7 真核基因表达调控的一般规律

2800bp
161bp
4500bp
205bp 327bp
初始转录本： 在唾液腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
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三、真核生物DNA水平上的基因表达调控
ε 图
Gγ Aγ
ψβ
δ β
人 类 血 红 蛋 白 的 α 和β 基 因 簇
人α珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上，约占 30kb左右，其中δ为胚胎期基因。 β珠蛋白基因簇位于11号染色体短臂上，约占 50-60kb，其中ε为胚胎期基因，Gγ和Aγ为胎儿型 基因，δ和β为成人期基因。
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一、基因家族（gene family）
基因家族：真核生物的基因组中有很多来源相同、南 结构相似、功能相关的基因。 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 。
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基因簇（gene cluster）：同一家族中的成 员有时紧密地排列在一起。 更多的时候，它们却分散在同一染色体的 不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有 各自不同的表达调控模式。
“泡”状或“环”状结构，有时还能看到RNP沿着这些
突起结构移动，表明这些DNA正在被RNA聚合酶所转录。
2、基因丢失：
在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而
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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
和加工等都属于真核生物基因调控的范围。 对大多数真核细胞来说，基因表达调控的最明 显的特征是能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
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逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器
官保持正常功能。
真核生物基因调控主要包括：
瞬时调控或称可逆性调控：相当于原核细胞对环境条
不同发育阶段血红蛋白亚型
发育阶段 胚胎期（8周以前） 组成 δ2ε2、δ2γ2和α2ε2
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胎儿期（8-41周）
α2γ2
成人期（出生以前）
α2δ2和α2β2
图 人β-珠蛋白基因的基本结构。 珠蛋白基因具有相似的结构，但内含子的长度不同。 所有功能性珠蛋白基因都是含三个外显子的断裂基因结构。 图中标识的长度亦适用于哺乳动物β-珠蛋白基因
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
真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面的差异
真核细胞
单顺反子，一条成熟的mRNA链 只能翻译出一条多肽链 DNA与组蛋白和大量非组蛋白结 合，只有小部分DNA裸露 大部分不转录；重复序列；内含 子 DNA片断重排，增加某些基因的 拷贝 转录的调节区域很大，远离核心 启动子，改变5’上游DNA构型 转录在核中，翻译在细胞质
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的过程。
有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不
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同的多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的
二级结构，产生不同的mRNA分子。
PS DNA
外显子 S
PL
外显子 L
外显子 2
外显子 3
50b
真核基因的断裂结构； 真核生物DNA水平上的基因表达调控； DNA甲基化与基因活性的调控。
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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
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大部分位于基因5´端启动子区域。
存在于“灯刷型”染色体（lamp brush）上的环形结构 可能与基因的活性转录有关。 “灯刷型”染色体只有在两栖类动物卵细胞发生减数分 裂时才能被观察到，它是染色体充分伸展时的一种形态。 高倍电镜下观察发现，灯刷型染色体上存在许多突起的
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录，每个基因的转录与翻译速度都受到调节。
3、发育调控的复杂多基因家族
血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体，
由2α2β组成的四聚体加上一个血红素辅基（结合铁
原子）后形成功能性血红蛋白。在生物个体发育的
不同阶段出现几种不同形式的α和β亚基。
δ ψ δψ αψ αα2 α1 θ
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由于内含子两末端的序列不同，可定向标明内
含子的两个末端，根据剪接加工过程沿内含子
自左向右进行的原则，一般将内含子5’端接头
序列称为左剪接位点，又称为供体位点 又称为受体位点（acceptor site）
（donor site）； 3’端接头序列称为右剪接位点，
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果蝇 海胆
Organization of histone genes in the animal genome
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海胆的组蛋白基因家族 串联单位中的每一个基 因分别被转录成单顺反子RNA，这些RNA都没有内 含子，而且各基因在同一条DNA链上按同一方向转
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
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真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类
之外）主要由多细胞组成，每个真核细胞所携带
的基因数量及总基因组中蕴藏的遗传信息量都大
大高于原核生物。
真核生物染色质被包裹在细胞核内，基因的转
录（核内）和翻译（细胞质内）被核膜所隔开，
核内RNA的合成与转运，细胞质中RNA的剪接
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。 这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。 外显子（Exon） ：真核细胞基因DNA中的编码序列，
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内含子（Intron） ：真核细胞基因DNA中的间插序
件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降 时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节； 发育调控又称不可逆调控：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。
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（是受到内在程序化的控制和外界环境的变化关系不
大）
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
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1、简单多基因家族 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 细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析
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在真核生物中，前 rRNA转录产物的分子量 为45S，包括18S，28S和 5.8S三个主要rRNA分子。 南 前rRNA分子中至少有100 处被甲基化（主要是核糖
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。
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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，
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1、“开放”型活性染色质结构对转录的影响： 染色质按功能状态的不同可分为： 非活性染色质：没有转录活性的染色质。 活性染色质：具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
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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
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图
人细胞中α和β-珠蛋白基因簇结构示意图
在每个基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育 阶段的表达顺序。 假基因：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。
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原核细胞
多顺反子，许多功能相关的基因组 成操纵子 DNA大部分是裸露的
南 通 大 基因排列较为紧凑 学 生 命 这种调节能力较为鲜见 科 学 学 院 转录的调节区域很小，大部分位于
转录起始点上游不远处， 不存在严格的空间间隔
基因只有经过复杂的成熟和剪接 同一基因的转录和翻译过程可同时 过程，才能被翻译成蛋白质 进行
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Contents
真核生物的基因结构与转录活性； 真核基因的转录水平调控； 反式作用因子的调控作用； 真核基因转录调控的主要模式； 其他水平的基因调控；
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第一节 真核生物的基因结构与转录活性
内容提要
基因家族；
2、外显子与内含子的可变调控
真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生不 同的mRNA，翻译成不同的蛋白质。
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组成型剪接：有些真核基因，如肌红蛋白重链基因
虽有41个外显子，却能精确地剪接成一个成熟的
mRNA。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能
产生一种成熟的mRNA，编码一个多肽。
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真核生物基因表达调控特点：
① 多层次；
② 无操纵子和衰减子；
南 通 大 学 生 命环境影响较小。
研究基因调控主要应回答3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？ ② 基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、 南 mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？ ③ 不同水平基因调控的分子机制是什么？
在个体发育过程中，用来合成RNA的DNA模板 也会发生规律性变化，从而控制基因表达和生
物体的发育。
DNA水平的调控包括了基因丢失、扩增、重排
和移位等方式，可以消除或变换某些基因并改
变它们的活性。与转录及翻译水平的调控不同，
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DNA水平的调控使基因组发生了改变。
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的2-OH甲基化），原始
图 脊椎动物中rRNA基因家族 主要成员的分布与成熟过程分析 转录产物也被特异性 RNA酶切割降解，产生 成熟rRNA分子。
2、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。
列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻
译。
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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：
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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 5’GT——AG 3’ GT-AG法则
胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。
马蛔虫（Parascaris equoorum） （2n =2）
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马蛔虫受精卵的早期分裂
8
40
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图 小麦瘿蚊（Mayetiole destructor）的染色体丢弃
3、基因扩增：（amplification）
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
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真核生物和原核生物由于基本生活方式不同，决
定了基因表达调控上的巨大差别。
原核生物：要在一个特定的环境中为细胞创造高 速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得 到修复。原核生物基因表达的开关经常是通过控 制转录的起始来调节的。