第八章 基因表达的调控（下）真核基因的表达调控本章主要内容一、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真核基因组结构特点n 真核基因组结构庞大 3109bpn 单顺反子n 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon)n 非编码区较多 多于编码序列(9:1)n 含有大量重复序列原核生物基因组结构特点n 基因组很小，大多只有一条染色体n 结构简炼n 存在转录单元多顺反子n 有重叠基因一、总 论1、原核与真核生物表达调控的差别（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。2、真核生物基因表达的特点：(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；(4)不同组织和细胞类型合成不同的一套蛋白 质，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。3、不同水平上的真核基因表达调控二、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。 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。 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。 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。 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。2、基因家族（gene family）n 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。n 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）。2.1 简单多基因家族（串联方式前后相连）n 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)2.2 复杂多基因家族（组蛋白基因家族）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）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。 外显子与内含子的连接区指外显子和内含子的交界(边界序列)，它的重要特征：n 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列 5GTAG 3 (GT-AG法则） 表明几乎所有高等真核生物基因存在共同的剪接机制。外显子与内含子的可变调控n 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。n 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。 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1、染色质结构对转录的影响n 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。n 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。n 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。n 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。v 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。v 乙酰化修饰对DNA影响一般在启动子上下游1kb的区域内。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。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。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。3、基因重排n 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。n 实例：免疫球蛋白基因基因丢失：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。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。 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。（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。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n 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。n 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。n 甲基化的CpG 可以通过与甲基化CpG结合蛋白因子MeCP1的结合间接影响转录因子与DNA的结合。基因启动区甲基化密度对基因转录的影响 对弱启动子来说，少量甲基化就能使其完全失去转录活性。当这类启动子被增强时，即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。甲基化密度较高时，即使增强后的启动子仍转录活性。 甲基化对转录的抑制强度与CpG结合蛋白结合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。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。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。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）。3.真核生物外显子与内含子的连接区有什么特征？n 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列 5GTAG 34.外显子与内含子的剪接方式？举例说明选择性剪接？n 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。n 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。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染色体的失活四、 真核基因转录机器的主要成分-顺式作用元件n 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。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，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。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盒。核心启动子确定转录起始位点并产生基础水平的转录。上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）包括通常