第7章 真核基因表达调控-上

PS DNA
外显子 S
PL
外显子 L
外显子 2
外显子 3
50b
2800bp
161bp
4500bp
205bp 327bp
初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA
2.1简单基因家族
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作为一个 独立的转录单位，由RNA 聚合酶III（而不是聚合
第七章 真核基因表达调控
绪论 第一节 真核基因组的一般构造特点 第二节 DNA水平上的基因表达调控 第三节 真核基因的转录 第四节 反式作用因子对转录的影响 第五节 蛋白质乙酰化对基因表达的影响 第六节 真核基因表达调控举例 第七节 真核基因转录后表达调控的多样性
概述
在真核生物中基因表达的调节其特点：
Z region
TTTCAGCTTTC CGCAACAGTATA AAAGTCGAAAG GCGTTGTCATAT
HO endonuclease
TTTCAGCTTTC CGCAACA
GTATA TTGTCATAT
AAAGTCGAAAG GCG
HO核酸内切酶在Y-Z的交界处剪切产生了4b的单链末端
酵母中交配型转换的机制
＋
强
—
强
+
DNA甲基化对基因转录的抑制作用
第二节 DNA水平上的基因表达调控
DNA的甲基化提高了该位点的突变频率
5-mC主要出现在5’-CpG-3’， 5-mC脱氨后生产的胸腺嘧 啶T，不易被识别和矫正。在DNA分子中引入可遗传的C→ T突
变，若发生在DNA功能区域，可造成基因表达的紊乱。
由于CpG甲基化增加了胞嘧啶残基突变的可能性， 5-mC 也作为内源性诱变剂或致癌因子调节基因表达。
酶I）完成转录。
2.2复杂多基因家族
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 在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。
蛋白质加工水平的调控（regulation
绪论
绪论
概述

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、
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？
第一节 真核基因组的一般构造特点
1.真核细胞与原核细胞在基因表达方面的差异
部分黑色和不转录部分白色扩
滚环复制 扩增
增，涉及一个染色体外环状拷
贝的形成。该拷贝含有数目可
变的重复，通过多轮的滚环复 制而扩增。
成线状并整合进基因组
第二节 DNA水平上的基因表达调控
3.基因重排与变换
3.1将一个基因从远离启动子的地方移到距离它很近的 位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。
Ig的基因结构 κ 链：Vκ (约100个)、 Jκ (5个)、 Cκ (1个) λ 链：Vλ (约30个)、 Jλ -Cλ (4个) H链： V基因(约95个) D基因(27个) V区 可变区 J基因(6个) C基因(9个) 恒定区
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500拷贝编码18S r RNA和28S r RNA的DNA（rDNA），在卵 母细胞中它们的拷贝数扩大了1000倍。
染色体rDNA重复 复制并环化
两栖类卵母细胞中基因扩
染色体外环状DNA
增的滚环模型。染色体的rDNA
基因呈串联排列，含有可转录
第一节 真核基因组的一般构造特点
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（maturation and splicing），才能顺利地翻 译成蛋白质。
第一节 真核基因组的一般构造特点
第二节 DNA水平上的基因表达调控
4.DNA甲基化与基因活性的调控
4.1DNA的甲基化 在许多基因调控区域有一种结构，其GC含量较高， 其序列的基本单元为CpG的二聚核苷酸，成串出现在DNA 上，称为CpG岛。在一般正常的细胞中，CpG成分处于非
甲基化的状态。而当这些CG区域呈现甲基化状态时，会
抑制相关基因的表达。
第二节 DNA水平上的基因表达调控
4.DNA甲基化与基因活性的调控
4.3DNA甲基化与X染色体失活 雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育 早期随机失活，以确保与只有 一条X染色体的雄性个体X染
色体基因的剂量相同。
第二节 DNA水平上的基因表达调控
4.DNA甲基化与基因活性的调控
4.3DNA甲基化与X染色体失活 在失活的片段上可能存在着一个失活中心，另 一片段很可能由于缺乏核心区域而保持活性。该核
第二节 DNA水平上的基因表达调控
表 18-1 交配型控制的各种活性 MATa MATα MATa/ MATα a α a/α 是 是 不 不 不 可 a 因子 α 因子 无 结合α 因子 结合 a 因子 无
细胞型 交配 孢子形成 外激素 表面受体
第二节 DNA水平上的基因表达调控
HMLα MATa HMRa 3号染色体 核酸内切酶HO HMLα 切割双链DNA HMRa
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。 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。
心区被称为X染色体失活中心(Xic)。失活的染色体
上绝大多数基因都处于关闭状态，DNA序列呈高度甲 基化。
第二节 DNA水平上的基因表达调控
4.DNA甲基化与基因活性的调控
4.3DNA甲基化与X染色体失活
Xist基因只在失活的X染色体上表达，而不在活
性的X染色体上表达。Xist RNA分子能与Xic位点相 互作用，引起后者构象变化，更容易与各种蛋白因 子相结合，最终导致X染色体失活。

多层次 无操纵子和衰减子 个体发育复杂 受环境影响较小
概述
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。
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。
Xist甲基化与X染色体失活
Xist
甲基化、不转录 去甲基化、转录 X染色体 活性 失活 其他位点 去甲基化，活性 甲基化，失活
第二节 DNA水平上的基因表达调控
5’ 超敏感位点 ε Gγ Aγ ψβ
1
3 ’ 超敏感位点 δ β
0
10
20
30
40
50
60
70
80Kb
图 18-38 在珠蛋白功能区的两端被超敏感位点所标记。5’ 端一组位点含有 LCR，此对于这个基因簇 中的各基因的功能来说都是必要的。(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .29.18)
用同裂酶检测甲基化位点
第二节 DNA水平上的基因表达调控
甲基化酶活性 日常型甲基转移酶
在甲基化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。 特异性强、亲和力高、速度快。 从头合成型甲基转移酶 催化未甲基化的CpG成为mCpG，它不需要模
板指导，速度很慢。
第二节 DNA水平上的基因表达调控
Ig的结构
第二节 DNA水平上的基因表达调控
3.基因重排与变换
3.2在很多真菌中其有性生殖的过程都需要不同交配型， 如酵母的a型和α 型的菌株相互接合才能产生二倍体的合
子，相同的交配型之间是不能接合的。某些品系的酵母
具有转换交配型的能力，即从a型变成为α 型，或从α 型 转变为a型，这一过程被称为交配型转换，有时也被称为 基因转换。
4.DNA甲基化与基因活性的调控
4.2DNA甲基化抑制基因转录的机理
DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响
了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动 区DNA的结合效率。甲基引入不利于模板与RNA聚合 酶的结合，降低了其体外转录活性。
启动子强度
弱
甲基化
—
低密度CpG
高密度CpG
弱
DNA酶I超敏感位点，其存在是转录起始的必要 条件，但不是充分条件 。
灯刷染色体为二减数
分裂染色体，在灯刷染色
体中两对(四个)染色单体 通过交叉连在一起。
存在于活性染色质区ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ DNA环状结构
第二节 DNA水平上的基因表达调控
2.基因的扩增（amplification）
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产发 育的需要，是基因活性调控的一种方式。
果蝇和海胆的组蛋白基因家族
第一节 真核基因组的一般构造特点
2.真核基因的断裂结构
2.1外显子与内含子
2.2外显子与内含子的连接区
2.3外显子与内含子的可变调控 组成型剪接：有些真核基因，能将原始转录产物精确 地剪接成一种成熟的mRNA，编码一个多肽。 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地过程。
沉默子──某些基 因含有的一种负性调
节元件，当其结合特
基因转换
异蛋白因子时，对基 因转录起阻遏作用。
HMLα
MATα
HMRa
酵母中的交配型转换
第二节 DNA水平上的基因表达调控
酵母中的交配型转换
HMRa W＝723bp X＝704bp Ya＝642bp Z1＝239bp Z2＝88bp Z2
HMLα
2.基因家族
真核细胞的DNA是单顺反子结构，很少有置于 一个启动子的控制之下的操纵子。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 (gene family)。
第一节 真核基因组的一般构造特点
2.基因家族
2.1简单基因家族：基因一般以串连方式前后相连。 2.2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。 2.3发育调控的复杂多基因家族：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。(P284)
W＝723bp
X＝704bp
Yα＝642bp
Z1＝239bp
MATα
W
X
Yα
Z1
Z2
MATa
W
X
Ya
Z1
Z2
每种暗盒都有共同的序列，侧翼序列W、X和Z夹着中心
区Y。在a和α型暗盒中仅Y区域是不同的，分别称为Ya和Yα。
中心区的两侧区域本质上都是相同的，仅HMRa缺少Z2区。
酵母中交配型转换的机制
Y region
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。
第一节 真核基因组的一般构造特点
第二节 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
真核基因的活性转录是在常染色质上进行的。转
录进行之前，染色质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，从右旋变为左旋 型，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。
概述
转录水平调控（transcriptional regulation）
转录后水平调控（post transcriptional regulation）
RNA加工成熟过程的调控（RNA 翻译水平调控（translational
processing）
regulation） of protein maturation）