现代分子生物学 第七章 真核生物基因表达调控

பைடு நூலகம்


此外，真核细胞中还会发生基因扩增，即基因组 中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。 最早发现的是蛙的成熟卵细胞在受精后的发育过 程中其rRNA基因(可称为rDNA)可扩增2000倍， 以后发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这 很显然适合了受精后迅速发育分裂要合成大量蛋 白质，需要有大量核糖体。又如MTX是叶酸的结 构类似物，一些哺乳类细胞会对含有利用叶酸所 必需的二氢叶酸还原酶(DHFR)基因的DNA区段 扩增4000倍，使DHFR的表达量显著增加，从而 提高对MTX的抗性。基因的扩增无疑能够大幅度 提高基因表达产物的量，但这种调控机理至今还 不清楚。

②复杂多基因家族
复杂多基因家族由几个基因家族构成，其 间由间隔序列隔开。 ● 组蛋白基因家族 5个基因组成串联单位且重复1000多次 串联单位中每个基因分别转录成单顺反 子RNA，这些的RNA都无内含子，在一条 DNA一按同一方向转录。

③发育控制的复杂多基因家族


珠蛋白基因家族 人类发育阶段中血红蛋白组成的变化： 所有动物血红蛋白基因的基本结构相同，但在个 体发育不同时期却出现不同形式的亚基。


由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高 等真核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类 基因组中约存在4万个CG 序列，大多位于转录单 元的5'区。 没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被 氧化成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢 复成C。已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它 就变为T, 无法被区分。因此, CpG序列极易丢失。
研究基因调控主要应回答的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、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？
一、 真核基因组的一般构造特点




1、真核基因组的复杂性 ▲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 因，人则约有10万个基因。 ▲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。 ▲原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核 基因组是二倍体。
酵母细胞的“交配型转换”（基因转换） （P249图）

7、DNA甲基化与基因表达




DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一， 可能存在于所有高等生物中。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甲基化的主要形式 5-甲基胞嘧啶，N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟 嘌呤。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出 现在CpG和CpXpG中。 原核生物中CCA/TGG和GATC也常被 甲基化。
外显子与内含子连接区：外显子与内含子的交界或边界序列，特征：
内含子两端序列不能互补，其上游和下游序列不能形成发卡结构，连 接区序列很短，但却高度保守，可能是RNA剪切的信号序列。
外显子与内含子的可变调控： 组成性剪接：基因转录产物精确剪接成一种mRNA 选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形 成不同的mRNA
2、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。 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。


4.DNA拓扑结构变化：天然双链DNA的构象大多 是负性超螺旋。当基因活跃转录时，RNA聚合酶 转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面 的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体， 有利于RNA聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋 则有利于核小体的再形成。 5.DNA碱基修饰变化：真核DNA中的胞嘧啶约有 5%被甲基化为5－甲基胞嘧啶，这种甲基化最常 发生在某些基因5′侧区的CpG序列中，这段序列 甲基化可使其后的基因不能转录，甲基化可能阻 碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录。 如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶， 小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的 甲基化对基因表达调控是重要的。
第 七 讲
真核基因表达调控
本章主要内容


绪论 一、 真核基因组的一般构造特点 二、 真核基因的转录 三、 反式作用因子对转录的影响 四、 真核基因表达调控的主要模式 五、其它水平上的基因调控
绪论


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！ 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。
4、真核生物基因家族


①简单多基因家族 ● rRNA基因家族
原核生物中16S、23S、5S的rRNA基因联合为一 个转录单位，细菌所有rRNA和部分tRNA都来自 30S的前体rRNA 真核生物中18S、28S、5.8S的rRNA包括在45S 的前体rRNA分子中，经甲基化后被特异的RNA切 割酶切割而成。
6、真核生物DNA水平上的基因表达调控

1、开放型活性染色质结构对转录的影响 转录前染色质在特定区域发生核小体结构的消除 或改变、DNA本身局部结构变化、DNA从右旋到左 旋转变等，促使结构基因暴露而诱发基因转录.
处于活跃状态的基因的在染色质上有一个或数个 DNA酶I敏感位点（多位于5‘端启动区）比非活跃 态基因易被DNA酶I所降解。 DNA酶I敏感位点的 产生是染色质结构规律变化的结果，该变化使DNA 易与RNA聚合酶和其它转录调控因子结合，从而启 动基因表达，也易被DNA酶I所降解。

2、基因扩增
卵母细细胞形成发育过程中，基因（如 rDNA）大量扩增以满足大量蛋白质的需要。 例：非洲爪蟾及果蝇卵母细细胞发育

3、基因重排与变换 将一个基因从远离启动子处移到距它很 近的位点从而启动转录。 例：免疫球蛋白结构基因和T－细胞受体 基因的表达


在所有物种中，胚系Ig基因的构成基本上相 同。Ig重链和轻链(λ和κ链)基因座都由多个 编码V区(可变区）和C区（恒定区）蛋白质 的基因组成，并被非编码的DNA（连接区， J区）所分隔。 V、C、J区在胚胎期细胞中相距较远，细胞 发育分化时，免疫球蛋白重链基因DNA重排， 大量间隔序列被切除，使位于J-Cμ之间的增 强子序列得以发挥作用，增强基因转录。


▲细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基 因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子的 mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA，即mRNA是单顺反子，基本上没有操纵元的结 构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形 成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。 ▲原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂 交等实验表明：哺乳类基因组中仅约10%的序列为蛋白 质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今 还不清楚。 ▲原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连 续的，而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续 的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经 剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质， 这就增加了基因表达调控的环节。
(2)真核基因的转录与染色质的结构变化相关



1.染色质结构影响基因转录：松散的常染色质中 的基因可以转录。紧凑折叠结构的异染色质从未 见有基因转录表达，可见紧密的染色质结构阻止 基因表达。 2.组蛋白的作用：组蛋白是碱性蛋白质，带正电 荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从 而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非 特异性阻遏蛋白的作用。 3.转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加：高敏 感点常出现在转录基因的5′侧区、3′末端或在基 因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区 域核小体的结构发生变化，可能有利于调控蛋白 结合而促进转录。



真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： 一种被称为日常型甲基转移酶，另一种是 从头 合成型甲基转移酶。 前者主要在甲基化母链（模板链）指导下 使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧 啶相对应的胞嘧啶甲基化。后者催化未甲基化 的CpG成为m CpG，速度很慢。 日常型甲基转移酶常常与DNA内切酶活性 相耦联，有3种类型。II类酶活性包括内切酶和 甲基化酶两种成分，而I类和III类都是双功能酶， 既能将半甲基化DNA甲基化，又能降解外源无 甲基化DNA。

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RNA聚合酶与它的结合。 ⑥ 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经 转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋 白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。 ⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟 和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质
(3)真核基因表达以正性调控为主