遺傳學(xué)課件真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控

遺傳學(xué)課件真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控第十章真核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控

真核生物的主要特點：有細(xì)胞核，轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核中進(jìn)行，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行.多細(xì)胞生物，細(xì)胞中基因表達(dá)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(nèi)含子，外顯子，染色體與蛋白質(zhì)結(jié)合第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天在不同組織和細(xì)胞中基因的表達(dá)有差別其調(diào)控存在于：DNA水平的基因拷貝數(shù)，基因重排；轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后RNA的加工和運輸；蛋白質(zhì)翻譯以及翻譯后蛋白質(zhì)的修飾等真核生物基因表達(dá)及調(diào)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(diào)控。

多樣化調(diào)控，更為復(fù)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(fù)序列。

基因分布在同一染色體上，操縱元控制。

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

適應(yīng)外界環(huán)境，操縱元調(diào)控表達(dá)。

基因差別表達(dá)是細(xì)胞分化和功能的核心。

轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進(jìn)行，大部分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。

轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上均不同，從DNA到蛋白質(zhì)的各層次上都有調(diào)控，但多數(shù)為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控真核生物與原核生物的調(diào)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(dá)水平的分析真核生物基因表達(dá)分析表明：真核生物細(xì)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(xì)胞中表達(dá)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(xì)胞中表達(dá)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(xì)胞中所特有的；一般哺乳動物中只有10％mRNA是該類細(xì)胞所特有的，大多數(shù)mRNA90％是某類細(xì)胞或所有細(xì)胞都有的，是維持細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)，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(fù)雜性與原核生物比較，真核生物的基因組更為復(fù)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(xì)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(zhì)與組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次和復(fù)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(xì)菌多數(shù)基因按功能相關(guān)成串排列，組成操縱元的基因表達(dá)調(diào)控的單元，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子(polycistron)的mRNA；真核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu)，而真核細(xì)胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題，真核生物基因協(xié)調(diào)表達(dá)要比原核生物復(fù)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(zhì)、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(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)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(fù)序列不多。哺乳動物基因組中則存在大量重復(fù)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(dá)調(diào)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(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個過程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)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(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。真核基因組DNA絕大部分都在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中DNA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象：1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄2.組蛋白的作用：組蛋白與DNA結(jié)合阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋白基因又能夠轉(zhuǎn)錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質(zhì)中的非組蛋白成分具有組織細(xì)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(zhuǎn)錄作用。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。4.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦缸饔妹舾卸仍黾??；钴S進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)錄基因的5′側(cè)區(qū)(5′flankingregion)、3′末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)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(dá)調(diào)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(zhuǎn)錄進(jìn)化程度的關(guān)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(xì)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(nèi)某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加?；蛑嘏牛╣enerearrangment）,指DNA分子核酸序列的重新排列，可以形成新基因，也可以調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。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(zhì)中的基因轉(zhuǎn)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(rèn)識。(三)真核基因表達(dá)以正性調(diào)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(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負(fù)性調(diào)控元件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)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(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達(dá)時就要有激活的蛋白質(zhì)來促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主導(dǎo)。第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。(一)順式作用元件(cisactingelements)

真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)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(fù)性調(diào)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(jié)合并啟動轉(zhuǎn)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(jié)合DNA而起動轉(zhuǎn)錄，而是需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)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(fù)雜、序列也更長。真核啟動子一般包括轉(zhuǎn)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(jié)合的蛋白因子名稱分子量結(jié)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(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄起始位點和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄起始點更遠(yuǎn)的上游元件。這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)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(dá)分別有不同的調(diào)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(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)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(cè)的基因轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x1－4kb、個別情況下離開所調(diào)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(guān)，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(yán)格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉(zhuǎn)錄。例如當(dāng)含有增強子的病毒基因組整合入宿主細(xì)胞基因組時，能夠增強整合區(qū)附近宿主某些基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)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(zhuǎn)錄。使某些癌基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)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(diào)控元件一樣，必須與特定的蛋白質(zhì)因結(jié)合后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用。增強子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)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(xì)胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實這種負(fù)調(diào)控順式元件的存在。目前對這種在基因轉(zhuǎn)錄降低或關(guān)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(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達(dá)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(jié)合在各順式作用元件8一12bP核心序列上并參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的這些結(jié)合蛋白．稱作反式作用因子(trans—actingfactor)。它們在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中具有特殊的重要性。這類DNA結(jié)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(jié)合蛋白與不同識別序列之間在空間結(jié)構(gòu)上的相互作用，以及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制的基礎(chǔ)。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(diào)控作用：

激素誘導(dǎo)模式：真核生物內(nèi)的調(diào)控信號來自體內(nèi)激素，這些可擴散的物質(zhì)稱反式作用因子。五、基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（一）不同剪接方式可產(chǎn)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(nèi)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(nèi)含子5’端供點又可在特定條件下與另一個內(nèi)含子的3’端受點進(jìn)行剪接，從而刪除這兩個內(nèi)含子及其中間的全部外顯子和內(nèi)含子。這樣，一個前體mRNA就可因剪接方式不同產(chǎn)生多種mRNA，轉(zhuǎn)譯出多個不同蛋白質(zhì)，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(zhuǎn)錄后的RNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基插入，缺失或轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。意義：糾正某些移碼突變；構(gòu)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(diào)控1.翻譯多肽過程的調(diào)控：

真核生物的許多組織或細(xì)胞中，經(jīng)轉(zhuǎn)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(zhì)的合成。海膽卵內(nèi)mRNA在受精前不能進(jìn)行翻譯，受精后的蛋白質(zhì)合成速率猛增。

第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)機制：

①.mRNA加尾過程：

卵細(xì)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(zhì)。②.阻遏蛋白特異結(jié)合：

如鐵蛋白的翻譯調(diào)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(yīng)。當(dāng)細(xì)胞沒有鐵時，阻遏蛋白與鐵蛋白mRNA啟動子區(qū)域鐵反應(yīng)元（ironresponseelement，IRE）結(jié)合，阻止翻譯進(jìn)行；當(dāng)有鐵存在時，阻遏物不再與IRE結(jié)合，翻譯順利進(jìn)行。第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.蛋白質(zhì)加工過程的調(diào)控：⑴.蛋白質(zhì)的折疊：

蛋白質(zhì)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(gòu)型并具有生物學(xué)功能。⑵.蛋白酶的切割：

①.末端切割：有些分泌蛋白對細(xì)胞有毒害作用，常以無活性的前體蛋白形式貯存在于細(xì)胞內(nèi)，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(xì)胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的細(xì)胞溶解。翻譯后以前體形式儲存于細(xì)胞內(nèi)，能被細(xì)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