第八章 基因表达的调控（下） 真核基因的表达调控,2,本章主要内容,一、总论 二、真核生物的基因结构 三、DNA水平上的调控 四、转录水平上的调控-反式作用因子 五、真核基因转录调控的主要模式,3,真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（内含子、外显子) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列,4,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 有重叠基因,原核生物基因组结构特点,5,一、总 论,（1）原核生物主要是通过转录来调控，开启或关闭某些基因的表达来适应环境条件的变化（营养水平）。 （2）真核生物表达调控,在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而 实现“预定”的、有序的、不可逆的分化、发育过程，并使生物的组织和器官保持正常功能。,1、原核与真核生物表达调控的差别,6,(1) 真核基因表达以正性调控为主; (2) 真核生物中转录和翻译分别在细胞核与细胞 质中进行； (3) 真核基因表达的调控可以在多个水平上进行： DNA水平的调控、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；,2、真核生物基因表达的特点：,7,(4)不同组织和细胞类型合成不同的一套蛋白 质，表达具有细胞特异性或组织特异性； (5)真核基因的转录与染色质的结构变化相关; (6)主要包括瞬时调控或称可逆调控（对某底物 或激素水平的反应）和发育调控或称不可逆 调控，决定了真核细胞生长、分化、发育的 全部进程。,8,3、不同水平上的真核基因表达调控,9,二、真核细胞的基因结构,1、真核基因组的一般构造特点 一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在操纵子。 DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有小部分裸露。,10, 高等真核细胞DNA中大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。 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。,11, 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。 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。,12, 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。,13,2、基因家族（gene family）,基因家族：是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。 在染色体上的分布形式： 一些基因家族成员在特殊的染色体区域成簇存在（基因簇）；另一些基因家族成员分布广泛甚至可在不同的染色体上（散布的基因家族）。,14,2.1 简单多基因家族（串联方式前后相连）,简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。在大肠杆菌中，16S，23S和5S rRNA基因联合成一个转录单位，各种rRNA分子都是从这个转录单位上剪切下来的。（图P283),15,图8-2 细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析.,16,图8-3 脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的 分布与成熟过程分析,17,2.2 复杂多基因家族（组蛋白基因家族）,18,2.3 发育调控的复杂多基因家族 （血红蛋白家族）,所有动物血红蛋白基因的基本结构都相同,有功能的血红蛋白基因的基本结构：三个外显子被 两个内含子隔开,19,在每个基因家族中，基因的排列顺序就是它们在发育阶段的表达顺序。(P285 图8-7）,20,3.1 真核基因的断裂结构断裂基因,基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被非编码序列所隔开，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。,21,22,内含子与外显子的连接区,指内含子和外显子的交界(边界序列)，它的重要特征： 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列 几乎每个内含子 5，GTAG 3， (GT-AG法则） 表明几乎所有高等真核生物基因存在共同（内含子）的剪接机制。,23,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。,24,25,三、真核生物DNA水平上的基因表达调控,1、染色质结构对转录的影响 2、基因扩增 3、基因重排与变换免疫球蛋白 4、DNA甲基化与基因活性的调控,26,1、染色质结构对转录的影响,在细胞分裂间期的细胞核中，染色质的形态不均匀。根据其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型。 常染色质：折叠疏松、凝缩程度低，处于伸展状态，碱性染料染色时着色浅。 异染色质：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染料染色着色深。,27,真核基因的活跃转录是在常染色质上进行。 转录发生之前，染色质常常在特定的区域被解旋或松弛，形成自由DNA并发生DNA局部结构的变化(活性染色质)，导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，从而使基因转录。,28,染色体中组蛋白的乙酰化与去乙酰化控制着染色体的活性,乙酰化降低核小体的稳定性，干扰染色质的凝集，使染色质对DNaseI和核酸酶的敏感性增强，是活性染色体的标志。 乙酰化修饰对DNA影响一般在启动子上下游1kb的区域内。,29,灯刷染色体上的环形结构可能与基因的活性转录有关。,（1）发现于鱼类、两栖类和爬行类卵细胞减数分裂的双线期，由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。 （2）由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体。 （3）轴上有一些染色粒，代表染色质紧密螺旋化的部位。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，侧环是RNA活跃转录的区域。,30,2、基因扩增,定义：是某基因的拷贝数专一性大量增加的现象，可短时间内产生大量基因产物满足生长需要。基因活性调控的一种方式。,31,实例：非洲爪蟾卵母细胞中的rRNA基因 在卵母细胞中原有约500个拷贝，减数分裂粗线期复制开始，到双线期达200万个，扩增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。,32,3、基因重排,定义：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。 实例：免疫球蛋白基因,33,34,基因丢失：,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。其特点为不可逆性。 目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 在一些肿瘤的发生中，因为一些正常基因片断的丢失，导致原癌基因的异常活化，引发恶性细胞过度增生。,35,4、DNA甲基化与基因活性的调控,（1） DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中。 DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。,36,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，对基因表达产生抑制作用。,37,（2）DNA的甲基化能提高该位点的突变频率，因而可作为诱变剂或致癌因子调节基因表达。 （3）X染色体上DNA的高度甲基化可引起X染色体的失活。,38,有两类甲基化酶： 日常型甲基转移酶 从头合成型甲基转移酶 甲基化会使B-DNA向Z-DNA转变，降低转录活性,39,40,CpG二核苷酸序列通常成串出现并零散地分布于基因组中，此段序列被称为CpG岛。 哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%90% 的CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。 甲基化的CpG 可以通过与其结合蛋白因子（MeCP1）的结合间接影响转录因子与DNA的结合。,41,基因启动区甲基化密度对基因转录的影响 甲基化对转录的抑制强度与CpG结合蛋白（MeCP1）结合DNA的能力成正相关。 甲基化CpG的密度和启动子强度之间的平衡决 定了该启动子是否具有转录活性。 对弱启动子来说，少量甲基化就能使其完全失去 转录活性。甲基化密度较高时，即使增强后的启动 子仍无转录活性。,42,43,例:DNA甲基化对X染色体失活的影响,X染色体失活是雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体随机失活一条，以保证与雄性X染色体基因的剂量相同。,失活染色体上基因多数处于关闭状态（DNA序列呈高度甲基化）。 其中Xist基因的表达是决定X染色体失活的关键因素。Xist基因只在失活的X染色体上表达。,44,1. 真核生物基因调控分类? 瞬时调控或称可逆调控（对某底物或激素水平的反应） 发育调控或称不可逆调控，决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。,45,2.真核生物主要有几类基因家族？ 基因家族：是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。 一些基因家族成员在特殊的染色体区域成簇存在（基因簇）； 另一些基因家族成员分布广泛甚至可在不同的染色体上（散布的基因家族）。,46,3.真核生物内含子与外显子的连接区有什么 特征？ 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列 5GTAG 3,47,4.外显子与内含子的剪接方式？举例说明选择性剪接？ 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。,48,49,5. DNA甲基化为什么能调控基因表达？ （1）DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。其机理是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。 （2）DNA的甲基化能提高甲基位点的突变频率，因而可作为诱变剂或致癌因子调节基因表达。 （3）X染色体上DNA的高度甲基化可引起X染色体的失活,50,四、 真核基因转录机器的主要成分-顺式作用元件 真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定顺式作 用元件和反式作用因子调控，大多通过它们之间复杂的相互作 用来实现。 顺式作用元件 定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 例： 启动子、增强子、沉默子等 （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。,51,真核基因启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成，是在基因转录起始位点（+1）及其5上游大约100200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列（元件），每个元件长度约为720bp，是决定RNA聚合酶II转录起始点和转录频率的关键元件。,52,核心启动子（core promoter）：是保证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-25-30bp处的TATA（区）盒。 核心启动子确定转录起始位点并产生基础水平的转录。,53,上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等，能通过转录因子TFIID复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,54,55,（2）增强子：指能使与它连锁的基因转录频率 明显增加的DNA序列。,56,增强子特点：, 增强效应十分明显，一般能使基因转 录频率增加10-200倍。 增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（