8基因表達與調控（下）

——真核基因表達調控一般規律當前第1頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/20231真核生物（除酵母、藻類和原生動物等單細胞類之外）主要由多細胞組成，每個細胞基因組中蘊藏的遺傳信息量及基因數量都大大高于原核生物。人類細胞單倍體基因組有3×109bp，為大腸桿菌總DNA的800倍，噬菌體的10萬倍左右！當前第2頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/20232真核基因表達調控的最顯著特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現“預定”的、有序的、不可逆轉的分化、發育過程，并使生物的組織和器官在一定的環境條件范圍內保持正常功能。當前第3頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/20233真核生物基因調控，根據其性質可分為兩大類：第一類是瞬時調控或稱可逆性調控，它相當于原核細胞對環境條件變化所做出的反應，包括某種底物或激素水平升降及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節。

第二類是發育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發育的全部進程。當前第4頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/20234根據基因調控在同一事件中發生的先后次序又可分為：DNA水平調控（DNAregulation）;轉錄水平調控（transcriptionalregulation）；轉錄后水平調控（posttranscriptionalregulation）；翻譯水平調控（translationalregulation）；蛋白質加工水平的調控（regulationofproteinmaturation）等。當前第5頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202358.1真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物與原核生物基因表達調控的特點比較：

1.原核生物無細胞核，真核生物具有核膜包裹著的細胞核，所以原核基因的轉錄和翻譯通常偶聯在一起，而真核基因的轉錄是在細胞核中進行，翻譯在胞質中進行；2.原核的染色質基本上是裸露的DNA，而真核的染色質則是由DNA與組蛋白緊密結合形成為核小體；在原核細胞中，染色質的結構對基因的表達沒有明顯的調控作用，而在真核中，這種作用是明顯的。當前第6頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202363.原核生物的基因數目少，而且都是連續的。而真核生物的基因數目眾多，多數基因組基因都是不連續的，含有數量不等的內含子以及功能不清的重復序列等；4.真核生物生成的初始轉錄物需在核中進行一系列的轉錄后加工和運輸，所以，真核基因的表達有多種轉錄后的調控機制，如5’-端加帽、3’-端加poly(A)尾、剪接及成熟mRNA由胞核到胞質的運輸等；

當前第7頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202375.原核基因轉錄多為多順反子，即參與同一個代謝途徑的多個蛋白基因串聯在一起，受同一個調控序列的調控；而真核基因轉錄多為單順反子。而且一個真核基因通常有多個調控序列，必須有多個激活物同時特異地結合上，才能啟動基因的轉錄；6.在原核基因轉錄的調控中，既有激活物的調控（正調控），也有阻遏物的調控（負調控），二者同等重要。在真核中雖然也有正調控成分和負調控成分，但迄今已知的主要是正調控。當前第8頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202387.真核生物大都為多細胞生物，在個體發育過程中逐步分化形成各種組織和細胞類型。分化是不同基因表達的結果。不同類型的細胞，功能不同，基因表達的情況也不一樣。某些基因僅特異地在某種細胞中表達，稱為細胞特異性或組織特異性表達，因而具有調控這種特異性表達的機制。

8.真核生物對外界環境條件變化的反應和原核生物十分不同。同一群原核生物細胞處在相同的環境條件中，對環境條件的變化會作出基本一致的反應；而真核生物常常只有少部分細胞基因的表達直接受到環境條件變化的影響和調控，其他大部分間接或不受影響。當前第9頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202398.1.1基因家族真核細胞中許多相關的基因常按功能成套組合，被稱為基因家族（genefamily）。定義：真核基因組中來源相同，結構相似，功能相關的一組基因。可能由某一共同祖先基因(ancestralgene)經重復(duplication)和突變產生。特點：◆家族成員可以分布于不同染色體上；

◆可集中于一條染色體上，串聯排列在一起，形成基因簇(genecluster)；

◆有些成員不產生有功能的基因產物，這種基因稱為假基因(Pseudogene)。當前第10頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023101、簡單多基因家族◆特點：家族成員串聯排列在一起組成一個轉錄單位◆代表:rRNA基因家族(重復單元28S、18S、5.8s-rRNA)當前第11頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202311脊椎動物中rRNA基因家族主要成員的分布與成熟過程分析。當前第12頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023122、復雜多基因家族特點：相關基因家族排列在一起，之間有間隔序列，分別作為獨立的轉錄單位。代表:組蛋白基因家族。間隔區當前第13頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023133、發育相關復雜基因家族特點：分布在不同的染色體上;獨立的轉錄單位;基因順序與表達順序相關。代表:珠蛋白基因家族。當前第14頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202314圖8-7人細胞中α和β-珠蛋白基因簇結構示意圖當前第15頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023158.1.2染色質的結構對基因表達的調控真核基因組DNA與組蛋白結合成核小體，再進一步形成更高級的染色質結構，染色質中DNA和組蛋白的結構狀態影響轉錄。細胞分裂時染色體的大部分到間期時松開分散在核內，稱為常染色質(euchromatin)，松散的染色質中的基因可以轉錄。染色體中的某些區段到分裂期后保持緊湊折疊的結構，在間期核中可以看到其濃集的斑塊，稱為異染色質(heterochromatin)，其中未見有基因轉錄。在常染色質中表達的基因如移到異染色質則不表達；即緊密的染色質結構阻止基因表達。異染色質化可能是關閉基因活性的一種途徑。當前第16頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202316當前第17頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202317常染色質（活性染色質）結構上的特點：具有DNaseI超敏感位點具有基因座控制區具有核基質結合區（MAR序列）▲DNase的敏感性和基因表達含有轉錄活性基因的染色質區域對DNaseⅠ降解的敏感性要比無轉錄活性區域高得多(超敏感位點)。這是由于此區域染色質的DNA蛋白質結構變得松散，DNaseⅠ易于接觸到DNA之故。當前第18頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202318當前第19頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202319組蛋白的作用組蛋白是帶正電荷的堿性蛋白質，可與DNA鏈上帶負電荷的磷酸基相結合，從而封閉了DNA分子，妨礙基因轉錄。活躍轉錄的染色質區段中H1水平降低。

當前第20頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202320當前第21頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202321當前第22頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202322轉錄活躍的區域也常缺乏核小體的結構，并且對核酸酶敏感度增加。特異的轉錄因子可消除組蛋白的阻遏作用，使基因轉錄。

當前第23頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202323組蛋白H3和H4的N端20個氨基酸通過甲基化、乙酰化和磷酸化作用會改變組蛋白與DNA間的親和力，為其它蛋白和轉錄因子等的結合提供了機會。當前第24頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202324組蛋白H3和H4的乙酰化與活性染色質有關，而甲基化與非活性染色質有關。當前第25頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023258.1.3真核生物DNA水平上的基因表達調控DNA水平的調控是真核生物發育調控的一種形式，包括基因丟失、擴增、重排和移位等。當前第26頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023261.基因丟失(chromosomediminution)有的生物個體發育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。馬蛔蟲（Parascarisequoorum）。動物極植物極當前第27頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202327小麥癭蚊（Mayetioledestructor）受精卵的細胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞體（syncytium）。當核第3次分裂后，有兩核移向卵后端的一個特殊區域，叫做極細胞質，在極細胞質中的核保持了全套的染色體（2n=40），將來分化為生殖細胞。而在一般的細胞質中，染色丟失了32條，只保留8條，將來分化為體細胞。當前第28頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202328小麥癭蚊（Mayetioledestructor）：2n=40。極細胞區：2n=402n=8當前第29頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202329當前第30頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202330動物克隆表明高等生物細胞核未發生基因丟失。當前第31頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023312、基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性大量增加的現象。它使細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發育的需要，是基因活性調控的一種方式。非洲爪蟾的卵母細胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個拷貝，在減數分裂粗線期，基因開始迅速復制，到雙線期拷貝數約為200萬個，擴增近4000倍，可用于合成1012個核糖體。當前第32頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202332rDNA是采用滾環式復制方式在核仁區進行的擴增，擴增產生的新rDNA不納入線形染色體中，而是一環狀小DNA分子方式存在。每個環狀DNA分子中有2~4個，甚至16個rRNA基因。當前第33頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202333果蠅的不切離的多次復制使基因擴增，DNA不切離的多次擴增形成復制泡的網狀結構當前第34頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023343、基因重排將一個基因從遠離啟動子的地方移到較近的位點從而啟動轉錄，被稱為基因重排。例：免疫球蛋白的產生、種類、結構和多樣性。當前第35頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202335B淋巴細胞的分化過程：骨髓干細胞前B淋巴細胞未成熟B淋巴細胞成熟B淋巴細胞外周B淋巴細胞抗體骨髓(基因發生重排)外周血當前第36頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202336當前第37頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202337當前第38頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202338不同Ig家族的V、D、J、C基因片段數VDJC人小鼠人小鼠人小鼠人小鼠Lλ<3002764>64Lκ<300~10005511H~300>1000~30124498家族V:可變區;D:歧化區;J:連接區;C:恒定區.當前第39頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202339所有Ig分子都含有兩類輕鏈中的一類，即κ型或λ型。Κ型和λ型輕鏈的恒定區和可變區的氨基酸序列是不同的。在小鼠中，95%的抗體輕鏈是κ型，而人類抗體輕鏈中，κ型和λ型各占50%左右。當前第40頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202340人類基因組中免疫球蛋白基因主要片段的數量比較當前第41頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202341免疫球蛋白重鏈基因片段重排與組織特異性表達當前第42頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202342Figure24.7Heavygenesareassembledbysequentialjoiningreactions.FirstaDsegmentisjoinedtoaJsegment;thenaVgenesegmentisjoinedtotheDsegment.

重鏈基因的結構與重組當前第43頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202343Figure.ThelambdaCgenesegmentisprecededbyaJsegment,sothatV-Jrecombinationgeneratesafunctionallambdalight-chaingene.

輕鏈基因的結構與重組當前第44頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202344輕鏈k基因的重排當前第45頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202345Figure24.6ThekappaCgenesegmentisprecededbymultipleJsegmentsinthegermline.V-JjoiningmayrecognizeanyoneoftheJsegments,whichisthensplicedtotheCgenesegmentduringRNAprocessing.

當前第46頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023468.1.4DNA甲基化與基因調控DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。研究證實，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導致了人體1/3以上由于堿基轉換而引起的遺傳病。當前第47頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023471.DNA的甲基化（methylation）DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。當前第48頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202348當前第49頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202349CpG島（CpG–richislands）富含CpG的區段稱為CpG島當前第50頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202350半甲基化全甲基化當前第51頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202351HpaII能切割非甲基化的CCGG序列DNA甲基化的檢測MspI能切割甲基化或非甲基化的CCGG序列當前第52頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202352MspIHpaIIMspI酶切HpaII酶切當前第53頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202353DNA甲基化與基因活性當前第54頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202354當前第55頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202355當前第56頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023562.DNA甲基化抑制轉錄機理影響染色質的結構，穩定染色質的失活狀態，阻止轉錄因子的進入，防止其活化。DNA甲基化直接干涉轉錄因子與啟動子內識別位點結合；抑制作用通過甲基化CpG結合蛋白（methylatedCpGbindingproteins,MeCP）起作用，這種因子與轉錄調控因子競爭甲基化DNA結合位點。當前第57頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202357MeCP-1CH3CH3CH3CH3CH3TFRNApolIIMeCP-1可與多個甲基化的CpG位點結合當前第58頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202358MeCP-2CH3CH3CH3CH3CH3SIN3HDACTFRNApolIIMeCP-2能結合到單個甲基化的CpG堿基對上，還結合Sin3阻遏復合體(含HDAC活性)，當前第59頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202359幾乎管家基因都含CpG島一般位于基因的5’端區域大多數CpG島是未甲基化的CpG島中的核小體中H1含量低，其它組蛋白被廣泛乙酰化，并有超敏感位點未甲基化CpG島可能說明基因具有潛在活性，當前第60頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023608.2真核生物基因表達轉錄水平的調控真核基因調控主要在轉錄水平上進行，受大量特定的順式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（transactingfactor，又稱跨域作用因子）調控。當前第61頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023618.2.1順式作用元件順式作用元件是指與參與轉錄調控的反式作用因子（RNA/蛋白質）相互作用的DNA序列。當前第62頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023621、啟動子（promoter）真核基因啟動子由核心啟動子和上游啟動子兩個部分組成，是在基因轉錄起始位點（+1）及其5’上游大約100～200bp以內的一組具有獨立功能的DNA序列，每個元件長度約為7～20bp，是決定RNA聚合酶II轉錄起始點和轉錄頻率的關鍵元件。當前第63頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202363核心啟動子（corepromoter）：是指保證RNA聚合酶II轉錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游-25～-30bp處的TATA盒。核心啟動子確定轉錄起始位點并產生基礎水平的轉錄。上游啟動子元件（upstreampromoterelement，UPE）包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等，能通過TFIID復合物調節轉錄起始的頻率，提高轉錄效率。1、啟動子（promoter）當前第64頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202364當前第65頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023652、增強子增強子是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列，最早發現于SV40早期基因的上游，有兩個長72bp的正向重復序列。當前第66頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202366當前第67頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202367當前第68頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202368當前第69頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202369當前第70頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023703、沉默子(silencer)負性調節元件，與相應的反式因子結合后，可以使正調控系統失去作用，阻遏基因轉錄。這類特定序列不受距離和方向的限制，但機理目前尚不清楚。當前第71頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202371哺乳動物RNA聚合酶Ⅱ啟動子上游轉錄因子結合的序列元件組件保守順序DNA長度結合因子大小（Da）豐度（/細胞）分布TATAboxTATAAAA～10bpTBP27,000?普遍CAATboxGGCCAATCT～22bpCTF/NF160,000300,000普遍GCboxGGGCGG～20bpSP1165,00060,000普遍OctamerATTTGCAT～20bpOct-176,000?普遍OctamerATTTGCAT

23bpOct-252,000?淋巴細胞κBGGGACTTTCC～10bpNFκB44,000?淋巴細胞κBGGGACTTTCC～10bpH2·TH1??普遍ATFGTGACGT～20bpATF??普遍當前第72頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023728.2.2反式作用因子能直接或間接識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。根據各個蛋白質成分在轉錄中的作用，能將整個復合物分為3部分：? 參與所有或某些轉錄階段的RNA聚合酶亞基，不具有基因特異性。? 與轉錄的起始或終止有關的輔助因子，不具有基因特異性。? 與特異調控序列結合的轉錄因子。當前第73頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202373當前第74頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202374真核的轉錄起始是通過蛋白與DNA間以及蛋白與蛋白間的相互作用形成復雜的起始轉錄復合物而實現轉錄起始。當前第75頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202375真核生物中轉錄因子活性調節的主要方式當前第76頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202376反式作用因子結構三個功能結構域：DNA識別結合結構域(DNA-bindingdomain)；轉錄激活結構域(transcriptionalactivationdomain)；二聚化結構域。當前第77頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023771.DNA結合域DNA結合域（DNAbindingdomain）一般由60~100個氨基酸殘基組成的幾個亞區組成。與轉錄因子結合的DNA區常是一段反向重復序列，因此許多轉錄因子常以二聚體形式與DNA結合。當前第78頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/2023781.反式作用因子中的DNA識別或結合域（1）螺旋-轉角-螺旋（helix-turn-helix,H-T-H）結構◆第一個被確立的DNA-結合結構◆最常見DNA結合域之一◆有至少兩個α螺旋，中間由短側連氨基酸殘基形成“轉折”，近羧基端的α螺旋中氨基酸殘基的替換會影響該蛋白質在DNA雙螺旋大溝中的結合。◆常結合CAAT盒◆例：Lac阻遏蛋白,Trp阻遏蛋白、分解代謝激活蛋白(CAP)等。當前第79頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202379當前第80頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202380當前第81頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202381同源域蛋白通過其第三個螺旋與雙鏈DNA的大溝相結合，其N端的多余臂部分則與DNA的小溝相結合，提高了穩定性。當前第82頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202382（2）鋅指（Zincfinger）結構域最常見DNA結合域之一約有23個氨基酸殘基，其中4個氨基酸殘基（2個Cys，2個His或4個Cys）以配位鍵與Zn2+結合。與DNA雙螺旋大溝結合。常結合GC盒當前第83頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202383典型的類固醇激素受體結構示意圖當前第84頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202384當前第85頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202385當前第86頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202386蛋白質分子可有2~9個鋅指重復單位。每個單位以其指部伸入DNA雙螺旋的大溝，接觸5個核苷酸。如TFⅢA有連續9個鋅指重復結構與DNA結合。當前第87頁\共有102頁\編于星期三\2點5/27/202387（3）亮氨酸拉鏈蛋白中每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，導致第7個亮氨酸殘基都在螺旋的同一方向出現。當前第88頁