關于真核基因表達調控的一般規律第1頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物基因表達調控的種類真核生物DNA水平上的基因表達調控真核生物轉錄水平上的基因表達調控真核基因轉錄后水平上的調控Contents第2頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日一、真核基因組結構特點真核基因組結構龐大

3×109bp、染色質、核膜單順反子基因不連續性

斷裂基因、內含子(intron)、外顯子(exon)非編碼區較多

多于編碼序列(9:1)含有大量重復序列第一節真核生物的基因結構與轉錄活性第3頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日●基因組很小，大多只有一條染色體●

結構簡煉●存在轉錄單元多順反子●有重疊基因原核生物基因組結構特點第4頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日二、真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及DNA的空間結構方面存在以下幾個方面的差異

試說明真核細胞與原核細胞在基因轉錄，翻譯及DNA的空間結構方面存在的主要差異，表現在哪些方面？武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題第5頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日①在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。②真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。第6頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日③高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內含子。④真核生物能夠有序地根據生長發育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數。第7頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日⑤在真核生物中，基因轉錄的調節區相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調節區一般通過改變整個所控制基因5’上游區DNA構型來影響RNA聚合酶與它的結合。在原核生物中，轉錄的調節區都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調控蛋白結合到調節位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結合。第8頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日⑥真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。⑦許多真核生物的基因只有經過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質。

第9頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日三、基本概念（一）基因家族（genefamily)真核生物的基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因，將這些基因稱為基因家族。同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(genecluster)。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族第10頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日1.簡單多基因家族

簡單多基因家族中的基因一般以串聯方式前后相連。TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit第11頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日2.復雜多基因家族

復雜多基因家族一般由幾個相關基因構成，基因之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位。現已發現存在不同形式的復雜多基因家族。

Organizationofhistonegenesintheanimalgenome第12頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（二）真核基因的斷裂結構

基因的編碼序列在DNA分子上是不連續的，為非編碼序列所隔開，其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內含子。外顯子(Exon)

：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉錄成RNA并進而翻譯為蛋白質。內含子(Intron)

：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。

第13頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第14頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日1.外顯子與內含子的連接區

指外顯子和內含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：1）內含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性2）連接區序列很短，高度保守，是RNA剪接的信號序列（GT-AG法則）

5'GT……AG3'第15頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日2.外顯子與內含子的可變調控組成型剪接：一個基因的轉錄產物通過剪接只能產生一種成熟的mRNA。選擇性剪接：同一基因的轉錄產物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。

第16頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第17頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日(三)假基因是基因組中因突變而失活的基因，無蛋白質產物。一般是啟動子出現問題。第18頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第二節真核生物基因表達調控的種類根據其性質可分為兩大類：1)瞬時調控(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。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節。2)發育調控(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。第19頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日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－－轉錄水平調控－－轉錄后水平調控（RNA加工成熟過程的調控、翻譯水平的調控、蛋白質加工水平的調控）第20頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第三節真核生物DNA水平上的基因表達調控●基因丟失基因擴增基因重排DNA的甲基化與基因表達調控染色質的結構與基因表達調控●●●●抗體分子的形成Ti質粒轉座子第21頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日一、基因丟失在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發現類似的基因丟失現象。第22頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日二、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，它使得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。如非洲爪蟾卵原細胞中rRNA基因（rDNA）擴增是因發育需要而出現的基因擴增現象。第23頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

基因組拷貝數增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的現象。基因組拷貝數增加使可供遺傳重組的物質增多，這可能構成了加速基因進化、基因組重組和最終物種形成的一種方式。發育或系統發生中的倍性增加在植物中普遍存在第24頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日DNA含量的發育控制利用流式細胞儀對從擬南芥不同發育階段的組織中分離到的間期細胞核進行分析，發現多倍體的DNA含量與組織的成熟程度成正比。對于一給定的物種，C是單倍體基因組中的DNA質量。第25頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調節基因活性的典型例子:免疫球蛋白結構基因的表達。三、基因重排第26頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第27頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日四、DNA的甲基化與基因表達調控1.DNA的甲基化DNA甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。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。第28頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中

CpG二核苷酸通常成串出現在DNA上，CpG島

第29頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：日常型甲基轉移酶：催化處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。從頭合成型甲基轉移酶：催化未甲基化的CpG成為mCpG第30頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第31頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日2.DNA甲基化抑制基因轉錄的機理DNA甲基化導致某些區域DNA構象變化，從而影響了蛋白質與DNA的相互作用，即抑制了轉錄因子與啟動區DNA的結合效率。

第32頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第33頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日五、染色質的結構與基因表達調控按功能狀態的不同可將染色質分為活性染色質和非活性染色質。活性染色質是指具有轉錄活性的染色質；

非活性染色質是指沒有轉錄活性的染色質。1.活性染色質第34頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日活性染色質由于核小體發生構象的改變，往往具有疏松的染色質結構。第35頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第36頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日“燈刷型”染色體第37頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日真核細胞中基因轉錄的模板是染色質而不是裸露的DNA，因此染色質呈疏松或緊密結構，即是否處于活化狀態是決定RNA聚合酶能否有效行使轉錄功能的關鍵。疏松的染色質結構便于轉錄調控因子與順式調控元件結合和RNA聚合酶在轉錄模板上滑動。第38頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日活性染色質上具有DNaseI超敏感位點。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因5′端啟動子區域。2.活性染色質的結構特點第39頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日活性染色質上具有核基質結合區（matrixattachmentregion，MAR）MAR一般位于DNA放射環或活性轉錄基因的兩端。在外源基因兩端接上MAR，可增加基因表達水平10倍以上，說明MAR在基因表達調控中有作用，是一種新的基因調控元件。活性染色質上具有基因座控制區。第40頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第四節真核生物轉錄水平上的基因表達調控一、真核基因轉錄二、真核基因轉錄調控的主要模式第41頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日一、真核基因轉錄（一）真核基因結構第42頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日“基因”的分子生物學定義：產生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。第43頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（二）順式作用元件定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。例：啟動子、增強子、沉默子等（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子元件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，每個元件長度大約7~20bp,是決定RNA聚合酶轉錄起始點和轉錄頻率的關鍵元件。第44頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日核心啟動子：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：通過TFⅡD復合物調節轉錄起始的頻率，提高轉錄效率第45頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（2）增強子：指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。第46頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日SV40的轉錄單元上發現，轉錄起始位點上游約200bp處有兩段長72bp的正向重復序列。第47頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日增強子特點：①增強效應十分明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10-200倍②增強效應與其位置和取向無關，不論增強子以什么方向排列（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現出增強效應；

第48頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日③大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產生增強效應時所必需的；④增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質（轉錄因子）相互作用才能發揮其功能；第49頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日⑤沒有基因專一性，可以在不同的基因組合上表現增強效應；⑥許多增強子還受外部信號的調控，如金屬硫蛋白的基因啟動區上游所帶的增強子，就可以對環境中的鋅、鎘濃度做出反應。第50頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日增強子作用機理：

第51頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（3）沉默子：某些基因含有負性調節元件——沉默子，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。第52頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（三）反式作用因子

1、定義：能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件的核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區）第53頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日2、結構DNA結合結構域（DNA識別）轉錄活化結構域反式作用因子連接區第54頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

DNA結合結構域：螺旋-轉折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）鋅指結構（zincfinger）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucinezipper）堿性-螺旋-環-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH）第55頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日螺旋-轉折-螺旋（H-T-H）第56頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第57頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日鋅指結構配位鍵2-9個定義：是一種常出現在DNA結合蛋白中的結構基元（motif）。是由一個含有大約30個氨基酸的環和一個與環上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構成，形成的結構像手指狀。

第58頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

Cys2/Cys2鋅指Cys2/His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1，TFⅢA等第59頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日轉錄因子SP1（GC盒）

、連續的3個鋅指重復結構。第60頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日堿性-亮氨酸拉鏈（bZIP）二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。肽鏈氨基端有一個含20～30個堿性氨基酸的結構域，能與DNA結合。第61頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日堿性區與DNA相結合堿性區與DNA相結合位于螺旋疏水區的亮氨酸相互作用第62頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日堿性-螺旋-環-螺旋(bHLH

)第63頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日（一）概述單細胞生物

——直接作出反應多細胞生物

——通過細胞間復雜的信息傳遞系統來傳遞信息，從而調控機體活動。外界環境變化時二、真核基因轉錄調控的主要模式信息傳遞→反式作用因子的活性第64頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日跨膜信息傳遞的一般步驟：特定的細胞釋放信息物質信息物質經擴散或血液循環到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結合受體對信息進行轉換并啟動細胞內信使系統靶細胞產生生物學效應第65頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日細胞間信息物質：是由細胞分泌的調節靶細胞生命活動的化學物質的統稱，又稱作第一信使。如生長因子、細胞因子、胰島素等第二信使(secondarymessenger)：在細胞內傳遞信息的小分子物質，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。第66頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日受體：是細胞膜上或細胞內能特異識別信息物質并與之結合的成分。它是一種能把識別和接受的信息正確無誤地放大并傳遞到細胞內部、進而引起生物學效應的特殊蛋白質，個別是糖脂。

配體(ligand)：能與受體特異性結合的信息物質。第67頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日存在于細胞膜上的受體，根據其結構和轉換信號的方式又分為三大類：離子通道受體、G蛋白偶聯受體、跨膜蛋白激酶受體。膜受體(membranereceptor)第68頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第69頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日胞內受體(endocellularreceptor)高度可變區位于N端，具有轉錄活性DNA結合區含有鋅指結構激素結合區位于C端，結合激素、熱休克蛋白，使受體二聚化，激活轉錄第70頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日配體：類固醇激素、甲狀腺素等功能：多為反式作用因子，當與相應配體結合后，能與DNA的順式作用元件結合，調節基因轉錄。第71頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日1、膜受體介導的信息傳遞（1）cAMP-Ａ激酶途徑

A激酶（PKA）：依賴于cAMP的蛋白激酶。（二）信息傳遞途徑第72頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日cAMP調控的A激酶活性第73頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

實例：在肌肉細胞，激活的A激酶可在1秒鐘內啟動糖原磷酸解為葡萄糖-1-磷酸，而抑制糖原的合成。第74頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

第75頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日在某些分泌細胞，激活的A激酶需要幾個小時才進入細胞核，將CRE結合蛋白磷酸化，調節相關基因的表達。

CRE（cAMPresponseelement，cAMP應答元件）是DNA上的調節區域，是一個順式作用元件。(TGACGTCA)

CRE結合蛋白(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)，是一個反式作用因子。第76頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第77頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日小結：該信息傳遞途徑涉及的反應鏈可表示為激素→G蛋白偶聯受體→G蛋白→腺苷酸環化酶→cAMP→依賴cAMP的A激酶→反式作用因子→基因轉錄第78頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）磷脂酶C（PLC-β）肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）二酰基甘油（DAG）（2）磷脂酰肌醇途徑活性PKC第79頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第80頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

2、胞內受體介導的信息傳遞激素激活胞內受體的分子機制胞內受體的基本結構分析細胞內受體的本質是激素激活的反式作用因子

第81頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日甲狀腺激素與類固醇激素通過胞內受體調節生理過程第82頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第五節、真核基因轉錄后水平上的調控（一）RNA的加工成熟1、rRNA和tRNA的加工成熟第83頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

rRNA的切割

rRNA的加工：分子內的切割和化學修飾第84頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日

rRNA的化學修飾原核生物：堿基甲基化真核生物：核糖甲基化第85頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日tRNA基因轉錄時也可能先生成前體tRNA，然后再進行加工成熟。一般認為，tRNA基因的初級轉錄產物在進入細胞質后，首先經過核苷的修飾，生成4.5S前體tRNA，再行剪接成為成熟tRNA（4S）。

tRNA的加工：第86頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日2、mRNA的加工成熟第87頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日3、真核生物基因轉錄后加工的多樣性

真核生物的基因可以按其轉錄方式分為兩大類：簡單轉錄單位和復雜轉錄單位。(1)簡單轉錄單位。這類基因只編碼產生一個多肽，其原始轉錄產物有時需要加工，有時則不需要加工。這類基因轉錄后加工有3種不同形式：第88頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日第89頁，共100頁，星期日，2025年，2月5日(2)復雜轉錄單位。含有復雜轉錄單位的主要是一些編碼組織和