分子生物学课件：基因表达调控

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基因表达调控的生物学意义
(一) 适应环境、维持生长和增殖 (二) 维持个体发育与分化
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基因表达调控的指挥系统
基因表达调控的指挥系统有很多种，不 同生物使用不同的信号来指挥基因调控。
原核生物：营养状况、环境因素 真核生物：激素水平、发育阶段
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跟据其性质，真核生物基因表达调控可分为两 大类：
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基因扩增 （gene amplification）
是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大 量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要 而产生足够的基因产物的一种调控手段。
例如，非洲爪蟾的卵母细胞，rRNA基因，约500个拷贝
卵裂期和胚胎期， rRNA基因，约200万拷贝数
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基因重排（gene rearrangement）
NH2
N
N
N
N
+ CH2SCH2CH2CH(NH2) + COOH
DNA methyltransferase (DNMT)
NHN
C
C CH3
OC
CH
N
HO HO
S-Adenosylhomocystein (SAH)
5-甲基胞嘧啶(5-mC ) 21
在基因组的某些区域中，CpG序列密度很高，可以达 均值的5倍以上，成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区，形成所谓 的CpG岛。
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。
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DNA甲基化（ DNA Methylation ）
DNA甲基化是最早发现的基因表观修饰方式之 一, 存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切 相关。大量研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因 的活性。
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人类珠蛋白基因表达的阶段特异性
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基因表达的特点
组织特异性（tissue specificity） 阶段特异性（stage specificity） 与环境相适应
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综上所述，不难看出：生物的基因表达 不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控 的。尽管现在我们对调控机理的奥妙所知还 不多，但已经可以认识到，不仅生命的遗传 信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的 表达调控也是生命本质所在。
对这个过程的调节即为基因表达调 控(regulation of gene expression or gene control)。
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基因表达(gene expression)
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基因表达的特点
组织特异性（tissue specificity）
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基因表达的特点
组织特异性（tissue specificity） 阶段特异性（stage specificity）
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复习思考题
1. 什么是基因表达?试述基因表达的特点及 其调控对生物体的重要性。
2. 真核生物中，基因的表达受不同水平的调控， 请列举其中三种。
3. 为什么说转录起始的调控是基因表达调控的中 心环节?
4. 举例说明DNA甲基化与肿瘤的关系。
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基因表达(gene expression) 从DNA到蛋白质的过程。
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Maintenance DNA methyltransferase
(DNMT1)
CH3
CH3
CH3
CH3
从头合成 甲基转移酶
日常型
CH3
CH3
DNA Methylation and Gene Expression
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。
The Knock-out of any of the methyltransferase genes is lethal during development(Dnmt 1 or 3B) or shortly thereafter (3A; about 4 weeks of age).
证据举例： 转基因实验中，被转化基因在进入细胞
前如已甲基化则不能表达； 甲基化阻断药物5-氮胞苷对基因表达有
诱导作用;
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▪ Goodman J.I. Watson R.E. Ann. Rev. Pharmacol.
Toxicol.42:501-25,2002
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DNA的甲基化修饰通过改变基因的表达，参与了细胞 的生长、发育过程及X染色体失活等的调控。在细胞正常发 育基因表达模式以及基因组稳定性中起着至关重要的作用。
基因表达的调控
Regulation of Gene Expression
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内容
▪ 基因表达的特点及调控的意义 ▪ 真核基因的表达调控
转录前调控： 基因丢失、 基因扩增 、基因重排、 基因修饰、组蛋白修饰 转录水平的调控： 转录后调控 ： hnRNA的选择性加工运输、 mRNA前体的选择性剪接、 RNA编辑、 RNAi 翻译水平的调控：翻译因子的磷酸化、mRNA稳定性 翻译后调控： 蛋白质修饰
瞬时调控（或可逆调控） 发育调节（或不可逆调控）
跟据基因调控发生的先后次序，又可将其分为： 转录前调控 转录调控 转录后调控 翻译调控 翻译后调控
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基因表达的调控是多级调控系统（如图）
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一、转 录 前 调 控
基因丢失（原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物） 基因扩增 （gene amplification） 基因重排（gene rearrangement） DNA的甲基化（DNA methylation） 组蛋白修饰（Histone modification）
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DNA甲基化（ DNA Methylation ）
甲基化转移酶（DNMTs）催化CpG二核苷酸的 胞嘧啶转变为5’甲基胞嘧啶。
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NH2 N
N
DNA Methylation Reaction
N
CH3
N
CH2+SCH 2CH2CH(NH 2) COOH
+
NHN
C
CH
OC
CH
N
HO HO
S-Adenosylmethionine (SAM)
哺乳类基因组中约存在4万个CG islands，大多位于 基因的启动子区或是第一个外显子区。
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CH3 CH3
DNA methylation reactions
Demethylase
CH3 CH3
CH3
De novo methyltransferase
(DNMT3a, 3b )
CH3
DNA replication