunction）的高度保守性和特异性碱基序列。8.1真核生物的基因结构与转录活性8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控8.3真核生物转录水平上的基因表达调控8.4真核基因转录后水平上的调控Contents8.2DNA水平的基因表达调控1染色质水平的调节：“开放”型活性染色质（activechromatin）结构对转录的影响2基因扩增3基因重排与交换4DNA甲基化与基因活性的调控1染色质状态对基因表达的调控按功能状态的不同可将染色质分为：（1）活性染色质（有转录活性）（2）非活性染色质（没有转录活性）活性染色质的核小体发生构象改变，具有松散的染色质结构，从而便于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键。活性染色质上具有DNaseI超敏感位点活性染色质的结构特征是RNA聚合酶、转录因子和各种调节因子的结合部位。在具有转录活性的染色质区域，可以观察到一些变化，最明显的是该区域对核酸酶介导的DNA降解的敏感性增强。转录活跃区域对核酸酶敏感度增加2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。例如:1.非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。2.许多昆虫的某些细胞，如唾腺细胞染色体不经发生细胞分裂就可进行重复复制。这种现象叫做多线性(polyteny)。3基因重排与交换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和T-细胞受体基因的表达。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，DNA的甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。与基因表达调控密切相关。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。DNA的甲基化修饰与错误修正时的定位有关。错配修复:Dam甲基化酶；5’GATC；MutS、MutH和MutLDNA的甲基化的位点：5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）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。多个CpG序列集合成簇形成了富含甲基化位点的CpG岛（CpGisland），具有很高的序列保守性。真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：1）一种被称为日常型甲基转移酶；2）另一种是从头合成型甲基转移酶5基因丢失（了解）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。8.1真核生物的基因结构与转录活性8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控8.3真核生物转录水平上的基因表达调控8.4真核基因转录后水平上的调控Contents8.3转录水平的基因表达调控特点：真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor，又称跨域作用因子）间复杂的相互作用来实现的。8.3转录水平的基因表达调控1.真核基因转录机器的主要组成：1.1.顺式作用元件1.2.反式作用因子2.真核基因转录调控的主要模式3.1顺式作用元件DNA上一段序列，它们常与特定的功能基因连锁在一起，组成基因转录的调控区，影响自身基因的表达的DNA序列，称为顺式作用元件。种类：启动子、增强子、沉默子、应答元件主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发现起负性调控作用的元件沉默子/静止子(silencer)。在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。真核基因表达以正性调控为主导真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍；顺式作用元件（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①核心启动子(corepromoter)是指保证使RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列。包括转录起始位点及转录起始位点上游一25／一30bp处的富含TA的典型元件TATA盒。核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。②上游启动子元件(upstreampromoterelement，UPE)包括通常位于一70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，能通过TFII-D复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。2.增强子对转录的影响增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。增强子通常具有下列特性：增强效应十分明显。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列（50bp）。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控。增强子作用机理：（3）沉默子：一种负调控元件，参与基因表达的负调控。其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（４）应答元件：一段DNA上游序列，能和专一性蛋白因子结合，调控基因特异性表达。包括：如热激应答元件（heatshockresponseelement，HSE），糖皮质应答元件（glucocorticoidresponseelement，GRE），金属应答元件（metalresponseelement，MRE）等3.2反式作用因子3.2.1基本概念3.2.2反式作用因子的DNA识