真核生物基因表达调控ppt
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第八章真核基因表达调控ppt课件
Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是 不同的。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
真核生物的基因表达调控ppt(共59张PPT)
在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础转录因 子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的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；参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录 因子，它们包括激活蛋白、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的表达，而阻遏蛋白与沉默子结合 ，抑制基因的表达，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，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作 用而行使功能，作用方式包括：招募其它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的活性；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的相互 作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的激活位点、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）的活性。
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更有效 和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真核生物基 因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要在不同的生长 时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 ，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平 上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层次是真核生物特有 的，比如染色质水平、RNA后加工水平和mRNA运输等；
调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子，但真核 生物一般无操纵子结构。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核生物 DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转录的“默认 状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控，而真核生 物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控机制主要是通过激活蛋白进行 的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响到基因 的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所在位置的染色 质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位是核小体，因此，染 色质结构的改变是从核小体的变化开始的，而核小体的变化是从组蛋白 的共价修饰和去修饰开始的。
第八章 真核基因表达调控(共106张PPT)
一、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。
甲基化达到一定程度时，DNA构象由B-DNA向Z-DNA过 渡， 后者结构收缩，螺旋加深， 使许多反式作用因 子所识别的元件（顺式作用因子）深陷于大沟内， 而不利于二者的识别与结合，从而不利于基因的转 录起始。
DNA甲基化对基因转录的抑制作用P252
DNA的甲基化提高了位点突变频率
• 5-mC脱氨基造成C-T转换：所以CpG二核苷酸序列出现的频 率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。
(三)假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。 一般是启动子出现问题。
第二节 真核生物基因表达调控的特点和种类 一、真核生物基因表达调控的特点
1、多层次 2、个体发育复杂 3、活性染色体结构变化：对核酸酶敏感 、DNA拓扑结构变
化 、DNA碱基修饰变化 、组蛋白变化 4、正性调节占主导 5、转录与翻译间隔进行 6、转录后修饰、加工
定位于核内），可与Xic（ X-chromosome inactivation center）位点结合，造成构象变化，使DNA更易与各种蛋白质结合，最终导致X染 色体失活。
能相关的基因，将这些基因称为基因家族。 肌红蛋白重链基因41个外显子，但能精确的剪接成一个成熟的mRNA.
在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用, 是一种新的基因调控元件。 2、复杂转录单位：三种形式; Repeating unite 选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质
基因表达调控PPT课件
基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
14
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
34
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物
如果某种物质 能够促使细菌产生 酶来分解它，这种 物质就是诱导物。
合时，结构基因不转录。
38
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
39
40
三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
43
44
2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
45
2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
14
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
34
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物
如果某种物质 能够促使细菌产生 酶来分解它，这种 物质就是诱导物。
合时，结构基因不转录。
38
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
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三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
43
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
45
2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
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顺式作用元件
Cis-acting element
7.3.3 反式作用因子trans-acting factor
▪ 概念 通过识别和结合顺式作用元件的核心序列, 而调控靶基因的转录效率的一组蛋白因子. 这 些转录因子由其他基因编码,跨域作用. 对基因 表达调控可正(激活)可负(阻遏)
▪ 类别 这些转录因子可作为转录复合物的一部分， 但大部分是与启动区或基因特定部位结合的调 控蛋白。据其作用分为3类 转录阶段RNA聚合酶的亚基 转录起始终止的辅助因子 特异性调控序列结合蛋白
Alternative splicing
7.2 真核基因表达调控的环节
▪ DNA水平:基因数量,结构 ▪ 转录水平:顺式作用元件与反式作用因
子 ▪ 转录后水平:mRNA的加工成熟 ▪ 翻译水平:起始复合物及mRNA稳定性 ▪ 翻译后水平:蛋白质加工修饰
DNA水平的调控
1.开放型活性染色质与基因活性 (结构) 真核基因以核小体组建成染色质和染色体成高度 压缩. 转录发生前,染色质在特定区域被解旋松弛 (核小体结构改变、DNA自身结构改变、右旋型变 构为左旋型B→Z),一方面暴露了结构基因,使启动 区DNA易与RNA聚合酶及其他转录调控因子结合, 从而启动转录;另一方面暴露了DNA酶Ι的超敏感 位点,使活性状态的DNA更易于被核酸酶降解 .
真原核基因结构比较
▪ 原核基因按功能成串排列,组成操纵子单位,转录产物为 polycistron; 真核生物一个结构基因转录为monocistron.
▪ 原核有转录与翻译的偶连,真核表达则有严格的时区间隔 . ▪ 原核大部分基因是编码序列,而真核大部分是调控序列 ▪ 原核为蛋白质编码的大部分是连续基因; 真核为蛋白质编
因子 ▪ 其他水平的调控:mRNA的加工、mRNA的
翻译、蛋白质加工修饰
7.1 真核基因结构与转录活性
真核生物表达的复杂不仅由于其遗传信息 量大，也与其基因结构密切相关。真核 DNA与组蛋白构成核小体，进一步压缩成 染色质、染色体。染色体的构象、超螺旋 的松弛、活性染色质、基因的甲基化，这 些都影响基因的转录活性
Interrupeted gene
内含子剪接
▪ 外显子与内含子两端交界的较短的,高度同源的序 列称为exon-intron junction. 内含子两端序列不 能互补,在RNA剪接加工前不能形成碱基配对的发 夹结构.
▪ 外显子-内含子连接区是RNA剪接的信号序列.前 体RNA通过此连接区的被识别而去除掉内含子 连接区序列在高等真核生物中具高度同源性，说 明有着共同的内含子剪接机制。共同序列: 5’GT----AG3’.
码的是断裂基因,在转录后经剪接去除内含子,才能翻译获 得完整的多肽,这就增加了表达的调控环节. ▪ 原核生物除rDNA,tDNA外,很少有重复序列;真核含大量的 repetitive sequences:
high _:10-300bp,占人基因组的20%,功能不明,重复103 以上
moderate_:300-500bp,占基因组10-40%, 5s, tRNA,组 蛋白基因, 10~103
▪ 启动子(尤其是core promoter)
▪ RNA pol Ⅱ 需与20多 种蛋白因子结合形成转 录复合物
▪ 转录因子（TFⅡ）是 RNA pol Ⅱ 基础转录 所需的蛋白质因子
7.3.1 转录因子
▪ TFⅡD、A、B与 polⅡ结合到启动子 上形成 最初级起始 复合物，开始转录 RNA，加入F、E形 成完整的转录复合物 开始转录出长链 mRNA。 polⅡ沿模 板滑动时，TFⅡD、 A滞留在起始位点， 其他因子随之向模板 3端移动。（如图）
启动子
概念：启动子是基因序 列中决定转录起始的部 位。包括3个区域：
RNA polⅡ识别区
牢固结合区、
转录起始点。
启动子位于(+1)及5’端 上游100~200b左右， 是决定转录起始点及转 录频率的关键元素
1.核心启动子：RNA polⅡ转 录起始所必须的最少的 DNA序列，作用是确定转 录起始点并产生基础水平 转录。位于-25 ~-30处的
▪ 以正性调控为主
真核启动子对RNA聚合酶亲和力低,需要多种激活 蛋白的协同作用.转录调控蛋白有激活,阻遏或二者 兼有,但以激活为主
▪ 适应环境的瞬时调空是可逆的,而发育控制调控是 不可逆的,决定细胞生长,分化,发育的全过程
7.1.1 基因家族
▪ 基因家族:真核细胞中许多相关基因按功能 组合构成gene family.有时串联聚集成基因 族,但更多分布在同一(甚至不同)染色体的 不同位置，具有各自不同的表达调控模式
▪ 组成型剪接:一个基因的转录产物通过内含子的剪 接加工只产生一种成熟的mRNA,编码一种多肽
▪ 选择性剪接:同一基因产物因不同的内含子剪接方 式而产生不同的mRNA,并翻译成不同的多肽. 这 是由于某些基因在转录时选择了不同的启动子， 或转录产物上选择了不同的polyA位 ，原始转录 产物产生不同的二级结构，影响了内含子的剪接
真核生物基因表达调控
真核生物是多细胞体系,其遗传信息量远大于 原核生物,且大部分用于编码调控信息.结构 上,DNA以核小体为单位构建成复杂的染色质 和染色体(一组图),因而表达呈现出多线性多 系统的调控体系.
本章内容
▪ 真核基因结构与转录活性 ▪ 真核基因表达特点 ▪ DNA水平的调控 ▪ 转录水平的调控:顺式作用元件和反式作用
2.基因组的改变(数量)
▪ 染色质丢失
某些低等真核生物,在细胞分化过程中,有部分染色质 断裂删除和异染色质丢失,之后才成为表达型基因.
▪ 基因扩增
指某基因的拷贝大量增加.如非洲爪蟾卵母细胞 rDNA的扩增,以满足受精后合成大量蛋白质的需要
▪ 基因重排与变换
将一个基因从远离启动子处移到启动子附近从而启 动转录称基因重排.
典型例子是lg基因的成熟,通过染色体内DNA重组 将相距甚远的基因片段连接起来,产生具有表达活性 的特异lg基因
酵母细胞能通过一种”交配型转换”来完成性别交 换,即某基因复制后置换掉原有的另种基因
Sex in Drosophila is largely determined by alternative splicing
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
7.3.真核基因的转录调控
同原核一样，真核调控
主要发生在转录阶段， 主要是通过顺式作用元 件、反式作用因子 与
靶基因复杂的相互作用 实现的。(重点以 mRNA的转录为例)
转录的基本条件
▪ 转录模板(转录起始点 +1---终止点)
基因家族分类
▪ 简单多基因家族 :功能相关基因在DNA序列中串 联分布，无间隔序列隔开，转录在同一mRNA中 rDNA(除5s外)转录产物为45s的大分子,经过100 多处甲基化及RNA酶切割降解为18s, 5.8s，28s rRNA ,由RNA聚合酶Ⅰ催化; 5s rRNA作为独立转 录单位由RNA聚合酶Ⅲ催化转录
▪ X染色体的甲基化与失活
▪ X染色体的甲基化与失活 雌性哺乳动物体细胞 内Barr小体系胚胎早期两X染色体之一发生随机 失活. X染色体上有一序列Xist(X-chromosome inactivation special transcript),该基因的表达是决 定X染色体失活的关键元素,Xist甲基化使X染色体 保持活性,去甲基化则转录出XistRNA,与Xic(Xchromosome inactivation center)作用使其易与 蛋白因子结合而表达,使得与其相连的X染色体上 的基因失活.
转录调控的关键
顺式作用元件 反式作用因子
7.3.2. 顺式作用元件
基因的分子生物学定义:能产生一条多肽链或功能 RNA分子所必需的 全部核苷酸序列.
是存在与基因内部、与功能基因连锁在一起,对 其转录表达作顺式调节的特殊核苷酸序列.
正性调控：启动子promoter,增强子 负性调控：沉寂子silencer
3.DNA甲基化与基因活性
▪ DNA甲基化能关闭某些基因的活性,去甲基化则诱 导基因活化与表达
▪ DNA甲基化的主要形式:5-mC,Nб-mA,7-mG. 5mC主要出现在CpG序列中,这些CpG序列常成串出 现,又称CpG岛
▪ 机理:DNA甲基化导致某些区域构象变化,B→ZDNA.由于Z型螺旋加深,许多与蛋白因子结合的元 件缩入大沟,抑制了转录因子与启动子的结合效率. 甲基化CpG的密度与启动子强度之间的平衡决定 了该启动子的转录活性.
▪ 复杂多基因家族 由几个相关基因家族构成,基因家族间有间隔序列, 分别被独立转录. 如组蛋白基因.
组蛋白基因处于一长6000bpDNA片段中，包括 H1、H2A、H2B、H3、H4 基因，彼此被间隔序列 隔开，分别转录为单顺反子RNA，表达产物量刚 好是组蛋白在染色体的比例：H1、2（H2A、H2B、 H3、H4）
真核基因的复杂性
▪ 真核基因组更大.大肠杆菌基因组有4 ×106 bp,人单倍体基因组有3×109 bp ,是其800 倍;是嗜菌体基因组的10万倍.
▪ 大肠杆菌有4千个基因,人有近10万个基因 ▪ 原核生物基本是单倍体,真核生物是2倍体. ▪ 真核生物DNA与组蛋白等构成染色质染色
体,被包裹在核膜内;有核外遗传(mtDNA) .
TATA盒。
2.上游启动子元件 包括-70 bp的CAAT盒,GC盒,其他 距起始转录点更远的上游 元件。 与TFⅡD结合成复 合物后提高转录频率
启动子是基础水平转录所必须的
增强子
基因组中能增强邻近基因启动转录的序列。最早发现于 SV40的基因上游，含2个72bp的正向重复序列。
增强子特性 1.增强效应非常明显 10~200倍 。SV40的增强子（珠蛋 白基因）200倍，人巨大细胞病毒增强子（-） 600~1000倍 2.与其位置、取向无关（上下游、距离） 3.核心序列是重复序列,是增强效应所必须 4.有细胞组织特异性 需与特异蛋白因子作用 5.无基因特异性 6.受外界信号调控 金属硫蛋白基因上游增强子对环境锌 镉反应