遺傳學課件真核生物基因的表達及其調控

遺傳學課件真核生物基因的表達及其調控第十章真核生物基因的表達及其調控

真核生物的主要特點：有細胞核，轉錄在細胞核中進行，翻譯在細胞質中進行.多細胞生物，細胞中基因表達是間接受到外界環(huán)境的影響，或者不受影響。另外，染色體組大，基因多，有內含子，外顯子，染色體與蛋白質結合第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天在不同組織和細胞中基因的表達有差別其調控存在于：DNA水平的基因拷貝數(shù)，基因重排；轉錄水平、轉錄后RNA的加工和運輸；蛋白質翻譯以及翻譯后蛋白質的修飾等真核生物基因表達及調控的特點：第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天原核生物真核生物操縱元調控。

多樣化調控，更為復雜。

基因組小，大腸桿菌：總長4.6×106bp,編碼4288個基因,每個基因約1100bp。

基因組大，人類基因組全長3×109bp，編碼10萬個基因，其余為重復序列。

基因分布在同一染色體上，操縱元控制。

DNA與組蛋白結合成染色質，染色質的變化調控基因表達；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調控問題。

適應外界環(huán)境，操縱元調控表達。

基因差別表達是細胞分化和功能的核心。

轉錄和翻譯同時進行，大部分為轉錄水平調控。

轉錄和翻譯在時間和空間上均不同，從DNA到蛋白質的各層次上都有調控，但多數(shù)為轉錄水平調控真核生物與原核生物的調控差異第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)真核生物中基因表達水平的分析真核生物基因表達分析表明：真核生物細胞中含有的整套基因組相同，或染色體相同，但不同組織和細胞中表達的基因——處于工作狀態(tài)的基因不同整套基因組相同不同組織和細胞中表達的基因可以用組織中不同RNA的豐余度來表示第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天持家基因在一個組織中豐余的RNA,在另一個組織中可能很少，或不存在，有的是某一類型細胞中所特有的；一般哺乳動物中只有10％mRNA是該類細胞所特有的，大多數(shù)mRNA90％是某類細胞或所有細胞都有的，是維持細胞正常結構，運動及新陳代謝等生命活動所必須的，稱之為“持家基因”第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天一、真核基因組的復雜性與原核生物比較，真核生物的基因組更為復雜，可列舉如下:真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4×106bp，哺乳類基因組在109bp數(shù)量級，比細菌大千倍；大腸桿菌約有4000個基因，人則約有10萬個基因。

真核生物主要的遺傳物質與組蛋白等構成染色質，被包裹在核膜內，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)，這就增加了基因表達調控的層次和復雜性。第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天原核生物的基因組基本上是單倍體，而真核基因組是二倍體

;細菌多數(shù)基因按功能相關成串排列，組成操縱元的基因表達調控的單元，共同開啟或關閉，轉錄出多順反子(polycistron)的mRNA；真核生物則是一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結構，而真核細胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構成的，這就涉及到多個基因協(xié)調表達的問題，真核生物基因協(xié)調表達要比原核生物復雜得多。

第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而核酸雜交等實驗表明：哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。原核生物的基因為蛋白質編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內含子(intron)，轉錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質，這就增加了基因表達調控的環(huán)節(jié)。

原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個拷貝外，重復序列不多。哺乳動物基因組中則存在大量重復序列(repetitivesequences)。

第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天二、真核基因表達調控的特點與原核生物比較它具有一些明顯的特點：(一)真核基因表達調控的環(huán)節(jié)更多基因表達是基因經(jīng)過轉錄、翻譯、產生有生物活性的蛋白質的整個過程。同原核生物一樣，轉錄依然是真核生物基因表達調控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉錄發(fā)生在細胞核(線粒體基因的轉錄在線粒體內)，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調控增加了更多的環(huán)節(jié)和復雜性，轉錄后的調控占有了更多的分量。第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(二)真核基因的轉錄與染色質的結構變化相關。真核基因組DNA絕大部分都在細胞核內與組蛋白等結合成染色質，染色質的結構、染色質中DNA和組蛋白的結構狀態(tài)都影響轉錄，至少有以下現(xiàn)象：1.染色質結構影響基因轉錄2.組蛋白的作用：組蛋白與DNA結合阻止DNA上基因的轉錄，去除組蛋白基因又能夠轉錄。組蛋白是堿性蛋白質，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負電荷的磷酸基相結合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質中的非組蛋白成分具有組織細胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉錄作用。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.轉錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結構。這些都表明核小體結構影響基因轉錄。4.轉錄活躍區(qū)域對核酸酶作用敏感度增加?；钴S進行轉錄的染色質區(qū)域受DNaseⅠ消化常出現(xiàn)100－200bp的DNA片段，且長短不均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結構有變化，出現(xiàn)了對DNaseⅠ高敏感點(hypersensitivesite)。這種高敏感點常出現(xiàn)在轉錄基因的5′側區(qū)(5′flankingregion)、3′末端或在基因上，多在調控蛋白結合位點的附近，分析該區(qū)域核小體的結構發(fā)生變化，可能有利于調控蛋白結合而促進轉錄。第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天5.DNA堿基修飾變化：真核DNA中的胞嘧啶被甲基化為5-甲基胞嘧啶(5methylcytidine,m5C)，而活躍轉錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側區(qū)的CG序列中，實驗表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉錄，甲基化可能阻礙轉錄因子與DNA特定部位的結合從而影響轉錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對基因表達調控是重要的。第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天甲基化抑制轉錄進化程度的關系第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天基因丟失（geneolimination），在發(fā)育過程中，許多細胞常丟掉整條或部分染色體，通過染色體的丟失而除去某些基因的活性?；驍U增（geneamplification）,基因組內某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加。基因重排（generearrangment）,指DNA分子核酸序列的重新排列，可以形成新基因，也可以調節(jié)基因的表達。6基因丟失，重排，擴增第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天由此可見，染色質中的基因轉錄前先要有一個被激活的過程，但目前對激活機制還缺乏認識。(三)真核基因表達以正性調控為主：真核RNA聚合酶對啟動子的親和力很低，基本上不依靠自身來起始轉錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負性調控元件，但其存在并不普遍；真核基因轉錄表達的調控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數(shù)真核基因在沒有調控蛋白作用時是不轉錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質來促進轉錄。換言之：真核基因表達以正性調控為主導。第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、真核基因轉錄水平的調控真核細胞的三種RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉錄調控。(一)順式作用元件(cisactingelements)

真核基因的順式調控元件是基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的DNA序列。其中主要是起正性調控作用的順式作用元件，包括啟動子(promoter)、增強子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負性調控作用的元件靜止子(silencer)第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天1.啟動子與原核啟動子的含義相同，是指RNA聚合酶結合并啟動轉錄的DNA序列。但真核啟動子間不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠RNA聚合酶難以結合DNA而起動轉錄，而是需要多種蛋白質因子的相互協(xié)調作用，不同蛋白質因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉錄起始及其調控所需的蛋白因子也不完全相同，因而不同啟動子序列也很不相同，要比原核更復雜、序列也更長。真核啟動子一般包括轉錄起始點及其上游約100－200bp序列，包含有若干具有獨立功能的DNA序列元件，每個元件約長7－30bp。最常見的哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動子中的元件序列見表1。第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天元件名稱共同序列結合的蛋白因子名稱分子量結合DNA長度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bp

Oct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動子中的元件序列第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天啟動子中的元件可以分為兩種：

①核心啟動子元件(corepromoterelement)指RNA聚合酶起始轉錄所必需的最小的DNA序列，包括轉錄起始點及其上游－25/－30bp處的TATA盒。核心元件單獨起作用時只能確定轉錄起始位點和產生基礎水平的轉錄。第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天②上游啟動子元件(upstreampromoterelement)

包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉錄起始點更遠的上游元件。這些元件與相應的蛋白因子結合能提高或改變轉錄效率。不同基因具有不同的上游啟動子元件，其位置也不相同，這使得不同的基因表達分別有不同的調控。第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.增強子

是一種能夠提高轉錄效率的順式調控元件，最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長約200bp的一段DNA，可使旁側的基因轉錄提高100倍，其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強子。增強子通常占100－200bp長度，也和啟動子一樣由若干組件構成，基本核心組件常為8－12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強子的作用有以下特點：第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天①增強子提高同一條DNA鏈上基因轉錄效率，可以遠距離作用，通?？删嚯x1－4kb、個別情況下離開所調控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。②增強子作用與其序列的正反方向無關，將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子倒就不能起作用，可見增強子與啟動子是很不相同的。第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天③增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用，沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。但增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉錄。例如當含有增強子的病毒基因組整合入宿主細胞基因組時，能夠增強整合區(qū)附近宿主某些基因的轉錄；當增強子隨某些染色體段落移位時，也能提高移到的新位置周圍基因的轉錄。使某些癌基因轉錄表達增強，可能是腫瘤發(fā)生的因素之一。第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天④增強子的作用機理雖然還不明確，但與其他順式調控元件一樣，必須與特定的蛋白質因結合后才能發(fā)揮增強轉錄的作用。增強子一般具有組織或細胞特異性，許多增強子只在某些細胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細胞或組織中具有的特異性蛋白質因子所決定的。第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.靜止子

最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細胞的T抗原受體基因的轉錄和重排中證實這種負調控順式元件的存在。目前對這種在基因轉錄降低或關閉中起作用的序列研究還不多，但從已有的例子看到：靜止子的作用可不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用。

第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(二)反式作用因子(transactingfactors)由不同染色體上基因座位編碼的、能直接或間接地識別或結合在各順式作用元件8一12bP核心序列上并參與調控靶基因轉錄效率的這些結合蛋白．稱作反式作用因子(trans—actingfactor)。它們在轉錄調節(jié)中具有特殊的重要性。這類DNA結合蛋白有多種．能特異性識別這類蛋白的序列也有多種．正是不同的DNA結合蛋白與不同識別序列之間在空間結構上的相互作用，以及蛋白質與蛋白質之間的相互作用，構成了復雜的基因轉錄調控機制的基礎。研究得較多的反式作用因子有Spl、CTF、Ap—t、Ap—2、oct—1、oct—2等。第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天四、激素的調控作用：

激素誘導模式：真核生物內的調控信號來自體內激素，這些可擴散的物質稱反式作用因子。五、基因轉錄后水平的調控（一）不同剪接方式可產生不同的mRNA：組成型剪接、交替剪接、組成型剪接：大多數(shù)前體mRNA都含有多個內含子，他們常被有序的逐一切除，形成一個由各外顯子連接而成的成熟mRNA，這種剪接方式稱~。第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天交替剪接（alternativesplicing)：來自同一個基因的前體mRNA中某個內含子5’端供點又可在特定條件下與另一個內含子的3’端受點進行剪接，從而刪除這兩個內含子及其中間的全部外顯子和內含子。這樣，一個前體mRNA就可因剪接方式不同產生多種mRNA，轉譯出多個不同蛋白質，這樣的剪接方式稱為交替剪接.第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（二）RNA編輯：

定義：轉錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基插入，缺失或轉換的現(xiàn)象。意義：糾正某些移碼突變；構建或刪除起始密碼子、終止密碼子；增減核苷酸擴充遺傳信息。六、基因翻譯水平的調控1.翻譯多肽過程的調控：

真核生物的許多組織或細胞中，經(jīng)轉錄mRNA受抑制不能翻譯成多肽，以失活的狀態(tài)貯存。如植物種子在發(fā)芽的早期階段，雖沒有mRNA的合成，但有蛋白質的合成。海膽卵內mRNA在受精前不能進行翻譯，受精后的蛋白質合成速率猛增。

第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天調節(jié)機制：

①.mRNA加尾過程：

卵細胞中mRNA僅具有20個核苷酸的多聚Ａ(polyA)尾端序列，在生物發(fā)育適宜時期，尾端序列加長至幾百個核苷酸序列，并翻譯成蛋白質。②.阻遏蛋白特異結合：

如鐵蛋白的翻譯調控：鐵蛋白的功能是貯存鐵。鐵蛋白的mRNA翻譯取決于鐵的供應。當細胞沒有鐵時，阻遏蛋白與鐵蛋白mRNA啟動子區(qū)域鐵反應元（ironresponseelement，IRE）結合，阻止翻譯進行；當有鐵存在時，阻遏物不再與IRE結合，翻譯順利進行。第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.蛋白質加工過程的調控：⑴.蛋白質的折疊：

蛋白質在一定的條件下（如伴蛋白chaperones存在時)，才能折疊成一定的空間構型并具有生物學功能。⑵.蛋白酶的切割：

①.末端切割：有些分泌蛋白對細胞有毒害作用，常以無活性的前體蛋白形式貯存在于細胞內，需要這種蛋白時，由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。如，蜜蜂在叮咬動物時注入蜜毒素，引起細胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的細胞溶解。翻譯后以前體形式儲存于細胞內，能被細胞間隙的一種蛋白酶識別和切割，釋放出有活性的蜜毒素。第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天又如，脊椎動物的胰島素加工過程：

最初前胰島素原有105