现代分子生物学第八章

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8.1.5真核基因表达调控一般规律
• 真核生物和原核生物在基因表达调控上的巨大差别是由两 者基本生活方式不同所决定的。原核生物一般为自由生活 的单细胞，只要环境条件合适，养料供应充分，它们就能 无限生长、分裂，因此，它们的调控系统就是要在一个特 定的环境中为细胞创造高速生长的基础，或使细胞在受到 损伤时，尽快得到修复。它们主要是通过转录调控，以开 启或关闭某些基因的表达来适应环境条件（主要是营养水 平的变化)。环境因子往往是调控的诱导物，群体中每个 细胞对环境变化的反应都是直接和基本一 致的。
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• 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相连。
• 基因组分析表明，大肠杆菌中共有7个这样的拷贝，每一个拷贝 中只有tRNA基因的种类、数量和存在部位有些变化。
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• 在真核生物中，前rRNA转录产物的沉降系数为45S(约 有1400个核苷酸)，包括18s、28s和5.8S三个主要分子。 前rRNA分子中至少有100处被甲基化（主要是核糖的2OH甲基化)，初级转录产物也被特异性RN4酶切割降解。 产生成熟rRVA分子。这个过程需要snoRNA的参与(图84) • 5SrRNA作为一个独认的转录单位，由RNA聚合酶3（而 不是聚合酶I)完成转录。
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根据基因调控在同一事件中发生 的先后次序，又 可将其分为转录水平调控及转录后水平调控 ,前者可 以分为遗传水平的DNA调控和表观遗传水平的染 色质 调控，后者又进一步分为RNA加工成熟过程的调控、 翻译水平的调控及蛋白质加工水平的调控等。
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8.2真核基因表达的转录水平调控
真核细胞与原核细胞在基因转录、翻泽及DNA的空间结 构方面存在如下差异: 1. 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译一条多 肤链，原核生物中常见的多基因操纵子形式在真核细胞 中比较少见. 2.真核细胞的DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合.只有一 小部分DNA是裸露的。 3.高等真核细胞DNA中大部分不转录；大部分真核细胞 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、这种能力在原核生物中也是极为鲜见的。
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2. 基因表达的时空特异性 • 基因表达的时间特异性（temporal specificity),即按功能 需要，某一特定基因的表达严 格按特定的时M顺序发生。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。 • 基因表达的空间特异性,是指在个体生长过程中，某种基 因产物 按不同组织空间顺序出现，基因表达伴随时间顺 序所表现出的这种分布差异，实际上是 由细胞在不同器 官的分布所决定的。所以，空间特异性又称细胞或组织 特异性。空间特异性的基因表达也普遍存在于动、植物 生长发育的各个阶段，如 果蝇胚胎发育中许多调节体节 形成的基因表达均呈现出显著的组织特异性。基因表达 调控能够维持细胞的增殖、分化，维持个体的生长、发 育，有助于生物体更好地适应外界 环境变化。
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• 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。 • 选择性剪接的典刑例子：小鼠淀粉酶基因表达的组织特异性变化
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• 在小鼠肝和唾液腺这两种组织中，淀粉酶mRNA的编码 序列完全相同，但5‘端起始部分长度不同。 • 事实上,L外显子只是唾液腺淀粉酶基因中内含子序列的 一部分，将在mRNA成熟过程中被切除。 • 有实验证明，由S外显子起始的转录产物是由L外显子起 始转录产物的100倍以上。 • 由于一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成 基因的差异表达，这是真核基因断裂结构的一个重要特 点。
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8.1.3基因家族 • 真核细胞的DNA是单顺反子结构，很 • 少出现置于一个启动子控制之下的操纵子。 真核细胞中许多相关的基因常按功能成套 组合，被称为基因家族。 • 同一家族的成员有时紧密地排列在一起， 成为一个基因簇;但更多的时候，它们分散 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。
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不同发育阶段血红蛋白亚型
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• 胚胎期类α-珠蛋自，最先以ξ 2型出现。以后逐渐被ξ 1型 所取代。 • 在胎儿期有两类等分子数β型链。因此，胚胎型血红蛋 白中含有两个ξ 2 型α链和两个ξ 2 型β链。新生儿出生 后,98%的血红蛋白中含有两个仪α2单位和两个β亚单位， 2%的血红蛋白含两个α2单位和两个β亚单位。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（图8-8）。
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8.1.2真核基因的断裂结构
• 1.外显子与内含子
现已证明大多数真核基因都是蛋白质编码序列和 非蛋自质编码序列两部分组成的（表8-1）。编 码序列称为外显子，非编码序列称为内含子。在 一个结构基因中，编码某一蛋自质不同区域的各 个外显子并不连续排列在一起，而常常被长度不 等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式。 所以真核基因有时被称为断裂基因。
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• 研究发现，只有真核生物具有切除基闪中 内含子，产生功能型mRNA和蛋内质的能力， 原 核生物一般不具有这种本领。如果要在 原核细胞里表达真核基因,必须首先构建切 除内 含子的重组基因，才有可能得到所研 究的蛋白质。
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• 2. 外显子与内含子的连接区
• 真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子-内含子连 接区的高度保守性和特异性碱基序列。 • 外外显子-内含子连接区就是指两者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，因此内含子两端序列不能互补,说明在剪接加工之前， 内含子上游序列和下游序列不可能通过碱基 配对形成发夹 式二级结构。外显子-内含子连接区序列虽然很短，但却 是高度保守的，因 此，该序列可能与剪接机制密切相关， 是RNA剪接的信号序列。
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主要步骤
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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 a及总基因组中蕴藏的遗传信息最都大大高于原核 生物，如人类细胞 单倍体基因组就包含有3 x 10^9bP总DNA,约为大肠杆菌总DNA的800倍，是噬 菌体总 DNA的10万倍左右！ • 真核生物基因组DNA中有许ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ重复序列，基因内部 还常插入不翻 译成蛋白质的序列，都影响了真核基 因的表达。真核生物的DNA还常与蛋白质(包括组 蛋 白和非组蛋白）结合,形成十分复杂的染色质结构。 染色质构象的变化、染色质中蛋白 质的变化及染色 质对DNA酶敏感程度的变化等都会对基因表达产生 重要影响。
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• 3.发育调控的复杂多基因家族 • 血红蛋白是动物体内输送分子氧的住要载体，由 2a2 b组成的四聚体加血红素辅基(结合铁原子)后形 成功能性血红蛋白。已知所有动物物种中血红蛋白 基因的基本结构都相同（图8-6）.
• 然而，在生物个体发育的不同阶段，却出现几种不 同形式的a和b亚基。
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• 人a一珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上， 占30 kb左右.其中ξ为胚胎期基因（表8-2）。 • β一珠蛋自基因簇位于11号染色体短臂上.占 50-60kb。（图8-7）
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许多情况下,高等真核基因核DNA序列中对应于外显子的部 分可能还不到10% 图8-1是哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长25一31 kb,但6 个外显子总长只有2kb。少数基因根本不带内含子。前尚 不清楚内含子的生理功能。某些基因完全除去内含子
以后，照样可以产生有活性的mRN A; 另一些基因， 如SV40 T抗原基因，一旦除去内含子，成熟mRNA运 人细胞质基质的过程就完全被阻断。
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• 5. 真核生物基因转录的调控区大，它们可能远离核 心启动子几百个甚至上千个碱基对。虽然这些凋节 区也能与蛋白质结合.但是并不直接影响启动子区对 于RNA聚合酶的接受程度，而是通过改变整个所控 制基因5’上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结 合能力。 • 6.真核牛物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿 过核膜，到达细胞质基质后，才能被解译成蛋白质. 原核生物中不存在这样严格的空间间隔。 • 7.许多真核生物的丛因只有经过复杂的成熟和剪接 过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。
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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。 • 海胆基因家族和果蝇tRNA 基因家族（下图）：
果蝇tRNA 基因家族具有两个海胆组蛋白家族所没有的特点： 在基因家族中含有3个tRNA lys 基因，而基因家族中的每个基因都单独按各 自的方向进行转录。
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• 序列分析表明，几乎每个内含子5’端起始的两个碱 基都是GT,而3’端最后两个碱 基总是AG,由于这两个 碱基的高度保守性和广泛性, 把它称为GT-AG法则， • 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古 进行的原则，一般将内含子5‘端接头序列称为左剪 接位点， 3’端接头序列称为右剪接位点,故将前者称 为供体位点，后者为受体位点。 • 外显子-内含子连接区的保守序列几乎存在于所有高 等真核生物基闪中，表明可能 存在着共同的剪接加 工机制。但是在线粒体基因和酵母tRNA基因中不存 在这类保守序 列，暗示存在不同类型的剪接过程。
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• 3. 外显子与内含子的可变调控
• 在基因转录，加工产生成熟mRNA分子时，内含子通过剪接加工被去 掉，保留在成熟MRNA分子中的外显子被拼接在一起，最终被翻译成 蛋白质。因此通过反转录酶的作用，该cDNA分子只含有外显子，没有 内含子。 • 有些真核基因，如肌红蛋白重链基因却能精确地剪接成一个成熟的 mRNA，我们称这种方式为组成型剪接。 一个转录产物组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA，编码一个多肤。 但是，有不少真核基因的初级转录产物可通过不同的剪接方式，产生 不同的mRNA并翻译成不同的蛋白质。 另外一些核基因在转录时选择了不同的启动子，或者在转录产物上选 择不同的多(A〕位点而使初级转录物具有不同的二级结构.因而影响剪 接过程，最终产生不同的mRNA分子。
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• 真核生物基因调控可分为两大类：
• 第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相 当于原 核细胞对环境条件变化所做出的反 应，包括某种底物或激索水平升降时,或细 胞周期不 同阶段中梅活性的调节; • 第二类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。
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8.1.4基因表达的方式和特点
1. 基因表达的方式
• 根据对刺激的反应模式,可分为组成性表达和选择性表达两大类。 • 某些基因在个体的所有细胞中持续表达，这些基因即为管家基 因.其表达模式又被称为组成性基因表达。管家基因通常具备以 下特点: • ①细胞结构和代谢过程中所必需的基因,例如编码rRNA、肌动蛋 白、微管蛋白等的基因;②通常能够保持较高的表达量。根据这 些特点，实验研究中常把rRNA、肌动蛋白或微管蛋白基因作为 RT-PCR的对照。 • 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增 加，这种基因称为可诱导基因。而如果基因被环境信号所被抑 制，这种基因就是可阻遏基因 (repmssihle gene)。基因表达调控 大多数是对这些基因的转录和翻译速率的调节，从而导致其编 码产物的水平发生改变并影响其功能。
现代分子生物学
指导老师：杨林松 演绎人：徐楸能
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8.1真核基因表达调控相关概念和一 般规律
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• 8.1.1基因表达的基本概念 基因组： 一个细胞或病毒所携带的全部遗传 信息或整套基因。 基因：指能产生一条肽链或功能RNA所必需的 DNA片段。它包括编码区和其上下游区域。以 及在编码片段间(外显子)的间断切割序列（内 含子) 基因表达：基因经过转录、翻译，产生具有特 异生物学功能的蛋自质分子或RNA分子的过程。 基因表达调控：受内源及外源信号调控的这个 调控的过程。
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• 此外，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(细胞质基质内）被核 膜所隔 开，核内RNA的合成与转运,细胞质基 质中RNA的剪接和加工等无不扩大了真核生物 基 因调控的范围，使真核生物基因调控达到 了原核生物所不可能拥有的深度和广度。对大 多数真核细胞来说，基因表达调控的最明显特 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 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。