1、I. 真核生物基因表達的調節特點真核生物基因表達的調節特點1. 真核基因表達調控的環節更多2. 真核基因的轉錄與染色質的結構變化相關3. 真核基因表達以正性調控為主4. 其它調控特點：如個體發育復雜；受環境影響較小3.3.真核基因表達以正性調控為主真核基因表達以正性調控為主 多數真核基因在沒有調控蛋白作用時是不轉錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質來促進轉錄。換言之：真核基因表達以正性調控為主導。真核RNA聚合酶啟動子親和力低激活蛋白協同作用轉錄起始真核RNA聚合酶啟動子II. 真核基因表達調控的真核基因表達調控的層次層次1.DNA和染色體水平上的調控2.轉錄起始水平上3.轉錄后RNA加工過程和

2、運送中的調控4.翻譯水平5.翻譯后的控制1. DNA和染色體水平上的調控1.1 基因拷貝數的擴增或丟失和基因重排1.2染色質結構的變化（活化）1.3 DNA在染色體的位置（常染色質、異染色質）1.4 CpG的甲基化修飾這些變化通常是永久性的，可隨細胞分裂傳遞給子這些變化通常是永久性的，可隨細胞分裂傳遞給子代，使這類細胞表達特定的基因譜，具有特定的表代，使這類細胞表達特定的基因譜，具有特定的表型，成為某種特化細胞，這就是細胞的決定于分化型，成為某種特化細胞，這就是細胞的決定于分化基因擴增基因擴增 基因擴增（gene amplification） ：即基因組中的特定段落在某些情況下會復制產生許多拷

3、貝。 例如：蛙成熟卵細胞在受精后的發育過程中其rRNA基因（可稱為rDNA）的擴增 基因擴增的調控機理至今還不清楚基因擴增的意義基因擴增的意義 基因的擴增能夠大幅度提高基因表達產物的量，適合了受精卵其后迅速發育分裂要合成大量蛋白質要求有大量核糖體的需要。基因丟失 有的生物在個體發育的早期在體細胞中要丟失部分染色體，而在生殖細胞中保持全部的基因組，被丟失的染色體其上的遺傳信息可能對體細胞來說沒有什么意義，而對生殖細胞的發育也許是不可缺少的。 例如：馬蛔蟲（Parascaris equoorum）和小表癭蚊（Mayetiole destructor）的生殖細胞的形成。基因重排基因重排 基因重排（g

4、ene rearrangement）：即胚原性基因組中某些基因會再組合變化形成第二級基因。 例如：免疫球蛋白的基因1.2 染色質的結構變化（染色質的結構變化（染色質的活化 ） 組蛋白的作用 轉錄活躍區域對核酸酶敏感度增加 DNA拓撲結構變化 DNA堿基修飾變化染色質重塑染色質重塑 (chromatin remodeling)染色質中與轉錄相關的結構變化稱為染色質重塑1.2染色質結構的變化（活化）組蛋白對基因轉錄活性的影響組蛋白H1作為核小體交聯劑，可以增強由核心組蛋白引起的轉錄抑制組蛋白的乙酰化和去乙酰化對轉錄活性的調節未乙酰化的組蛋白可以抑制轉錄，而乙酰化的組蛋白抑制轉錄能力減弱1.3 DN

5、A在染色體的位置（常染色質、異染色質） Euchromatin （常染色質）：染色質較伸展，處于轉錄活性狀態 Heterrochromatin （異染色質）:染色質高度壓縮，處于轉錄被抑制狀態 （10%）轉錄活躍區域對核酸酶敏感度增加轉錄活躍區域對核酸酶敏感度增加 活躍進行轉錄的染色質區域受DNase消化常出現100-200bp的DNA片段，且長短不均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結構有變化，出現了對DNase高敏感點（hypersensitive site）。 高敏感點常出現在轉錄基因的5側區、3末端或在基因上，多在調控蛋白結合位點的附近，分析該區域核小體的結構發生變化，有利于調控蛋白的結合

6、而促進轉錄。DNADNA拓撲結構變化拓撲結構變化 天然雙鏈DNA的構象大多是負性超螺旋。當基因活躍轉錄時，RNA聚合酶轉錄方向前方DNA的構象是正性超螺旋，其后面的DNA為負性超螺旋。正性超螺旋會拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動轉錄；而負性超螺旋則有利于核小體的再形成。DNA甲基化與基因表達DNA甲基化的主要形式 5-甲基胞嘧啶 N6-甲基腺嘌呤 7-甲基鳥嘌呤 在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG和CpXpG中，原核生物中CCA/TGG和GATC也常被甲基化。DNA甲基化與基因表達甲基化與基因表達 真核生物基因組DNA的甲基化(Methylation) 哺乳動物基因組中5%的C

7、為甲基化(m C)，mC主要存在于CpG二核苷酸中 CG島(CG islands): CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人基因組中，形成CpG島。CpG島常與基因相連(可作為尋找基因的標記)。DNA甲基化和CG島 由于甲基化胞嘧啶極易在進化中丟失，所以，高等真核生物中CG序列遠遠低于其理論值。 哺乳類基因組中約存在4萬個CG islands，大多位于轉錄單元的5區。 基因甲基化狀態： 1、高度甲基化： 基因為持續失活(如女性的一條X染色體； 2、誘導去甲基化：如組織或發育階段特異性表達基因； 3、持續低水平甲基化：具有轉錄活性(如持家基因)。DNA甲基化與基因表達甲基化與基因表達 總結

8、：基因表達與甲基化呈負相關簡答題簡答題 簡述真核細胞基因組結構特點及基因表達調控方式。（10分）（第四軍醫大分子生物學） 真核生物的基因表達調控可以在哪些水平上發生？何謂轉錄前調控，它有哪幾種主要方式，各發生在什么發育時期？試舉例說明之。（10分） （中科院2001細胞學）選擇題選擇題真核生物DNA中大約有百分之2-7的胞嘧啶存在甲基化修飾，絕大多數甲基化發生二核苷酸對上 A. CC B. CT C. CG D. CA（中科院上海生化所 98） 選擇題選擇題 非洲爪蟾體細胞中rDNA拷貝數約有500個，而在卵母細胞中的拷貝數約增加了倍，可以用來轉錄合成卵裂所需要的ribosome。 a.100

9、0 b.2000 c.4000 d.400 （中科院上海生化所 2001）判斷題判斷題 活躍轉錄的基因均位于常染色質中，處于異染色質中的基因通常不表達。 ( ) 2. 轉錄水平的調控轉錄水平的調控 2.1 基因轉錄的順式調控元件 2.2 基因轉錄的反式作用因子 2.3 轉錄激活因子的作用機制2.1基因轉錄的順式調控元件基因轉錄的順式調控元件 順式調控元件(cis-regulating element)是指對基因表達有調控活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處于一個DNA分子上的基因 2.1基因轉錄的順式調控元件基因轉錄的順式調控元件a. 正調控元件：啟動子(promoter)增強子(enh

10、ancer)b. 負調控元件沉寂子(silencer) 負調控元件是能抑制基因表達的序列c. 其它順式調控元件 ：應答元件 轉座元件 最常見的應答元件： 1.熱激應答元件（heatshock response element,HSE）2.糖皮質應答元件（glucocorticoid response element，GRE）3.金屬應答元件（metal response element,MRE）應答元件（應答元件（response element）GRE is the recognition site of glucocorticoid receptor.Heat shock response

11、 element (HSE) is present in heat shock protein genes. 2.2 基因轉錄的反式作用因子基因轉錄的反式作用因子 轉錄水平的調控主要是通過與多種DNA元件結合的蛋白因子來實現 反式作用因子(trans-acting factor)是通過識別和結合順式調控元件的核心序列而調控靶基因轉錄效率的一組蛋白質 反式作用因子對基因表達的調控可正(激活)可負(阻遏) 補充：反式作用及反式作用元件補充：反式作用及反式作用元件 調控基因不僅能對同一條DNA鏈上的結構基因起表達調控作用，而且能對不在一條DNA鏈上的結構基因起作用，在遺傳學實驗上稱為反式作用（tra

12、ns-action），調控基因就屬于反式作用元件（trans-acting element），其編碼產生的調控蛋白稱為反式調控因子（trans-acting factor）。2.2.1 反式作用因子的結構區域反式作用因子的結構區域a.DNA結合域（DNA binding domain），多由60-100個氨基酸殘基組成的幾個亞區組成。b. 轉錄激活域（activating domain），常由30-100氨基酸殘基組成，這結構域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，一酸性結構域最多見；c.連接區，即連接上兩個結構域的部分。a.a.反式作用因子的反式作用因子的DNADNA結構域結

13、構域 結構域(domain):是指蛋白質中可以具有獨立的超二級結構的部分。通常由一個基因外顯子編碼，并可具有特定的功能。在較大的蛋白質中，多個結構域間可通過較短的多肽柔性區互相聯接 基序(motif)：一般指構成任何一種特征序列的基本結構作為結構域中的亞單元，其功能是體現結構域的多種生物學作用 1 DNA結合結構域基序 a. Helix-turn-helix（螺旋-轉角-螺旋）。是最早發現于原核生物中的一個關鍵因子，該結構域長約20個aa，主要是兩個-螺旋區和將其隔開的轉角。其中的一個被稱為識別螺旋區，因為它常常帶有數個直接與DNA序列相識別的氨基酸。 b. Zinc finger（鋅指）。長

14、約30個aa，其中4個氨基酸（Cys或2個Cys，兩個His）與一個Zinc原子相結合。與Zinc結合后鋅指結構較穩定。 含鋅指基序的轉錄因子：與GC盒結合的SPl、類固醇激素受體家族，抑癌蛋白WT1等。 c. Homeodomain（同源域），最早來自控制軀體發育的基因，長約60個氨基酸，其中的DNA結合區與 helix-turn-helix motif相似，人們把該DNA序列稱為homeobox。主要與DNA大溝相結合。 d. Basic Leucine Zippers（堿性亮氨酸拉鏈）是親脂性（amphipathic）的螺旋，包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體

15、。每隔6個殘基出現一個亮氨酸。由賴氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）組成DNA結合區。 n具有亮氨酸拉鏈基序的轉錄因子：原癌基因C-Jun/C-fos(APl家族) E 堿性螺旋-環-螺旋(basic-Helix-loop-Helix，bHLH)基序 由2個螺旋間隔一個非螺旋的環(loop)組成 如原癌基因產物C-myc及其結合蛋白Max 幾種常見基序幾種常見基序轉錄因子DNA結合域Zinc finger domain（鋅指結構域）Homologous domain （同源域） HTH domain（螺旋-轉角-螺旋結構域）bZip（堿性亮氨酸拉鏈結構域）bHLH （堿性 螺旋-環-螺旋結構域）

16、Transcription activation domains (激活域) Acidic activation domains （酸性激活域） Glutamine-rich domains(富含谷氨酰胺結構域) Proline-rich domains（富含脯氨酸結構域）轉錄激活因子的作用機制轉錄激活因子的作用機制特異性基因轉錄的基本條件（1）啟動子(特別是核心啟動子)（2）RNA Pol（3）普通轉錄因子(GTFs) （4）與DNA結合的轉錄激活因子（5）輔激活因子真核生物轉錄調節序列：增強子-高等真核生物 上游激活序列UAS-酵母 轉錄因子的類型普通轉錄因子(GTFs) 與DNA結合的轉

17、錄激活因子輔激活因子或介導因子（coactivator）高級生物，至少包括果蠅和哺乳動物，利用絕緣子來阻斷鄰近的增強子對非相關基因的激活。絕緣子可以保護基因，免受鄰近的增強子和沉默子的激活作用或抑制作用轉錄激活的一般過程轉錄激活的一般過程 在典型的RNA polII啟動子處進行的轉錄激活過程一般包括： 染色質重塑使染色體結構松弛 轉錄激活因子與DNA結合 激活因子與組蛋白乙酰化酶和/或其它蛋白質相互作用，促進周圍染色質的進一步重塑 激活因子通過輔激活因子介導因子，與RNA polII相關的轉錄因子相互作用，促進轉錄起始復合物前體的形成外界刺激通過一系列的蛋白質將信號從一個蛋白質傳遞給另一個蛋白

18、質，構成信號轉導途徑，最終常常是活化了某種轉錄因子，影響到一系列相關基因的表達，改變了細胞內的蛋白質表達譜，使細胞產生特定的表型圖12-17 介導因子CBP作用機理CRE：cAMP響應元件CREB：與CRE結合的蛋白CBP：CREB結合蛋白圖12-18 CBP介導核受體的轉錄激活作用 SRC：類固醇受體輔激活因子轉錄激活因子活性調節與信號傳導途轉錄激活因子活性調節與信號傳導途徑徑 轉錄激活因子通過幾種不同方式調節活性 1. 與配體結合 2. 細胞內定位 3. 磷酸化修飾 4. 去除抑制蛋白 5. 更換結合蛋白 蛋白質的磷酸化反應蛋白質的磷酸化反應 指通過酶促反應把磷酸基團從一個化合物轉移到另一

19、個化合物上的過程,是生物體內存在的一種普遍的調節方式，在細胞信號的傳遞過程中占有極其重要的地位。許多信號途徑依賴于蛋白質的磷酸化將信號從一個蛋白傳遞給另一個蛋白，每一步酶促反應都可以使信號放大，因此轉導途徑存在放大效應蛋白質磷酸化在細胞信號轉導中的作蛋白質磷酸化在細胞信號轉導中的作用用1. 在胞內介導胞外信號時具有專一應答特點。2. 蛋白質的磷酸化與脫磷酸化控制了細胞內已有的酶活性。3. 對外界信號具有級聯放大作用.4. 蛋白質的磷酸化與脫磷酸化保證了細胞對外界信號的持續反應。3.3.轉錄后加工轉錄后加工 在細胞核內對基因產物(mRNA前體)進行各種加工、成熟、轉運過程中對基因表達的調控屬轉錄

20、后加工轉錄后加工 有些基因還可進行組織特異性的選擇性拼接，產生不同的mRNA模板，表達具有不同生物活性的蛋白質。特殊情況下mRNA還可進行編輯，改變編輯序列簡單轉錄單位復雜轉錄單位圖12-21 大鼠的免疫球蛋白重鏈基因mRNA的可變拼接可變拼接圖12-22 果蠅性別決定過程中的可變拼接RNA編輯RNA編輯現象最早在錐形蟲中發現，其細胞色素氧化酶（COII）mRNA的序列與COII基因序列不吻合，含有4個在基因中缺失的核苷酸，mRNA通過RNA編輯補上了這4個核苷酸，糾正了移碼突變。轉錄后轉錄后RNARNA加工過程和運送中的調加工過程和運送中的調控控mRNA的轉運的轉運 真核生物mRNA在細胞核

21、內合成后必須轉運到細胞質中進行翻譯。完成轉錄和轉錄后加工過程的mRNA以核蛋白復合物的形式轉運，轉運過程依賴于外顯子連接復合物，內含子的存在可以阻止mRNA的轉運4.4.翻譯水平調控翻譯水平調控 mRNA穩定性對基因表達的影響 在翻譯起始階段對基因表達的影響 mRNA的選擇性翻譯 RNA干擾導致的基因沉默mRNA結構與翻譯控制結構與翻譯控制(一一) 5-UTR結構結構 1、mRNA5端m7G帽有增強翻譯水平的作用 2、“上游AUG密碼子”(位于起始AUG上游的其他AUG密碼子)的存在往往抑制下游開放讀框的翻譯效率 3 、 起 始 A U G 旁 側 序 列 對 翻 譯 效 率 的 影響Koza

22、k序列：GCCAUGG(二二) 3-UTR結構結構 1poly(A)尾增加翻譯效率 2富含UA序列抑制翻譯。mRNA穩定性與翻譯控制穩定性與翻譯控制mRNA穩定性主要取決于3UTR結構 1poly(A)尾增加mRNA穩定性， 23-UTR中UA序列導致mRNA不穩定1 1）mRNAmRNA穩定性對基因表達的影響穩定性對基因表達的影響 真核生物在翻譯水平上對基因表達的調控主要是控制mRNA的穩定性和選擇性翻譯。真核生物mRNA在成熟過程中形成的5-帽子和3-polyA尾巴對mRNA的穩定性和可翻譯性等都有一定的影響。mRNA的5和3非編碼區序列對mRNA的穩定性和翻譯效率也起著重要的調控作用翻譯

23、起始階段對基因表達的影響翻譯起始階段對基因表達的影響 翻譯起始因子(IF)的調節：可逆磷酸化的作用 1eIF-4E的磷酸化激活蛋白質的合成 2. eIF-2的磷酸化引起翻譯起始受阻，降低蛋白質的生物合成水平圖12-24 eIF4E結合蛋白PHAS-的磷酸化對翻譯起始的調節 mRNA的選擇性翻譯生物體通過一定的機制控制各個亞基的合成比例，保證組裝蛋白所需，又避免浪費。在原核生物中，常通過操縱子來控制合成的相關蛋白的濃度比，而在真核生物中，可以通過選擇性翻譯控制蛋白質的濃度比（如血紅蛋白亞基和亞基的合成）RNA干擾導致的基因沉默將序列與目標mRNA對應的雙鏈分子引入有機體后，可以被內切酶切割成短的

24、片段，這些短的RNA片段可以與mRNA結合并使之沉默，這個過程稱為RNA干擾（RNA interferenc, RNAi）MicroRNA(miRNA) miRNA是由內源性發夾結構轉錄產物衍生而來的一種長為21-25nt的單鏈RNA。miRNAs的成熟及效應過程miRNAs的作用模式的作用模式miRNA與靶mRNA的作用模式包括二種：二者不完全互補，主要影響翻譯過程；二者完全互補，類似siRNA與靶mRNA的結合，特異性切割mRNA。miRNA是通過與靶mRNA之間序列互補程度的不同，而發揮對靶mRNA的基因調節作用。5. 翻譯后水平的基因表達調控翻譯后水平的基因表達調控1.切除起始氨基酸2.氨基酸側鏈的共價修飾：乙酰化、磷酸化、糖基化（N-、O-）3.蛋白質前體的切割和成熟。Proproteinprotein. 例：胰島素的成熟。4. 多肽鏈的折疊a.a