基因的转录

组蛋白 （海胆）
组蛋白 （果蝇）
H1
H4
H1
H2B
H3
H2A
H1
重复单位
H3
H4
重复单位
H2A H2B
c、发育调控的复杂多基因家族
血红蛋白是一个具有两条α链和两条β链的四聚体蛋白质。然而，在生物体发育 的不同阶段，却出现有一个或几个氨基酸差别的几种不同形式的α和β亚基。下 面图表分别是母体怀孕后不同时期出现的不同亚基及其数量变化情况。
最近在果蝇中也发现基因扩增现象。在卵巢成熟之前，卵巢颗粒细胞 中产生卵壳蛋白的基因被扩增。
C、基因丢失
在细胞分化时，消除某个基因活性的方式之一就是从细胞中出去那个基因。 某些原生动物、昆虫及甲壳纲动物细胞分化过程中就发现有部分染色体丢失现 象。
例如马蛔虫受精卵里只有一对染色体（2n=2），研究发现当个体发育到一定阶段后，在 将分化为体细胞的那些细胞中的这对染色体破碎成许多小染色体。有的小染色体具有着 丝粒，在细胞分裂中得到保留，不具有着丝粒的小染色体因为在以后的分裂中不能分配 到下一代中而丢失。因此，马蛔虫的生殖细胞内保存着个体发育所必需的全部基因（完 整的基因组），而在体细胞核中却失去了一部分基因。
B）反式作用因子对转录的调控 真核生物转录调控大多通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用
而实现的，下面介绍与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。
SP1锌指结构域
Zinc fingers may form α-helices that insert into the major groove,associated with β-sheets on the other side
As the bubble progresses,the DNA duplex reforms behind it,displacing the RNA in the form of a single polynucleotide chain.
During transcription,the bubble is maintained within bacterial RNA polymerase,which unwinds and rewinds DNA,maintains the conditions of the partner and template RNA strands,and synthesizes RNA.
One face of the promoter contains the contact points for RNA
Amino acids in the 2.4 α- helix of σ70 contact specific bases in the nontemplate strand of the -10 promoter sequence.
不同发育阶段血红蛋白亚型
发育阶段
组成
胚胎期(8 周以前) 胎儿期(8~41 周) 成人期(出生以前)
ζ2ε2 、ζ2γ2 和α2ε2 α2γ2
α2δ2 和α2β2
ε
γ
β
1.0
相对单位
0.5
δ
10 20 30 40 受精后的周数
50 60
人体发育过程中不同类型β珠蛋白的浓度变化
人细胞类α-和类β-珠蛋白基因家族已经被克隆，其重复序列也已被测定，证明 单个基因之间存在这可能具有调节功能的重复序列。通过对不同生物珠蛋白基因 家族的研究，可以了解其产生过程及进化压力。
a)Britten-Davidson模型
Britten和Davidson 1969年提出了真核生物但拷贝基因转录调控的模
型。
整合序列
受体序列
（调节基因） （操纵基因）
传感序列
结构序列
b）增强子对转录的影响
增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。 作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质： ①增强效应十分明显，一般使基因转录频率增加10~200倍； ②增强效应与其位置和取向无关； ③大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合 。其内部常含有一个核心序
2、DNA水平上的调控
A、基因家族
真核细胞中许多相关的基因常常按功能成套组合，一套基因就是一个基因 家族。通常分为以下几种：
a、简单多基因家族
不同生物rDNA含有不同的重复单位和间隔区
物种
啤酒酵母 黑腹果蝇 非洲爪蟾 小鼠
重复单位长度/bp
8950 11500~14200 10500~13500
44000
1、染色体水平的调控
A、染色体结构的改变
染色质结构变化影响基因转录
染色质去超螺旋
Tu1
Tu2
基因转录
多线染色体
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 旋或松弛，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，如双螺旋的局部超旋或 松弛，DNA从右旋型变为左旋 型（Z-DNA）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，从而 导致基因转录。
B、基因扩增 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增加的现象，它使得细胞在短
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。
非洲爪蟾的卵母细胞中原有rDNA基因约５００个拷贝，在减数分裂 Ｉ的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线其他的拷贝数达到约２０ ０万个，扩增约４０００倍，可以用来合成1012 核糖体。但在一个特定的 卵母细胞中，不是所有的rDNA 基因都得到扩增，而且所扩增的特定基因 也随不同卵母细胞而有所不同。
因为在高等生物中目前还未观察到基因丢失现象，所以一般认为这种调节方式可能 仅存在于进化程度较低的生物中。当然也不能肯定高等生物中就不发生DNA的丢失。
D、基因的重排与变换
一个基因可以通过从远离其启动子的地方移到距它很近的位点而被启动转 录，这种方式称为重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是小鼠免疫球 蛋白结构基因的表达。
转录间隔取长度/bp
1750 3750~6450 2300~5300
30000
转录产物长度/bp
7200 7750 7875 13400
高等真核生物的18S、5.8S合28S Rrna往往连成一个转录单位，经 过不同的剪切加工形成成熟的rRNA，而5S rRNA作为一个独立的 转录单位，与18S-5.8S-28S转录单位无关。
E.coli sigma factors recognize promoters with different consensus sequences.(Numbers in the name of a factor indicate its mass)
A map of the E.coli σ70 factor identifies conserved regions.Regions 2.1 and 2.2 contact core polymerase,2.3 is required for melting,and 2.4 and 4.2 contact the -10 and -35 promotor elements.The N-terminal region prevents 2.4 and 4.2 from binding to DNA in the absence of core enzyme.
III、基因的转录
基因转录：DNA
Байду номын сангаас
mRNA
The function of polymerase is to copy one strand of duplex DNA into RNA
A transcription unit is a sequence of DNA transcribed into a single RNA ， starting at the promoter and ending at the terminator
Eubacterial RNA polymerase have four types of subunit; α,β,and β’ have rather constant sizes in different bacterial species,but σ varies more widely.
列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是在另一基因附近产生增强效应时所必需的； ④其增强效应应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能
发挥其功能； ⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应； ⑥许多增强子还受外部信号的调控。
增强子原理 两种假说：第一种认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点； 第二种认为，增强子能改变染色质的构象。
b、复杂多基因家族
复杂多基因家族一般有几个相关基因家族构成，基因家族之间有间隔序列 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。
如下图，在海胆的基因组中，5个分别编码不同组蛋白的基因处于一个约为 6000bp的片段中，而且都被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整 个海胆基因组中重复约1000次。每个基因的转录与翻译速度都受到调节。首 先，组蛋白只有在适合于染色体复制的情况下才大量合成；其次，所合成的 H2A、H2B、H3 和H4摩尔数相同， H1的量恰好是前者的一半，这是染色体组 蛋白的实际比例。
The first finger of a steroid receptor controls specificity of DNA-binding (positions shown in red);the second finger controls specificity of dimerization(positions shown in blue).The expanded view of the first finger shows that discrimination between GRE and ERE target sequences rests on two amino acids at the base .
Yeast RNA polymerase has grooves that could be binding sites for nucleic acids.The pink beads show a possible path for DNA that is ~25Å wide and 510Å deep.The green beads show a narrower channel,12-15Å wide and ~20Å deep,that could hold RNA.Photograph kindly provided by Roger Kornberg.
IＶ、真核基因的表达调控
按性质可分为：
第一类 ：瞬时调控或可逆调控 是细胞对环境变化（如底物浓度、激素浓度）的应答；
第二类：发育调控或不可逆调控 细胞的分裂、生长、分化、发育、形态构成等全过程。
按时间可分为：
染色体水平、DNA水平、转录水平、翻译水平、蛋白质加工 水平。
Six steps at which eucaryote gene expression gene can be controlled.
V
DJ
Cμ
Cα
E
未分化细胞
V DJ
Cμ
E
V DJ
Cα
E
Cα 产生Cμ细胞
类型转换 产生Cμ细胞
免疫球蛋白中连基因的组织特一行表达与基因重排
V.可变区 ; D.多态区; J.结合区
3)转录水平上DNA的调控
A、顺式作用元件与反式作用因子 真核基因调控主要是在转录水平上进行的，这一点和原核生物
是相同的，但真核生物没有象原核生物那样的操纵子，以及和操纵子 紧密相邻的调节基因。真核生物的转录受特定顺式作用元件（cisacting element ，又称顺式作用元件）的影响，这类因子（如增强子或 类增强子）大多和它所调控的结构基因保持一定的距离，可能在基因 的上游，也可能在下游。此外，真核生物的转录还受到所谓反式作用 因子（trans-acting factor，或称跨域作用因子）的调控。这类因子是一 些可扩散因子，如一些蛋白质分子或一些激素蛋白质的复合物。
Intrinsic terminators include palindromic regions that from hairpins varying in length from 7 to 20 bp.The stem-loop structure includes a G-C-rich
region and is followed by a run of U residues.