第七章 真核基因表达调控的一般规律

五、染色质的结构与基因表达调控
1.活性染色质
按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非
活性染色质。
活性染色质是指具有转录活性的染色质；
非活性染色质是指没有转录活性的染色质。
活性染色质由于核小体发生构象的改变，往往具
有疏松的染色质结构。
“灯刷型”染色 体
真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸
③大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些 蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列： （G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强
效应时所必需的； ④ 增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明
增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作
用才能发挥其功能；
⑤ 没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表 现增强效应；
DNA含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶 段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的DNA 含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍 体基因组中的DNA质量。
三、基因重排
将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近
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的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。
通过基因重排调节基因活性的典型例子:免疫球
是在基因转录起始位点（+1）及其5’上游大约100~200bp 以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度大约 7~20bp,是决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。
上游启动子元件：通过 TFⅡD复合物调节转录 起始的频率，提高转录 效率
核心启动子：确定转录 起始位点并产生基础水 平的转录
与DNA结合。
位于螺旋疏水区的亮氨酸 相互作用
碱性区与DNA相 结合
碱性区与DNA相 结合
碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH )
二、真核基因转录调控的主要模式
信息传递 → 反式作用因子的活性
根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：
DNA水平调控－－转录水平调控－－转录后水平调控 （RNA加工成熟过程的调控、翻译水平的调控、蛋白质加工 水平的调控）
第三节 真核生物DNA水平上的基因表达调控
● 基因丢失 ● 基因扩增
● 基因重排
抗体分子的形成
Ti质粒 转座子
● DNA的甲基化与基因表达调控 ● 染色质的结构与基因表达调控
2-9个
配位键
Cys2 / Cys2锌指
Cys2 / His2锌指
见于甾体激素受体
见于SP1，TF ⅢA等
转录因子SP1 （GC盒） 、连 续的3个锌指重 复结构。
碱性-亮氨酸拉链（ bZIP ） •二聚体 •亮氨酸之间相互作用形成二 聚体，形成“拉链” 。
•肽链氨基端有一个含20～30
个碱性氨基酸的结构域，能
二、基因扩增
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现 象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长 发育的需要，是基因活性调控的一种方式。 如非洲爪蟾卵原细胞中rRNA基因（rDNA）扩增是因 发育需要而出现的基因扩增现象。
发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在
基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的 现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这 可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的 一种方式。
活性染色质上具有核基质结合区（matrix attachment region，MAR）
MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两
端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水 平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用， 是一种新的基因调控元件。 活性染色质上具有基因座控制区。
第四节 真核生物转录水平上的基因表达调控
– 碱性-螺旋-环-螺旋（basic – helix /loop /helix，bHLH）
螺旋-转折-螺旋（ H-T-H ）
锌指结构
定义：是一种常出 现在DNA结合蛋白 中的结构基元 （motif）。是由一 个含有大约30个氨 基酸的环和一个与 环上的4个Cys或2 个Cys和2个His配 位的Zn构成，形成 的结构像手指状。
1.外显子与内含子的连接区
指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个重 要特征：
• 1）内含子的两端序列之间没有广泛的同源性
• 2）连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信 号序列（GT-AG法则）
5'GT……AG 3'
2.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。
真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： 日常型甲基转移酶：催化处于半甲基化的DNA双 链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。
从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成 为mCpG
2.DNA甲基化抑制基因转录的机理 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，即抑制了转 录因子与启动区DNA的结合效率。
• 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。
PS DNA
外显子 S
PL
外显子 L
外显子 2
外显子 3
50b
2800bp
161bp
4500bp
205bp 327bp
初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
一、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。 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。
一、真核基因转录 二、真核基因转录调控的主要模式
一、真核基因转录
（一）真核基因结构
“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或 功能RNA所必需的全部核苷酸序列。
（二）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。 核心启动子和上游启动子元件
（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。
SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200bp
处有两段长72bp的正向重复序列。
增强子特点：
① 增强效应十分明显，一般能使基因转录频率 增加10-200倍 ② 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（5‘→3’或3‘→5’），甚至和 靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强 效应；
⑥ 许多增强子还受外部信号的调控， 如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子， 就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。
增强子作用机理：
（3）沉默子：某些基因含有负性调节元件—— 沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转 录起阻遏作用。
（三）反式作用因子
1、定义：能直接或间接地识别或结合在各类顺
式作用元件的核心序列上，参与调控靶基因转录 效率的蛋白质。
分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④ 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。
⑤ 在真核生物中，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RNA聚合酶与它的结合。 在原核生物中，转录的调节区都很小，大都 位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位 点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
3×109bp、染色质、核膜
• 基因不连续性 断裂基因、内含子(intron)、 外显子(exon)
• 非编码区较多
多于编码序列(9:1)
• 含有大量重复序列
原核生物基因组结构特点 ● 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
二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间 结构方面存在以下几个方面的差异 试说明真核细胞与原核细胞在基因转录，翻译
露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是
否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使
转录功能的关键。
疏松的染色质结构便于转录调控因子与顺式
调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。
2.活性染色质的结构特点 活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。 每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感 位点，大部分位于基因5´端启动子区域。
1.简单多基因家族
简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。
The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit
2.复杂多基因家族
复杂多基因家族一般由几个相关基因构成，基因之间由
间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不
同形式的复杂多基因家族。
Organization of histone genes in the animal genome
TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、
HSF（热激蛋白启动区）
2、结构
DNA结合结构域（DNA识别） 反式作用因子 连接区 转录活化结构域
DNA结合结构域：
– 螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）
– 锌指结构（zinc finger）
– 碱性-亮氨酸拉链（basic - leucine zipper）
第七章 基因的表达与调控(下)
—真核基因表达调控的一般规律
Contents
• 真核生物的基因结构与转录活性
• 真核生物基因表达调控的种类 • 真核生物DNA水平上的基因表达调控
• 真核生物转录水平上的基因表达调控
• 真核基因转录后水平上的调控
第一节
真核生物的基因结构与转录活性
一、真核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 • 单顺反子
（二）真核基因的断裂结构 基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非
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。
及DNA的空间结构方面存在的主要差异，表现在
哪些方面？
武汉大学2003年分子生物学硕士入学试题
① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译 出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多 基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，
只有一小部分DNA是裸露的。
③ 高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部
(三)假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产
物。
一般是启动子出现问题。
第二节 真核生物基因表达调控的种类
根据其性质可分为两大类：
1) 瞬时调控(可逆性调控)，它相当于原核细胞对环境条件 变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升 降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。
2) 发育调控(不可逆调控)，是真核基因调控的精髓部分， 它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
⑥ 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。
⑦ 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。
三、基本概念 （一）基因家族（gene family) 真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、 功能相关的基因，将这些基因称为基因家族。 如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都 属于基因家族 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为 一个基因簇(gene cluster) 。
蛋白结构基因的表达。
四、DNA的甲基化与基因表达调控 1.DNA的甲基化
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 新活化和表达。 DNA 甲基化能引起 染色质结构、DNA构象、 DNA稳定性及DNA与蛋 白质相互作用方式的 改变，从而控制基因表 达。
在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、 CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛