第章基因的表達與調(diào)控真核

真核生物的基因組

真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉錄后水平上的調(diào)控Contents當前1頁，總共72頁。一、真核基因組結構特點真核基因組結構龐大

3×109bp、染色質(zhì)、核膜單順反子基因不連續(xù)性斷裂基因（interruptedgene）、內(nèi)含子(intron)、外顯子(exon)非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)含有大量重復序列第一節(jié)真核生物的基因組當前2頁，總共72頁。●基因組很小，大多只有一條染色體●

結構簡煉●存在轉錄單元多順反子原核生物基因組結構特點●有重疊基因當前3頁，總共72頁。二、真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及DNA的空間結構方面存在以下幾個方面的差異試說明真核細胞與原核細胞在基因轉錄，翻譯及DNA的空間結構方面存在的主要差異，表現(xiàn)在哪些方面？武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題當前4頁，總共72頁。①在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。②真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。當前5頁，總共72頁。③高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。④真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。當前6頁，總共72頁。⑤在真核生物中，基因轉錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5’上游區(qū)DNA構型來影響它與RNA聚合酶的結合能力。在原核生物中，轉錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調(diào)控蛋白結合到調(diào)節(jié)位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結合。當前7頁，總共72頁。⑥真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經(jīng)轉運穿過核膜，到達細胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。

⑦許多真核生物的基因只有經(jīng)過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。

當前8頁，總共72頁。三、基本概念（一）基因家族（genefamily)真核生物的基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因，將這些基因稱為基因家族。同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(genecluster)。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族當前9頁，總共72頁。1、簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯(lián)方式前后相連。當前10頁，總共72頁。TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit當前11頁，總共72頁。2、復雜多基因家族

復雜多基因家族一般由幾個相關基因家族構成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復雜多基因家族。

當前12頁，總共72頁。Organizationofhistonegenesintheanimalgenome當前13頁，總共72頁。（二）斷裂基因基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，為非編碼序列所隔開，其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內(nèi)含子。外顯子(Exon)

：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉錄成RNA并進而翻譯為蛋白質(zhì)。內(nèi)含子(Intron)

：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。當前14頁，總共72頁。當前15頁，總共72頁。1、外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū)指外顯子和內(nèi)含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：內(nèi)含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性連接區(qū)序列很短，高度保守，是RNA剪接的信號序列

5'GT——AG3'當前16頁，總共72頁。2、外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控組成型剪接：一個基因的轉錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA。選擇性剪接：同一基因的轉錄產(chǎn)物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。當前17頁，總共72頁。當前18頁，總共72頁。(三)假基因是基因組中因突變而失活的基因，無蛋白質(zhì)產(chǎn)物。一般是啟動子出現(xiàn)問題。當前19頁，總共72頁。真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉錄后水平上的調(diào)控Contents當前20頁，總共72頁。第二節(jié)真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類一、真核生物基因表達調(diào)控的特點1、RNA聚合酶2、多層次3、個體發(fā)育復雜4、活性染色體結構變化：對核酸酶敏感、DNA拓撲結構變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化5、正性調(diào)節(jié)占主導6、轉錄與翻譯間隔進行7、轉錄后修飾、加工當前21頁，總共72頁。根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控－－轉錄水平調(diào)控－－轉錄后水平調(diào)控－－翻譯水平調(diào)控－－蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控二、真核生物基因表達調(diào)控的種類：當前22頁，總共72頁。真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控

真核生物轉錄水平上的基因表達調(diào)控真核基因轉錄后水平上的調(diào)控Contents當前23頁，總共72頁。第三節(jié)真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控●基因丟失基因擴增基因重排DNA甲基化狀態(tài)與調(diào)控染色體結構與調(diào)控●●●●抗體分子的形成Ti質(zhì)粒轉座子當前24頁，總共72頁。一、基因丟失：在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。當前25頁，總共72頁。二、基因擴增：基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾體細胞中rDNA的基因擴增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴增現(xiàn)象。當前26頁，總共72頁。基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。發(fā)育或系統(tǒng)發(fā)生中的倍性增加在植物中普遍存在當前27頁，總共72頁。DNA含量的發(fā)育控制利用流式細胞儀對從擬南芥不同發(fā)育階段的組織中分離到的間期細胞核進行分析，發(fā)現(xiàn)多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成正比。對于一給定的物種，C是單倍體基因組中的DNA質(zhì)量。當前28頁，總共72頁。將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結構基因的表達。三、基因重排：當前29頁，總共72頁。當前30頁，總共72頁。當前31頁，總共72頁。四、DNA的甲基化與基因調(diào)控：1、DNA的甲基化當前32頁，總共72頁。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島當前33頁，總共72頁。真核生物細胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：日常型甲基轉移酶從頭合成型甲基轉移酶當前34頁，總共72頁。當前35頁，總共72頁。2、DNA甲基化抑制基因轉錄的機理DNA甲基化導致某些區(qū)域DNA構象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉錄因子與啟動區(qū)DNA的結合效率。當前36頁，總共72頁。當前37頁，總共72頁。當前38頁，總共72頁。五、染色質(zhì)結構與基因表達調(diào)控：按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)，所謂活性染色質(zhì)是指具有轉錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒有轉錄活性的染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)由于核小體構型發(fā)生構象的改變，往往具有疏松的染色質(zhì)結構從而便于轉錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結合和RNA聚合酶在轉錄模板上滑動?；钚匀旧|(zhì)當前39頁，總共72頁。真核細胞中基因轉錄的模板是染色質(zhì)而不是裸露的DNA，因此染色質(zhì)呈疏松或緊密結構，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉錄功能的關鍵。當前40頁，總共72頁。當前41頁，總共72頁。當前42頁，總共72頁?；钚匀旧|(zhì)的主要特點在結構上：活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點活性染色質(zhì)上具有基因座控制區(qū)活性染色質(zhì)上具有核基質(zhì)結合區(qū)（MAR序列）當前43頁，總共72頁。六、真核基因表達調(diào)控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結構變化1.對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結合位點附近。當前44頁，總共72頁。2.DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。當前45頁，總共72頁。4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調(diào)節(jié)占主導（四）轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工當前46頁，總共72頁?；钚匀旧|(zhì)上具有DNaseI超敏感位點。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因5′端啟動子區(qū)域。當前47頁，總共72頁?；钚匀旧|(zhì)上具有核基質(zhì)結合區(qū)（matrixattachmentregion，MAR）。MAR一般位于DNA放射環(huán)或活性轉錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達水平倍以10上，說明MAR在基因表達調(diào)控中有作用。是一種新的基因調(diào)控元件。當前48頁，總共72頁。當前49頁，總共72頁。當前50頁，總共72頁。真核生物的基因組真核生物基因表達調(diào)控的特點和種類真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控真核生物轉錄水平上的基因表達調(diào)控

真核基因轉錄后水平上的調(diào)控Contents當前51頁，總共72頁。第四節(jié)真核生物轉錄水平上的基因表達調(diào)控一、真核基因轉錄（一）真核基因結構當前52頁，總共72頁?！盎颉钡姆肿由飳W定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。當前53頁，總共72頁。（二）順式作用元件定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。例：啟動子、增強子、沉默子等（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子當前54頁，總共72頁。當前55頁，總共72頁。（2）增強子：指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。

當前56頁，總共72頁。SV40的轉錄單元上發(fā)現(xiàn)，轉錄起始位點上游約200bp處有兩段長72bp的正向重復序列。當前57頁，總共72頁。增強子特點：①增強效應十分明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10-200倍②增強效應與其位置和取向無關，不論增強子以什么方向排列（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應；

當前58頁，總共72頁。③大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內(nèi)部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強效應時所必需的；④增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質(zhì)（轉錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能；當前59頁，總共72頁。⑤沒有基因?qū)Ｒ恍裕梢栽诓煌幕蚪M合上表現(xiàn)增強效應；⑥許多增強子還受外部信號的調(diào)控，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應。當前60頁，總共72頁。增強子作用機理：當前61頁，總共72頁。（3）沉默子：某些基因含有負性調(diào)節(jié)元件——沉默子，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。當前62頁，總共72頁。（三）反式作用因子

1、定義：能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉錄效率的蛋白質(zhì)。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）當前63頁，總共72頁。2、結構DNA結合結構域轉錄活化結構域結構域