第八章-真核生物基因表达调控-初四金

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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倍以10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。
MAR功能:限定DNA的环,使环状结构成为 相对独立的结构功能单位
二、真核基因表达调控特点
(一)RNA聚合酶 (二)活性染色体结构变化 1. 对核酸酶敏感
(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甲基化状态与调控 ● 染色体结构与调控
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。
r2b基因中的增强子元件是无方向和位置效应的 a.构建突变质粒:将X2-X3区域(包含增强子)切除后 通过四种方式重新插到基因中。
质粒A和B: X2-X3片段被正向或反向插到原位置。 质粒C和D: X2-X3片段被正向或反向插到另一个XbaI酶切位点, 位于基因上游几百碱基处。
b.结果表明,增强子无方向和位置效应。
(四)限定子(delimiter)或绝缘子(insulator)
Definition: :
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。
二、基因扩增:
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象,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。 如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因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
• 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
从头合成型甲基转移酶
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,抑制了转录因子与 启动区DNA的结合效率。
五、染色质结构与基因表达调控:
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,所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质;非活
(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
(二)增强子( enhancer )
SV40早期基因调控区的结构
Definition:
指能使与它连锁的基因转录效率 明显增加,并且无方向和位置依赖性 的DNA序列。
Organization of histone genes in the animal genome
(二)断裂基因
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。
根据其性质可分为两大类: 一是瞬时调控或称为可逆性调控,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。 二是发育调控或称不可逆调控,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。 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--翻译水平调控--蛋白质加工水平的调控
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构型发生构象的改变,往往具有疏
松的染色质结构从而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。
真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是
裸露的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。
2.增强子的种类
组织和细胞专一性增强子
只在特定组织和细胞中,特定的转录因子与之 结合,才能发挥功能。
诱导性增强子 由于调控因子本身活性是诱导性的,造成对增强 子的结合和增强子活性有可诱导性
3.增强子的作用机理
三种假说
a.拓扑结构的改变。激活因子与增强子结合,促进 DNA的拓扑结构或形状发生改变,使启动子向通用转 录因子敞开。
第八章 基因的表达与调控(下)
—真核基因表达调控的一般规律
Contents
• 真核生物的基因组 • 真核生物基因表达调控的特点和种类 • 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 真核生物的基因组
一、真核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 3×109bp、染色质、核膜
活性染色质的主要特点
在结构上: 活性染色质上具有DNaseI超敏感位点 活性染色质上具有基因座控制区(LCR) 活性染色质上具有核基质结合区(MAR序列)
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。
LCR最初是在研究地中海贫血病的过程中被发现的,
活化基因常有超敏位点,位于调节蛋 白结合位点附近。
2. DNA拓扑结构变化
天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在; 基因活化后
转录方向
负超螺旋
RNA-pol
正超螺旋
3. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,
甲基化范围与基因表达程度呈反比。
4. 组蛋白变化
① 富含Lys组蛋白水平降低
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是免疫球蛋
白结构基因的表达。
四、DNA的甲基化与基因调控: 1、DNA的甲基化
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
地中海贫血是一种由α或β珠蛋白缺陷导致的血液病。
许多地中海贫血是由珠蛋白基因编码区突变造成的,
但是也有一些地中海贫血是由于β-珠蛋白基因簇上游
因此,LCR具有增强转录的功能。
12 Kb的区域发生大范围缺失,导致了整个基因簇沉默。
活性染色质上具有核基质结合区( matrix
attachment region ,MAR)。MAR一般位于DNA
② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰 ④ H3组蛋白巯基暴露
(三)正性调节占主导 (四)转录与翻译分隔进行 (五)转录后修饰、加工
第四节 真核生物转录水平上的基因表达调控 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。
真核生物 基因表达多层次性
DNA
①染色体、染色质、 水平上的调控 ②转录调控
hnRNA
③转录后加工调控 ④转运调控

细胞质
mRNA
⑤翻译调控 ⑥mRNA降解的调控
蛋白质前体
⑦翻译后加工 的调控
mRNA降解物
活性蛋白质
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
• 单顺反子
• 基因不连续性 断裂基因(interrupted gene)、
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
真核生物基因表达调控的种类:
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。
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。
b.滑动。激活因子与增强子结合,沿DNA滑动直至启 动子,与启动子直接相互作用激活转录。
c.环化。激活因子与增强子结合,使增强子与启动子 之间的DNA环化,促进结合蛋白间的互作并激活转录。
增强子功能的要点,实质上是结合于增强子 的激活因子与结合于启动子的普遍性转录因 子之间的蛋白质-蛋白质相互作用。
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
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
增强子作用机理:
(三)沉默子( silencer )
Definition:
基因的负调控元件,当其结合特异 蛋白因子时,对基因转录起阻遏作用。


沉默子是抑制基因转录的顺式元件。能引起 染色质弯曲缠绕,产生类似于异染色质的结 构,致使转录因子无法与邻近基因的启动子 相结合,从而使基因处于关闭沉默状态。 有时同一DNA顺式元件既能表现出增强子的 活性,又能表现出沉默子的活性,这完全取 决于与之结合的蛋白质的特性。
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 构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。 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
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。
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: • 内含子的两端序列之间没有广泛的同源性
• 连接区序列很短,高度保守,是RNA剪接的信号序列
5'GT——AG 3'
1.增强子的特点


增强效应十分明显 增强子与启动子的相对位置不固定,可以位于基因的5’ 端上游、内部或3’端下游序列中,可以远离基因起作 用,能在两个方向上起作用 大多为重复序列,其内部常含有一个核心序列:(G) TGGA/TA/TA/T(G) 没有基因专一性,可以在不同的基因组合上表现增强 效应; 一般具有组织和细胞特异性
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家族构成,基 因家族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。
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。
• 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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
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) 。
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