2010分子生物学理论课真核基因表达调控部分课件-1
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第三节
真核基因表达的调控
基因表达的多级调控
基因数目 基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
一、DNA和染色体结构对转录的调控
1. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,降低转录 活性；甲基化范围与基因表达程度呈反比。 2. 组蛋白变化
5. 沉默子
• 概念：能抑制启动子活性的DNA序列。
• 特点：与增强子相似；沉默子与增强子的角色可因 调控基因而转换。
二、反式作用因子(trans-acting factor)
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作 用，调节其表达。 这种调节作用称为反式作用。 还有个别蛋白质因子可特异识别、结合 自身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用。
（二）转录调节因子分类
（按功能特性） * 基本转录因子
是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组
蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及
rRNA)转录的类别。TF I；TF II；TF III
TFⅡ（转录因子）参与RNA-pol Ⅱ转录
转录因子 TF ⅡD TF ⅡA
TF ⅡB TF ⅡF TF ⅡE
真核基因表达与调 控
第二节 真核基因表达调控的分子机制
一、顺式作用元件(cis-acting element)
概念: 真核生物中能够被基因调控蛋白特异性识别和结 合，并对自身基因转录起始有调节作用的DNA序列。 转录起始点 DNA B A
编码序列
• 真核生物的顺式作用元件包括三类：
Ⅰ类顺式作用元件——Ⅰ类启动子——RNA pol Ⅰ
蛋白质-蛋白质结合域 （二聚化结构域）
分子生物学 第七章 真核基因表达调控1PPT课件
13
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。
14
Organization of histone genes in the animal genome
15
（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。
8
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 促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
161bp 4500bp 205bp 327bp
初始转录本： 在肝中转录
成熟 mRNA： 成熟 mRNA：
1663nt 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
20
(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。
2
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核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 3×109bp、染色质、核膜 • 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
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。
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Organization of histone genes in the animal genome
15
（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。
8
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 促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。
161bp 4500bp 205bp 327bp
初始转录本： 在肝中转录
成熟 mRNA： 成熟 mRNA：
1663nt 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
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(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。
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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核基因组结构特点 • 真核基因组结构庞大 3×109bp、染色质、核膜 • 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
分子生物学课件第十一章真核生物的基因表达调控(精)
分子生物学课件第十一章真核生物的基因表达调控 WORD文档使用说明：分子生物学课件第十一章真核生物的基因表达调控来源于本WOED文件是采用在线转换功能下载而来，因此在排版和显示效果方面可能不能满足您的应用需求。
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例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。
例如在蛔虫胚胎发育过程中，生殖细胞的那套染色体。
例如在蛔虫胚胎发育过程中， 27％DNA丢失丢失。
有27％DNA丢失。
在高等动植物中，尚未发现类似现象! 在高等动植物中，尚未发现类似现象!核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因。
分子生物学--真核生物基因表达调控课件
2020/6/16
（三）染色体重排
(chromosome rearrangement)
• 典型例子是免疫球蛋白基因的表达
2020/6/16
2020/6/16
轻链k基因的重排
三、染色质水平上的调控
2020/6/16
（一）染色质的结构
DNA 组蛋白
核小体
染色质
组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白， 有H1、H2A、H2B、H3和H4共5种。
2020/6/16
占先模型 (Pre-emptive model)
如果在启动子部位 形成了核小体，则转录 因子和聚合酶不能与 DNA 结合，反之亦然。
2020/6/16
动力学模型 (Dynamic model)
在ATP水解释放能 量的驱动下，各种转录 因子将核小体从DNA中 置换Байду номын сангаас来。
2020/6/16
• 染色质重塑涉及在基因组一个较短的区 域中核小体位置的改变或者结构的改变 ，是一个能量依赖的过程，由染色质重 塑复合物（chromatin remodeling complex）催化完成。
2020/6/16
染色质重塑复合物
2020/6/16
染色质重塑复合物的作用机理
• SWI/SNF类复合物有解旋酶活性，在ATP作用 下，使核小体DNA螺旋程度降低，组蛋白八聚 体沿DNA移动，核小体结构松散。
• 失活是随机的。
Mary.F.Lyon(1925-)
失活发生在胚胎发育的早期
杂合体雌性在伴性基因的作 用上是嵌合体。
2020/6/16
Example:
玳瑁猫
2020/6/16
（四）组蛋白的修饰
（ Histone modification ）
（三）染色体重排
(chromosome rearrangement)
• 典型例子是免疫球蛋白基因的表达
2020/6/16
2020/6/16
轻链k基因的重排
三、染色质水平上的调控
2020/6/16
（一）染色质的结构
DNA 组蛋白
核小体
染色质
组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白， 有H1、H2A、H2B、H3和H4共5种。
2020/6/16
占先模型 (Pre-emptive model)
如果在启动子部位 形成了核小体，则转录 因子和聚合酶不能与 DNA 结合，反之亦然。
2020/6/16
动力学模型 (Dynamic model)
在ATP水解释放能 量的驱动下，各种转录 因子将核小体从DNA中 置换Байду номын сангаас来。
2020/6/16
• 染色质重塑涉及在基因组一个较短的区 域中核小体位置的改变或者结构的改变 ，是一个能量依赖的过程，由染色质重 塑复合物（chromatin remodeling complex）催化完成。
2020/6/16
染色质重塑复合物
2020/6/16
染色质重塑复合物的作用机理
• SWI/SNF类复合物有解旋酶活性，在ATP作用 下，使核小体DNA螺旋程度降低，组蛋白八聚 体沿DNA移动，核小体结构松散。
• 失活是随机的。
Mary.F.Lyon(1925-)
失活发生在胚胎发育的早期
杂合体雌性在伴性基因的作 用上是嵌合体。
2020/6/16
Example:
玳瑁猫
2020/6/16
（四）组蛋白的修饰
（ Histone modification ）
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一、转录前水平上的调控
（二）、基因扩增
一、转录前水平上的调控
（三）、基因重排是基因表达调节控制的重要方式之一。它是指某些基因片 段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节 表达产物多样性。也指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。 基因重排会导致基因的活化。比如，许多原致癌基因在它们处于原 先的染色体时，是不活化的。一旦发生基因重排，这些基因由一个染色 体转座到另一个染色体时，就被激活，而最终导致细胞的癌变。如c－ myc基因在人第八号染色体上面时，是无活性的。但当它转座到第14号 染色体时就活化了，产生c－myc蛋白，使人患上Burkit淋巴癌。又如， c－abl基因在正常情况下位于9号染色体上，生产P150蛋白，当它转座 到22号染色体时，就活化产生P210蛋白，这种蛋白质有激酶活性，使细 胞癌变。 基因重排也是细胞分化的机制之一。哺乳动物在受到外源蛋白侵染 时，淋巴细胞会发生分化，变成浆细胞，每一个浆细胞只能产生一种或 几种抗体（免疫球蛋白），无数的浆细胞就能产生无数种类的抗体。
子结构；原核基因组成操纵子作为基因表达调控的单元，
基因转录产物为多顺反子mRNA(polycistron mRNA)；
（四）大多为非编码序列
原核基因组的大部分序列都为基因编码，真核生物中 仅约10%的序列是编码蛋白质或rRNA、tRNA等的基因，其 余约90%的序列功能至今还不清楚；
一、真核生物基因组特点
排，也发生了基因削减的现象。最突出的例子是哺乳类的红细胞，它在
成熟过程中整个核都丢失了。
一、转录前水平上的调控
（四）、基因削减
如马蛔虫在个体发育的早期在体细胞中要丢失部分染色体， 而在生殖细胞中保持全部的基因组，
一、真核生物基因组特点
（六）存在大量重复序列 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重
复序列不多哺乳动物基因组中则存在大量重复序列
(repetitive sequences) 1、高度重复序列：重复数百万次，为简单序列，不到10bp;
称为卫星DNA；
2、中度重复序列：重复上千次，序列由几百个bp构成； 3、单拷贝序列：只出现1次或几次。真核生物绝大多数为
因，人则约有3～5万个基因；原核基因组基本上是单倍体；而真核基 因组多为二倍体或多倍体；
（二）形成染色体结构
真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜 内，核外还有遗传成分（如线粒体DNA等），这就增加了基因表达调控
的层次和复杂性。
一、真核生物基因组特点
（三）形成单顺反子mRNA(monocistron mRNA) 真核基因转录产物为单顺反子mRNA，基本上没有操纵
一、转录前水平上的调控
（三）、基因重排
例如编码完整抗体 蛋白的基因是在淋巴细胞 分化发育过程中，由原来 分开的几百个不同的可变 区基因经选择、组合、变 化、与恒定区基因一起构 成稳定的、为特定的完整 抗体蛋白编码的可表达的 基因。这种基因重排使细 胞可能利用几百个抗体基 因的片段，组合变化而产 生能编码达109种不同抗 体的基因。
第一节 真核生物基因表达调控总论
一、真核生物基因组特点
二、真核基因表达调控的特点
三、真核基因表达调控的环节
第一节 真核生物基因表达调控总论
一、真核生物基因组特点
（一）基因组结构庞大 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，
哺乳类基因组在109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基
（五）断裂基因
原核生物基因编码序列绝大多数是连续的，而真核生 物的编码基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和
内含子(intron)；
一、真核生物基因组特点
（六）存在大量重复序列 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳 动物基因组中则存在大量重复序列(repetitive sequences)。 1、高度重复序列(high repetitive sequences), 这类序列一般较短， 长10-300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的 10-60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能不清楚。 2、中度重复序列(moderate repetitive sequences)，这类序列序列多 数长100-500bp，重复101-105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量 最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基 因组中重复3-5×105次，在人的基因组中约占7%，功能还不清楚。在人的 基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基 因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成族重复30-40次，这些基因都可归 入中度重复序列范围。 3、单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占 哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物的编 码基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。 反向重复序列 是指在DNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如： “CGTACC/CCATGC”, 又称“回文结构”。
单一基因；
反向重复序列：是指在DNA链某些区域，出现反向排列的 碱基序列。如：“CGTACC/CCATGC”, 又称“回文结构”。
二、真核基因表达调控的特点
1、原核生物基因表达调控表现为转录与翻译相偶联；真核生物 基因调控表现为时间和空间上的分离，转录和翻译分开进行。
二、真核基因表达调控的特点
2、真核基因表达以正调控为主 真核生物RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上不能 独立起始转录，需要依赖多种激活蛋白的协同作用。真核基 因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍； 真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有 两种作用的，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核 基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有 激活的蛋白质促进转录。通过利用各种转录因子正性激活 RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。 采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节 不经济。
分 子 生 物 学
任 课 年 级 主 讲 教 师
2007.11.6
2004级 王 荣
阜阳师范学院生命科学学院
真核生物基因表达调控的一般规律
一、真核基因表达调控总论 二、转录水平上的调控（transcriptional regulation) 1.转录前水平上的调控（pre-transcriptional regulation) 2.转录水平上的调控（transcriptional regulation) 3.转录后水平的调控（post-transcriptional regulation) 三、翻译水平上的调控（ translation regulation） 四、翻译后水平上的调控（ post-translation regulation）-蛋白质加工水平上的调控（protein maturation and processing)
可导致DNA序列与蛋白质氨基酸序列的不完全对应关系；而第二类遗
传信息则指非编码蛋白质序列能调节基因选择性表达的遗传信息。已 经知道，蛋白质基因只占整个真核生物基因组序列的较少部分，因此
基因组中大部分DNA是用来编码第二类遗传信息的。
三、真核基因表达调控的环节
（一）、可逆性调控（瞬时调控） 相当于原核细胞对环境变化所作出的反应，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； （二）、不可逆调控（发育调控） 决定真核细胞生长、分化、发育的全部进程的调控； 1、转录水平上的调控（transcriptional regulation) 1）转录前水平上的调控（pre-transcriptional regulation) 2）转录水平上的调控（transcriptional regulation) 3）转录后水平的调控（post-transcriptional regulation) 2、翻译水平上的调控（ translation regulation） 3、翻译后水平上的调控（ post-translation regulation）-蛋白质加 工水平上的调控（protein maturation and processing)
第二节、真核基因转录水平上的调控
（transcriptional regulation) 一、转录前水平上的调控（pre-transcriptional regulation)
通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达的过程均属转录前 水平的调控。
真核生物基因组中只有10%的基因是工作的，且真核细胞有高度的
分化，各个细胞并不表达全部的基因。因此，在基因表达之前，真核基 因组要进行一系列的调整，即通过改变DNA序列和染色质结构从而影响 基因表达，使该表达的基因进入工作状态，而不该表达的基因则被很好 地安臵，以免干扰了整个机体的代谢，这就是转录前的调节（也称DNA 水平上的基因表达调控）。
一、转录前水平上的调控
二、真核基因表达调控的特点
7、 真核生物基因组的非编码序列的存在与基因表达 调控密切相关
真核生物基因组至少包括两类遗传信息：第一类是三联体密码 所编码的蛋白质的基因信息，其遗传信息的传递包括基因转录和蛋白
质合成过程，例如现在已经知道由于存在真核生物基因的不连续性，
转录后的剪接、特别是可变剪接、RNA编辑（例如在单个前体mRNA编 码序列中单个碱基的插入或删除等）以及翻译后的蛋白质肽链剪接等，
质，这需要大量的核糖体。尽管作为核糖体主要成分的rRNA的基因是
中度重复顺序，但此时仍不够，于是rDNA基因必须扩增。例如非洲爪 蟾的二倍体卵母细胞发育到四倍体时，rDNA扩增了二千多倍。这时细 胞核的核仁数目也由4个变成600－1000个。由于rDNA的扩增，使每个 卵母细胞迅速蓄积起105个核糖体。如果没有基因的放大，要在一个细 胞中积累105个核糖体，就需要500年的时间。