第八章 真核基因表达调控

第一节
真核生物的基因结构与转录活性
一、真核生物的基因结构与转录活性（P282）
• 单顺反子 • 与组蛋白和大量非组蛋白结合，小部分裸露 • 基因不连续性 • 生长发育性 • 转录调节区大 • 转录与翻译存在时空差异
• 成熟与剪接
二、基本概念
（一）基因家族（gene family)
真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，这些基因称 为基因家族。 如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因
第八章 基因的表达与调控(下) —真核基因表达调控的一般规律
主要内容
• 真核生物的基因结构与转录活性 • 真核基因转录机器的主要组成
• 蛋白质磷酸化对基因转录的调控
• 蛋白质乙酰化对基因表达的影响
• 激素与热激蛋白对基因表达的影响
• 基他水平上的表达调控
真核生物基因表达调控的种类：
根据其性质可分为两大类： 一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞 对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底 物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性 和浓度的调节。 二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。 根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为： DNA水平调控－－转录水平调控－－转录后水平调控 －－翻译水平调控－－蛋白质加工水平的调控
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
雌性哺乳动物细胞发育过程中，X染色体随机失活。 Xist基因的表达是决定X染色体失活的关键因素。而表 达与否与甲基化修饰密切相关。
第四节 真核生物转录水平上的基因表达调控
一、真核基因转录 真核基因调控主要也是在转录水平上进行的，受大 量特定的顺式作用元件和反式作用因子的调控，真核生物 的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复 杂的相互作用来实现的。
2、DNA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。 B-DNA Z-DNA
甲基的引入不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低
了转录活性
甲基化密度与启动子强度之间的平衡决定了该启 动子是否具有转录活性。P294
家族
同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇 (gene cluster) ；更多的时候它们分散在同一染色体的不 同部位，甚至不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模
式。
1、简单多基因家族
简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。
2、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。
（三）反式作用因子
1.定义： 能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用 元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率 的蛋白质。
DNA识别或结合域
2、结构
结构域
转录活化结构域
（1）DNA识别或结合域：
1. 螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H） 2. 锌指结构（zinc finger）
非活性染色质是指没有转录活性的染色质。
• 活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有
疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元
件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。
真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是
裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结 构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合酶 能否有效行使转录功能的关键。
见于类固醇激素受体
见于SP1，TF ⅢA等
转录因子SP1 （GC盒） 、连 续的3个锌指重复结构。
3、碱性-亮氨酸拉链
• 二聚体
• 亮氨酸之间相互作用形成
二聚体，形成“拉链” 。
• 肽链氨基端 20 ～ 30 个富含
碱性氨基酸结构域与DNA 结合。
•这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱 性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。
“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或 功能RNA所必需的全部核苷酸序列。
（二）顺式作用元件
定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 例： 启动子、增强子、沉默子等 1. 启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、 结合并导致转录起始的序列。 核心启动子和上游启动子元件（UPE） 决定RNA聚合酶II转录起始点和转录频率的关键元件
果蝇
海胆
Organization of histone genes in the animal genome
3、发育调控的复杂多基因家族
• 血红蛋白基因
• 在不同的发育阶段出现几种不同形式的亚基
ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序
（二）断裂基因
基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非编码序列所 隔开，其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。 外显子(Exon) ：真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序 列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。
灯刷型染色体与基因的转录活性有关
交叉点
• 染色体的压缩状态和伸展状态是可逆的。
二、基因丢失：
• 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。 • 目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现 类似的基因丢失现象。
4、碱性-螺旋-环-螺旋
5.同源域
8.3.2
2-9个
个与环上的4个Cys
或2个Cys和2个His 配位的Zn构成，形 成的结构像手指状。
• 锌指区在与靶序列相结合的过程中起主导作用。如果把类 固醇受体蛋白锌指区中后两个Cys2突变成His2，那么靶基 因就不会被这个经过改造的转录因子所识别和激活了。
Cys2 / Cys2锌指
Cys2 / His2锌指
因，完成性别转换（P292）
五、DNA的甲基化与基因调控：
1、DNA的甲基化
在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、 CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛
• 真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： 日常型甲基转移酶：需在模板链指导下，快 从头合成型甲基转移酶 ：不需母链指导，慢
第三节 真核生物DNA水平上的基因表达调控
● 染色体结构与调控
● 基因丢失
● 基因扩增
● 基因重排
抗体分子的形成 Ti质粒
转座子
● DNA甲基化状态与调控
一、染色质结构与基因表达调控： 活性染色质
• 按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性 染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；
2. 转录模板：转录起始位点到转录终止处的全部
DNA序列
3. RNA聚合酶II：
4. RNA聚合酶II基础转录所需的蛋白因子：TFII
5. polyA位点及其上游的保守序列：AATAAA
增强子及其对转录的影响
• 能使与他连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。 SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约
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 因和T-细胞受体基因的表达。（P291）
基因转换
• 酵母有两种交配型（MATa和MATα），相当于高等真核生物
中的雌性和雄性。
• 酵母主要通过无性的细胞分裂方式来增殖，存在风险 • 酵母通过交配型转换（基因转换）的过程来改变自已的性别 • 每个基因两侧都存在着两个MAT样基因（HMLa和HMLα）— —沉默交配型盒 • 核酸内切酶HO切开双链，自由的3’端又在DNA聚合酶的作 用下以HMLa为模板合成双链，直到完全转换原有的MATa基
200 bp处有两段长72 bp的正向重复序列。
增强子特性：
1. 增强效应十分明显
2. 增强作用与其位置和取向无关。
3. 大多为重复序列 4. 其增强效应有严密的组织和细胞特异性 5. 没有基因专一性，可在不同基因组合上 表现增 强作用效应 6. 许多增强子还受外部信号的调控
增强子作用机理 （P299）：
DNA甲基化与X染色体失活
1. X染色体失活是发育过程中独特的调节机制。 2. 雌性动物两条X染色体之一在早期发育时随机失活， 以确保与只有一条X染色体的雄性个体内X染色体
基因的剂量相同。
3. X染色体失活中心：DNA序列高度甲基化。
4. 人的X染色体上发现了Xist基因：只在失活X染色
体上表达
Xist基因甲基化与X染色体失活
3. 碱性-亮氨酸拉链（basic - leucine zipper）
4. 碱性-螺旋-环-螺旋（basic – helix /loop /helix，bHLH）
5. 同源域蛋白
1、螺旋-转折-螺旋
2、锌指结构
定义：是一种常出
现在DNA结合蛋白 中的结构基元。是 由一个含有大约30 个氨基酸的环和一 配位键
2、外显子与内含子的可变调控
• 组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一 种成熟的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mRNA。
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
三、基因扩增：
• 基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，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。 • 如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要 而出现的基因扩增现象。(P291) • 果蝇中也存在基因扩增现象。
四、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
内含子(Intron) ：真核细胞基因DNA中的间插序列， 这些
序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。
1、外显子与内含子的连接区
指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个重要 特征：
• 内含子的两端序列之间没有广泛的同源性
• 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列
5'GT——AG 3'