真核基因表达调控模式
真核基因不同水平上的表达调控

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂,可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次(图真核生物基因表达中可能的调控环节)。
但是,最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。
(一)DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。
这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。
其中有些改变是可逆的。
1、基因剂量与基因扩增细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多,细胞保持这种特定比例的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。
例如,有A、B两个基因,假如他们的转录、翻译效率相同,若A基因拷贝数比B基因多20 倍,则A基因产物也多20倍。
组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。
为了合成大量组蛋白用于形成染色质,多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。
基因剂量也可经基因扩增临时增加。
两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大,是正常体细胞的一百倍,需要合成大量核糖体。
核糖体含有rRNA分子,基因组中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。
所以在卵母细胞发育过程中,rRNA基因数目临时增加了4000倍。
卵母细胞的前体同其他体细胞一样,含有约500个rRNA基因(rDNA)。
在基因扩增后,rRNA基因拷贝数高达2×106。
这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体,以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。
在基因扩增之前,这500个rRNA基因以串联方式排列。
在发生扩增的3周时间里,rDNA不再是一个单一连续DNA片段,而是形成大量小环即复制环,以增加基因拷贝数目。
这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中,包括鱼、昆虫和两栖类动物。
目前对这种基因扩增的机制并不清楚。
在某些情况下,基因扩增发生在异常的细胞中。
例如,人类癌细胞中的许多致癌基因,经大量扩增后高效表达,导致细胞繁殖和生长失控。
有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。
真核生物基因表达的调控

4、DNA甲基化与基因组印迹 (1)基因组印迹:来源于父母本的一对等位基因
表达不同(如X染色体失活) (2)基因组印迹的机制--DNA高度甲基化
5、DNA甲基化与X染色体的失活 X染色体DNA序列高度甲基化,基因被关闭
(1)与X染色体的失活有关的序列:
AP2
??
结合蛋白 (protein binding)
AP2 AP1
? SP1
? TF IID +
RNApol
BLE basal level element MRE metal response element AP activator protein
应答元件的特点:
1. 具有与启动子、增强子同样的一般特性. 2. 与起始点的位置不固定(多在-200以内;单个功能充分,
非洲爪蟾的卵母细胞 rDNA的拷贝数目: 500份 2×106份,可装配1012个核糖体 当胚胎期开始,增加的rDNA便失去功能并逐渐消失
二、基因丢失
有的生物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。
小麦瘿蚊(染色丢失了32条,只保留8条)
马蛔虫
三、基因重排(gene rearrangement)
的下游起作用。 4、与它结合的转录因子是GCN4和GAL4,识别位
点为 ATGACTCAT。
(四)绝缘子(Insulator)
阻止激活或失活效应的元件
举例:
1、当绝缘子位于增强子和启动子间时,能阻止 增强子激活启动子作用。
2、当绝缘子位于一个活化基因和异染色质之间 时,它保护基因免受由异染色质扩展造成的失 活效应影响。
Constant
真核生物的基因表达调控

转录因子得结构
绝大多数转录因子至少具有以下三种不同得结构域得 一种: (1)DNA结合结构域,直接与顺式作用元件结合得转录因子 都具有此结构域。转录因子通常使用此结构域之中得 特殊α-螺旋与顺式作用元件内得大沟接触,通过螺旋上 得特殊氨基酸残基得侧链基团与大沟中得特殊碱基对 之间得次级健(主要就是氢键)相互识别而产生特异性。 许多转录因子在此结构域上富含碱性氨基酸,这可能有 利于她和DNA骨架上带负电荷得磷酸根发生作用; (2)效应器结构域,这就是转录因子调节转录效率(激活或阻 遏)、产生效应得结构域; (3)多聚化结构域,此结构域得存在使得转录因子之间能够 组装成二聚体或多聚体(同源或异源)。下面将集中介绍 前两种结构域,特别就是DNA结合结构域。
在转录水平上得基因表达调控
真核生物得蛋白质基因得转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础 转录因子以外,还需要其她顺式作用元件和反式作用因子得参与。 参与基因表达调控得主要顺式作用元件有:增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件;参与基因表达调控得反式作用因子也称为转录 因子,她们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因得表达,而阻遏蛋白与沉默子结合, 抑制基因得表达,某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为阻 遏蛋白其作用,究竟就是起何种作用取决于被调节得基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点,但她们能够通过蛋白质与蛋白质得相互作 用而行使功能,作用方式包括:招募其她转录因子和携带修饰酶(如 激酶或乙酰基转移酶)到转录复合物而刺激激活蛋白得活性;辅阻 遏蛋白也缺乏DNA结合位点,但同样通过蛋白质与蛋白质得相互作 用而起作用,作用机理包括:掩盖激活蛋白得激活位点、作为负别构 效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶(如磷酸酶或组蛋白去乙酰基 酶)得活性。
真核生物基因表达调控的多种方式

真核生物基因表达调控的多种方式真核生物基因表达包括转录、翻译和蛋白修饰等复杂过程,其中涉及多种调控方式。
以下是真核生物基因表达的各种表达调控方式的简述:1. 转录前调控转录前调控是指在 DNA 复制后被转录成 RNA 的过程中,通过调控 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 的亲和力、移动速度和活性等方式来控制基因的表达。
其中一些调控因子可以与启动子区域中的特定序列结合,从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外,一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合,促进 RNA 聚合酶的移动,从而加快转录速率。
2. 转录调控转录调控是指通过调控 RNA 聚合酶结合到特定基因的启动子上,来控制基因的表达。
转录调控可以通过调节转录因子的数量、亲和力和活性等方式来实现。
一些转录因子可以与启动子区域中的特定序列结合,从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外,一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合,促进 RNA 聚合酶的活性,从而加快转录速率。
3. 转录后调控转录后调控是指在基因被转录后,通过调控 RNA 剪接、RNA 编辑、RNA 降解等方式来控制基因的表达。
这些调控方式可以影响 RNA 的稳定性、可用性和转录本的多样性。
例如,一些调控因子可以与 RNA 剪接因子结合,从而改变 RNA 剪接的速率和方向。
一些 RNA 编辑酶可以编辑 RNA,改变基因表达。
此外,RNA 降解酶可以降解 RNA,从而抑制基因的表达。
4. 翻译调控翻译调控是指通过调控 mRNA 的稳定性、可用性和翻译速率等方式来控制基因的表达。
例如,一些调控因子可以与 RNA 聚合酶结合,从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外,一些翻译调控因子可以与 mRNA 结合,从而改变 mRNA 的稳定性和翻译速率。
5. 蛋白修饰调控蛋白修饰调控是指通过调控蛋白质的修饰方式来控制蛋白质的活性、稳定性和可用性等方式来控制基因的表达。
例如,一些修饰因子可以与蛋白质结合,从而改变蛋白质的修饰方式。
第十三章 真核生物基因表达调控

在染色质中的DNA潜在活性区域核小体组装较为
松弛且某些位点用DNaseⅠ处理时DNA极易断裂,
为高敏感位点(HS)
染色质上对DNaseⅠ的敏感区域有一定的界限 即使在一个基因内,各个区段对DNaseⅠ敏感
程度也不同,基因编码转录大范围表现一般 的敏感性,而在基因调控区的少数区域则显 示高度敏感性
真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 七 个 层 次
染色质 DNA 染色质水平调控
DNA
转录调控
细胞核 细胞质
转录初产物 (RNA) 转录后加工调控
转运调控
mRNA
翻译调控
蛋白质前体
翻译后加工调控
mRNA降 解物
mRNA降解调 控
活性蛋白质
三、染色体水平上的调控
主要有:
染色质结构
DNA在染色体上的位臵
人的β-珠蛋白基因簇上、下游两个远侧区域就是 超敏感位点 LCR是一种远距离顺式调控元件(基因座调控区), 具有增强子和稳定活化染色质的功能,也是特异 性反式调控因子的结合位点
组蛋白的乙酰化能使染色质对DNaseⅠ和微球
菌核酸酶的敏感性显著增强
非组蛋白
与染色质松散结合,或者在某些条件下才能
被阻遏状态
有活性状态
被激活状态
异染色质化
— DNA结构高度致密,处于阻
遏状态,无转录活性
组成型异染色质:染色质在整个细胞周期一直
保持压缩状态,不具转录活性
兼性异染色质:只在一定的发育阶段或者生理
条件下由常染色质凝聚而成,无持久活性
组蛋白对基因活性的影响
是基因活性的重要调控因子,当与裸露DNA混
真核生物基因的表达调控

细胞周期与基因表达
G1期
细胞在G1期主要合成与DNA 复制有关的蛋白质,如复制因 子等。
G2期
G2期细胞主要合成与分裂期有 关的蛋白质,如微管蛋白等。
细胞周期
真核生物细胞周期分为间期和 分裂期,不同时期基因表达DNA的复制,同 时合成组蛋白等与染色体组装 有关的蛋白质。
翻译和后翻译修饰
翻译
mRNA在细胞质中被核糖体读取并翻译成蛋白质。翻译的效率受到多种因素的 影响,包括mRNA的浓度、核糖体的数量、以及各种翻译调控因子。
后翻译修饰
新合成的蛋白质经常需要进行翻译后修饰,如磷酸化、乙酰化、糖基化等,以 增加其活性和稳定性。这些修饰通常由特定的酶催化,并受到细胞内环境和信 号通路的调节。
肾上腺素
02
03
甲状腺激素
肾上腺素可以激活糖原分解和脂 肪分解相关基因的表达,提高能 量供应。
甲状腺激素可以促进细胞代谢, 提高基础代谢率,同时还可以影 响神经系统的发育。
神经递质对基因表达的调控
多巴胺
01
多巴胺可以影响奖赏和愉悦相关基因的表达,与成瘾行为和心
理健康有关。
5-羟色胺
02
5-羟色胺可以影响情绪和行为,与抑郁症和精神分裂症等精神
染色质重塑
染色质重塑是基因表达调控的另一重要机制,通过改变染色质的结构和组成,影响转录因 子的结合和RNA聚合酶的活性。
microRNA的调节
microRNA通过与mRNA结合,调控靶基因的表达水平,参与多种生物学过程,如发育、 代谢和应激反应等。
02
转录水平的调控
转录因子
1 2 3
转录因子概述
葡萄糖
葡萄糖水平可以影响胰岛素的分 泌,进而影响与胰岛素相关的基 因表达。
真核生物基因的转录调控方式

真核生物基因的转录调控方式细胞中转录调控是真核生物基因表达的重要环节,它能使每个基因起到预期的功能。
真核生物基因的转录调控主要有以下几类:一、前体RNA调控1. 终止核糖体调控。
终止核糖体结合蛋白在前体RNA的3'末端可以抑制RNA启动子的功能,从而阻止mRNA的生成和翻译,实现终止的作用。
2. 内源性核小体调控。
除了内源性核小体对前体RNA的调控,其还和终止核糖体及非终止核糖体形成复合物,在前体mRNA的转录前期,延长mRNA的保留时间,促进表达蛋白的合成。
3. 干扰素调控。
干扰素是一种由 RNA 结构构成的多肽,可以和 mRNA 或其前体结合,实现调控效果,从而对 mRNA 的合成起到调节作用。
二、转录因子调控1. 单钩螺旋蛋白调控。
这类蛋白在细胞内以巨噬细胞因子的形式表现出来,可以直接结合 DNA,起到调控基因组的作用。
2. 二聚体蛋白调控。
二聚体蛋白可以将 DNA 上的高等水平信息转化为转录因子和 DNA 直接相互作用,从而调控基因组的表达。
3. 转录因子激活。
转录因子可以通过多种化学反应产生激活,从而激活该基因的转录和转录调控因子本身的转录,从而调控基因表达。
三、转录起始调控1. 启动子调控。
启动子位于 DNA 前体或基因的 5' 末端,可以与转录因子结合,影响RNA合成和翻译的起始,并调节其强度。
2. 增强子调控。
增强子是RNA调控的另一种重要机制,它可以将转录因子和 DNA 结合,从而促进转录的开始和调节的强度。
3. 转录抑制子调控。
转录抑制子是一种抑制基因表达的调控机制,它可以限制转录启动子的激活,从而达到抑制基因表达的作用。
以上就是真核生物基因转录调控的几类方式。
转录调控在真核生物细胞起到了重要的作用,其不仅可以影响基因的转录,而且还能影响基因表达的开始、中止和转录水平,从而控制机体中蛋白质的数量、形态和功能,对人类健康和疾病的发病机制和治疗具有重要的借鉴意义。
真核基因表达调控的一般规律

(5) mRNA5 ′端非编码区长度对翻译的影响
铁结合调节蛋白
3′
3′
翻译起始因子(eIF2)的调控
2. mRNA稳定性调节
3′端非编码区结构影响其稳定性:重复 AUUUA序列,引起mRNA 不稳定;
蛋白因子的结合可改变mRNA的半衰期.
3.小分子RNA对翻译水平的影响(反义RNA)
真核生物基因多层次表达调控
一. DNA水平的调控* 二. 转录水平的调控----最重要 三. 转录后水平的调控* 四. 翻译水平的调控 五. 翻译后水平的调控*
一. DNA水平的调控
(1) 染色质的丢失 (2) 基因扩增 (3) 基因重排 (4) DNA甲基化 (表达降低, X染色体失活中心) (5) 染色体结构 (常染色质 和 异染色质)
3. 转录后的基因沉默(RNA干涉)
Posttranscriptional gene silencing (PTGS) = RNA interference(RNAi)
1. mRNA的选择性剪接
(1)内含子和外选子的选择
1. mRNA的选择性剪接
(2) 转录终止信号的选择
RNAi (RNA干扰)
去甲基化,转录 失活 甲基化,失活
•常染色质:结构松散, 基因表达
•异染色质:结构紧密, 基因不表达
•有基因表达活性的染 色质DNA对 DNaseⅠ 更敏感,即DnaseⅠ的 敏感性可作为该基因 的转录活性的标志。
二. 转录水平的调控---最重要
转录起始--反式作用因子活性调节 顺式作用元件 和 反式作用因子的相互作用; 以正调控为主
1.线虫、昆虫、哺乳动物、植物和真菌
3.生物学功能:细胞内免疫,阻止外源病毒 和核酸的入侵,阻断逆转作子的作用。
【教学】第七章 真核生物基因的表达调控

一、基因丢失(Gene loss)
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。 例如:在蛔虫胚胎发育过程中,有27%DNA丢失。在高
编辑ppt
2、组蛋白和核小体对基因转录的影响
组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。组蛋 白与DNA结合阻止DNA上基因的转录,去除组 蛋白基因又能够恢复转录;
核小体结构影响基因转录,转录活跃的区域也 常缺乏核小体的结构。
编辑ppt
第三节 转录水平的基因表达调控
( Transcriptional Regulation )
翻译水平的调控 Translational Regulation
蛋白质加工水平的调控 Protein maturation and Processing
编辑ppt
第二节 DNA水平的基因表达调控
(Gene Regulation at DNA level)
❖基因丢失 ❖基因扩增 ❖基因重排 ❖DNA甲基化状态与调控 ❖染色体结构与调控
⑥ 许多增强子还受外部信号的调控, 如:金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强 子,就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。
编辑ppt
增强子的作用原理是什么呢?
增强子可能有如下3种作用 机制:
① 影响模板附近的DNA双螺 旋结构,导致DNA双螺旋弯 折或在反式因子的参与下, 以蛋白质之间的相互作用为 媒介形成增强子与启动子之 间“成环”连接,活化基因 转
1、根据基因表达调控的性质可分为两大类:
第一类是瞬时调控或称为可逆调控,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,及细胞周期不同 阶段中酶活性和浓度的调节。
简述真核生物基因表达调控过程

简述真核生物基因表达调控过程真核生物基因表达调控过程是指在真核生物细胞中,如何通过一系列的调控机制,将基因中的遗传信息转化为蛋白质,以实现细胞功能的正常发挥。
基因表达调控过程可以分为转录调控和转录后调控两个阶段。
在转录调控阶段,首先是在细胞核中进行转录。
细胞核中的DNA被RNA聚合酶酶识别并解链,形成单链mRNA。
但并不是所有基因都会被转录,细胞会根据需要选择性地进行转录。
这是通过转录因子的作用来实现的。
转录因子是一类能够与DNA特定序列结合的蛋白质,它们能够促进或抑制转录的进行。
转录因子的结合位点位于启动子区域,当转录因子结合到启动子区域时,会引发一系列的反应,包括启动RNA聚合酶的活性和引导其结合到合适位置上,从而促使转录的进行。
转录因子的表达受到多种因素的调控,如细胞内的信号分子、细胞周期等。
转录后调控是指在mRNA合成后,通过一系列的调控机制来决定其在细胞中的命运。
mRNA在合成后需要经过剪接、修饰和运输等过程。
剪接是指将mRNA中的内含子去除,将外显子进行连接的过程。
通过剪接的不同方式,可以生成不同的mRNA亚型,从而在翻译过程中产生不同的蛋白质。
修饰是指在mRNA上加上帽子和尾巴等化学修饰,这些修饰可以保护mRNA不被降解,并帮助mRNA与翻译机器结合。
运输是指mRNA离开细胞核,进入到细胞质中,进一步参与翻译过程。
这个过程受到RNA结合蛋白的调控。
在翻译过程中,mRNA被核糖体识别并翻译成蛋白质。
这个过程也受到多种调控机制的影响。
一方面,mRNA上的启动子序列会影响翻译的起始位置,从而决定蛋白质的翻译起始位点。
另一方面,mRNA的稳定性也会影响翻译的效率和蛋白质的表达水平。
mRNA 的稳定性受到RNA结合蛋白和非编码RNA的调控。
总的来说,真核生物基因表达调控过程是一个复杂而精细的调控网络。
通过转录调控和转录后调控的相互作用,细胞可以根据内外环境的需要,在不同的时空位置上产生不同类型的蛋白质,以实现细胞功能的正常发挥。
真核生物基因表达调控的层次

真核生物基因表达调控的层次引言:基因表达调控是指基因转录和翻译过程中的调节机制,它决定了细胞在不同时间和环境中产生不同功能的蛋白质。
真核生物基因表达调控具有多个层次,包括染色质结构调控、转录水平调控、RNA加工和转运调控、翻译调控以及蛋白质修饰和定位调控。
本文将就这些层次进行详细介绍。
一、染色质结构调控:染色质结构调控是指通过改变染色质的结构和组织方式来调控基因表达。
染色质的结构包括开放的区域和紧密的区域,开放的区域便于转录因子的结合和启动子的访问,从而促进基因的转录。
染色质结构调控包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA的参与等。
DNA甲基化是一种常见的染色质结构调控方式,通过甲基化酶催化DNA上的甲基化反应,使得某些基因的启动子区域被甲基化,从而阻止转录因子的结合。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等,这些修饰可以改变染色质的结构,影响基因的转录水平。
非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA分子,它可以通过与染色质相互作用来调控基因的表达。
二、转录水平调控:转录水平调控是指在转录过程中对RNA合成的调控。
转录调控涉及到转录因子的结合、启动子的可访问性以及转录复合物的组装等。
转录因子是一类蛋白质,它们可以通过与DNA结合来调控基因的转录。
转录因子的结合位点通常位于启动子区域,它们可以通过激活或抑制转录的方式来调控基因的表达。
启动子的可访问性是指转录复合物能否顺利结合到启动子上,这涉及到染色质的开放程度以及转录因子的作用。
转录复合物的组装包括RNA聚合酶与转录因子的结合以及其他辅助因子的参与,这些因子的作用可以影响基因的转录速度和效率。
三、RNA加工和转运调控:RNA加工和转运调控是指在RNA合成后对RNA分子的修饰和定位调控。
RNA加工包括剪接、剪切和多聚腺苷酸化等过程,这些过程可以改变RNA的结构和功能。
剪接是指将RNA前体分子中的内含子剪切掉,从而形成成熟的mRNA分子。
剪切的方式和位置不同,可以产生不同的转录产物。
真核基因表达调控的五个水平

真核基因表达调控的五个水平真核基因表达调控是指在真核生物中,通过一系列的调控机制来控制基因的表达。
这些调控机制可以分为五个水平:染色质水平、转录水平、RNA加工水平、转运水平和翻译水平。
染色质水平是指通过改变染色质的结构和状态来调控基因表达。
在真核生物中,染色质通常会以一种紧密的形式存在,称为紧密染色质。
这种紧密染色质不容易被转录因子识别和结合,从而抑制基因的转录。
而在某些特定的时机,染色质会发生松弛,使得转录因子能够更容易地与基因的启动子结合,从而促进基因的转录。
这种染色质的结构和状态的改变可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等机制来实现。
转录水平是指通过调控转录过程来控制基因表达。
转录是指将DNA 中的基因信息转录成RNA的过程。
在转录过程中,转录因子会结合到基因的启动子区域,通过与RNA聚合酶的相互作用来启动和调节转录过程。
转录因子的结合位置和数量可以影响基因的转录水平。
此外,还有一些转录调控因子可以通过与转录因子相互作用,调节其活性和稳定性,从而进一步调控基因的转录。
RNA加工水平是指通过对转录后的RNA分子进行剪接、修饰和降解等加工过程来调控基因表达。
在转录后,RNA分子需要经过剪接来去除其中的内含子序列,形成成熟的mRNA分子。
剪接的方式和位置可以影响基因的表达模式。
此外,还有一些修饰酶可以对RNA 分子进行修饰,如加上甲基或磷酸基团,从而影响其稳定性和功能。
另外,RNA分子还会受到RNA降解酶的作用,从而降解掉一部分RNA分子,进一步调控基因的表达水平。
转运水平是指通过调控RNA分子的运输和定位来调控基因表达。
在真核生物中,RNA分子需要通过核孔复合体来从细胞核转运到细胞质,然后再到达特定的亚细胞位置。
在细胞质中,RNA分子可以与翻译机器相互作用,从而进一步调控基因的翻译。
此外,还有一些RNA分子可以通过与RNA结合蛋白相互作用,形成RNA颗粒体或RNA复合体,从而影响RNA的稳定性和功能。
分子遗传学4章真核生物基因的表达调控

基因剪接调控
预mRNA剪接
预mRNA剪接是基因表达的重 要调控过程,通过剪接酶体复 合物对转录产物进行剪接去除 内含子。
可变剪接
可变剪接是在剪接过程中选择 性地包含或排除外显子,产生 不同的mRNA剪接异构体,从 而调控基因表达。
RNA编辑调控
RNA编辑是通过改变RNA分子 中的碱基序列,例如腺嘌呤去 氨酶(ADAR)对腺嘌呤进行 去氨基反应。
分子遗传学4章真核生物基因 的表达调控
本章将探讨真核生物基因的表达调控机制,从转录调控到表观遗传调控,深 入了解生物基因活性的细节。
分子遗传学简介
分子遗传学研究基因如何传递、表达和调控。它涉及DNA、RNA和蛋白质的 相互作用,以及遗传信息的复制和遗传变异。
真核生物基因的表达调控概述
真核生物的基因表达调控机制非常复杂而多样化,包括转录调控、基因剪接调控、RNA后转录调控、表 观遗传调控和激素调控。
RNA后转录调控
非编码RNA
非编码RNA在转录后起重要作用,如长链非 编码RNA(lncRNA)和小核RNA (snRNA)。
RNA降解和稳定性
RNA的降解和稳定性受多种因素调控,确保 RNA分子在合适的时机和地点进行降解和稳 定。
RNA剪切调控
RNA剪切调控是RNA后转录调控的一种重要 机制,通过调整可剪切RNA的相对剪切位点 来调控基因表达。
RNA编辑调整
通过RNA编辑,已转录的RNA分子的核苷酸 序列可以发生改变,扩大RNA的多样性。
表观遗传调控
表观遗传调控通过改变染色质结构和DNA甲基化状态,调节基因的可及性和 表达。
激素调控
激素在基因表达调控中起着至关重要的作用,通过与核受体结合来调节基因 表达。
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2020/7/6
• 真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决定基因表达调控上 的巨大差别。
• 原核生物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 长的条件,或使细胞在受到损伤时,尽快得到修复,所以,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。
• 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。人类细胞单倍体基因组就包含有 3×109bp总DNA,约为大肠杆菌总DNA的1000倍,是噬菌体总 DNA的10万倍左右!
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。
2020/7/6
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。
(2) DNA顺序重复
• 轻度、中度、高度重复序列三种:
• 轻度重复序列:单拷贝基因;一个基因组中有一个或几个拷贝 的序列;例如结构基因基本上属于不重复序列,如蛋清蛋白、 蚕的丝心蛋白等。
• 中度重复序列:l0个至几百个拷贝的序列;各种rRNA、tRNA及 某些结构蛋白基因(如组蛋白基因)。
• 高度重复序列:从几百到几百万个,通常说的卫星DNA就属于 高度重复序列。
用DNA酶I处理各种组织的染色质时,发现处于活跃状态 的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。
鸡成红细胞(erythroblast)染色质中,β-血红蛋白基因比 卵清蛋白基因更容易被DNA酶I切割降解。
鸡输卵管细胞的染色质中被DNA酶I优先降解的是卵清蛋白 基因,而不是β-血红蛋白基因。
2020/7/6
• 真核基因表达调控的最显著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在一定 的环境条件范围内保持正常功能。
2020/7/6
真核生物基因调控,根据其性质可分为两大类:
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,包括某种底物或激素水平升降及细胞周期 不同阶段中酶活性和浓度的调节。
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• 7. 1. 1 基因的典型结构及特点
(1)染色体结构复杂 由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。 • 其基本结构物质是DNA和组蛋白。
• 核小体是染色质的基本单位。
• 真核染色体上三要素: DNA复制起始点、着丝点 (centromere)和端粒(telomere)。
目前通用的酵母人工染色体(YAC)以及正在研制的哺乳动物细 胞人工染色体(MAC)就是以此为基础, 再加自主复制序列 (A202R0/7/6S)、选择标记和插入位点组建的。
• 真核生物基因的不连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又 一重2020要/7/6特征。
在真核生物中也有些基因是不含内含子的,如组蛋白基因及 α型、β型干扰素基因 、大多数酵母蛋白基因等。
在一个结构基因中,编码某一蛋白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(interrupted gene)。
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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“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。
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。
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 向转录,每个基因的转录与翻译速度都受到调节。 研究还表明,在一个特定的细胞中,并不是所有串联的单位都得到转录。 胚胎发育的不同阶段或不同组织中,有不同的串联单位被转录,暗示可 能存20在20/7/具6 有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。
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7.1.3.3.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。
真核生物 最典型的例子是免疫球蛋白在成熟过程中的重排 以及酵母的交配型转变.
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构基通因过和基T-因细重胞排受调体节基基因因的活表性达的,典前型者例是子由是B淋免巴疫细球胞蛋合白成结 的,而后者则由T-淋巴细胞合成。抗体有100万种以上,一 种淋巴细胞只产生一种抗体
(5)存在串联重复基因 • 其特点是各成员之间有高度的序列一致性甚至完全相同,
拷贝数高、非转录的间隔区短而一致。组蛋白基因、rRNA 基因、tRNA基因都是串联重复基因,这些基因的产物在细 胞中都是大量需要的。
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7.1.3 真核生物DNA水平上的基因表达调控
分子生物学的最新研究表明,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。
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。前rRNA分子
中至少有100处被甲基化(主
要是核糖的2-OH甲基化),
原始转录产物也被特异性
RNA酶切割降解,产生成熟
rRNA分子。5S rRNA作为一
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个独立的转录单位,由RNA 聚合酶III(而不是聚合酶I)
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7.1.3.2.基因扩增 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象,它使细胞 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。
1 . 基因的扩增(amplification)
两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增非洲爪蟾的染色体上有约450拷 贝编码18Sr RNA和28S rRNA的DNA,在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了1000 倍.一旦卵母细胞成熟,多余的rDNA就没有用了,将被逐渐降解。受精之 后,染色体DNA开始复制,并通过有丝分裂的方式,不断扩大细胞群体。 在此期间,多余的rDNA继续被降解,直到分裂产生几百个细胞时,rDNA 的过剩现象就不复存在了。
7.1.3.1.“开放”型活性染色质(active chromatin)结构对转录的影响
真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生之 前,染色质常常会在特定的区域被解旋松弛,形成自由DNA。 这种变化可能包括核小体结构的消除或改变,DNA本身局部结 构的变化等,这些变化可导致结构基因暴露,促进转录因子与 启动区DNA的结合,诱发基因转录。
高度重复基因的形成通常与个体分化阶段DNA的某些变化 有关。例如,一个成熟的红细胞能产生大量的可翻译出成熟 珠蛋白的mRNA,而其前体细胞却不产生珠蛋白。许多情况 下,这种变化是由于基因本身或它的拷贝数发生了永久性变 化。
这种DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式,它 包括了基因丢失、扩增、重排和移位等方式,通过这些方式 可以消除或变换某些基因并改变它们的活性。这些调控方式 与转录及翻译水平的调控是不同的,因为它使基因组发生了 改变。 2020/7/6
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7.1.4 DNA甲基化与基因活性的调控
DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,这一修饰途径可能存在于所 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,去甲基化则诱导 了基因的重新活化和表达。
DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋 白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。研究证实,CpG二核苷酸 中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。
目前尚不清楚内含子的生理功能。研究发现,只有真核生物 具有切除基因中内含子,产生功能型mRNA和蛋白质的能力, 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。2020来自7/62020/7/6
(4) 存在许多基因家族(gene family)
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免疫球蛋白的肽链主 要由可变区(V区)、 恒定区(C区)以及 两者之间的连接区 (J区)组成
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V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋 白的细胞发育分化时,通过染色体内DNA重组把4个相隔较远 的基因片段连接在一起,从而产生了具有表达活性的免疫球蛋
白基因。
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?
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真核基因组的一般构造特点
① 在真核细胞中,一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽 链,不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA都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。
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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在真核生物中基因表达的调节其特点是: (1)多层次; (2)无操纵子和衰减子; (3)个体发育复杂; (4)受环境影响较小;
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• 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、