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第7章基因表达与调控(下)真核基因表达调控的一般规律，真核生物基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物DNA水平的基因表达调控真核生物转录水平的基因表达调控真核基因转录后水平的调控，Contents，一、 真核基因组结构特征真核基因组结构庞大3109bp，染色质、核膜单顺反基因不连续性破坏基因(interruptedgene )、内含子(intron )、外显子(exon )的非编码区域含有比编码序列(9:1 )更多的重复序列多存在染色体结构简化转录单元的多顺反子，具有原核生物基因组结构特征、重复基因，二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA空间结构方面存在以下几个方面的差异，尝试说明真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA空间结构方面的主要差异武汉大学2003年分子生物学硕士入学问题真核细胞中，成熟的mRNA链只能翻译一个多肽链，原核生物常见的多基因操作子形式较少。 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，仅露出少量DNA。 高等真核细胞DNA大部分未被转录，大部分真核细胞的基因之间存在未被翻译的内含子。 真核生物可根据生长发育阶段的需要有序地进行DNA片段的转位，必要时可增加细胞内某些基因的拷贝数。 真核生物的基因转录调节区较大，可能远离启动子数百至数千个碱基对，这些调节区通常通过改变调控基因5上游区的整个DNA配置来影响与RNA聚合酶的结合能力。 在原核生物中，转录调节区域较小，大部分离启动子上游不远，调节蛋白与调节部位结合可以直接促进或抑制RNA聚合酶及其结合。真核生物的RNA在核中合成，通过核膜到达细胞质后被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。许多真核生物的基因经过复杂的成熟和切割过程，能很好地翻译成蛋白质。 三、基本概念、(一)基因家族、真核生物的基因组中同样有许多结构相似、功能相关的基因，这些基因被称为基因家族。 有时同一家族的成员紧密排列，成为基因簇(genecluster )。 例如组蛋白、免疫球蛋白、编码血红蛋白的基因都属于基因家族1、单纯多基因家族的单纯多基因家族的基因一般串联前后连接。theeukaryoticribosoomaldnarepeatingunit，2，复杂多基因家族，复杂多基因家族一般由若干相关基因家族组成，基因家族之间以间隔序列分隔，成为独立的转录单位。 目前发现存在不同形式的复杂多基因家族。organiconfigurationofsingeneentintheanilgenome，(2)切断基因，基因的编码序列在DNA分子上不连续，与编码序列隔离，其中编码序列称为外显子，编码序列称为内含子外显子：真核细胞基因DNA的编码序列被转录到RNA中，被翻译成蛋白质。 内含子：真核细胞基因DNA中的嵌入序列被转录到RNA中，但不能立即被切断翻译。 1、外显子与内含子的连接区是指外显子与内含子的边界或边界序列，内含子两端序列之间广泛的同源连接区序列短，维护性高，RNA切断的信号序列5 gt ag 3，2，2，外显子与内含子的可变控制，构型切断：一个遗传选择性剪接：同一基因的转录产物根据剪接方式形成不同的mRNA。(3)假基因是基因中因突变而失活的基因，没有蛋白质的产物。 启动子一般有问题。 第二节真核生物基因表达调控特点和种类，第一、真核生物基因表达调控特点1、RNA聚合酶2、多层次3、个体发育复杂4、活性染色体结构变化：核酸酶敏感、DNA拓扑变化、DNA碱修饰变化、组蛋白变化5、正性调节为主导6、转录与翻译间隔7、转录后修饰、加工根据其性质可分为两类：一类是瞬时控制或可逆性控制，相当于原核细胞对环境条件变化的反应。 瞬时控制包括某些基质和激素水平的上升，细胞周期不同阶段酶活性和浓度的调节。 二是被称为发育调控或不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的一切过程。 基因调控在同一事件发生前后的顺序是DNA水平调控转录后水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平调控，二、真核生物基因表达调控的种类：第三节真核生物DNA水平基因表达调控基因扩增、基因重排、DNA甲基化状态和调控、染色体结构和调控、 、形成抗体分子Ti质粒的转运蛋白、一、基因在细胞分化过程中失去某些基因，可以消除这些基因的活性。 部分原生动物、线虫、昆虫、甲壳类动物在个体发育中，很多体细胞总是失去整个染色体或部分染色体，只有将来分化产生生殖细胞的细胞一直保持着一组染色体。 目前，高等真核生物(包括动物、植物)尚未发现类似的遗传基因丧失现象。 二、基因扩增：基因扩增是某些基因拷贝数特异性增大的现象，细胞在短时间内产生大量基因产物满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。 例如，非洲蟾蜍体细胞中rDNA的基因扩增是由于发育的需要而出现的基因扩增现象。 基因组的拷贝数增加，即多倍性在植物中是非常普遍的现象。 随着基因组拷贝数的增加，可转基因物质的增加，可能构成基因进化、基因组重组和加速最终物种形成的一种方法。 发育或系统发生中倍性增加普遍存在于植物中，DNA含量的发育调控利用流式细胞仪分析拟南芥不同发育阶段组织分离的间期核，发现多倍体的DNA含量与组织成熟度成正比。 相对于某种，c是单倍体基因组中DNA的质量。 将基因从远离启动子的地方移动到近的地方开始转录的方式称为基因转位。 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的表达。三、基因重排：四、DNA甲基化和基因调控：1、DNA甲基化，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核苷酸通常串联出现在DNA中，CpG岛、真核生物细胞中有2种甲基核苷酸日常型甲基转移酶，一开始合成型甲基转移酶，2，DNA甲基化抑制基因转录的机制，改变DNA甲基化某一地区的DNA序列，影响蛋白质与DNA的相互作用，抑制转录因子与启动子区DNA的结合效率。 五、染色质结构和基因表达调控：根据功能状态可将染色质分为活性染色质和非活性染色质，活性染色质是指指具有转录活性的染色质的非活性染色质是指没有转录活性的染色质。 活性染色质因核小体的配置而发生构象变化，常具有疏松的染色质结构，因此转录控制因子与顺控元件的结合和RNA聚合酶易于在转录模板上滑动。活性染色质、真核细胞中的基因转录模板是染色质，而不是裸DNA，因此染色质呈稀疏或密集的结构，是否处于活性状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。 活性染色质的主要特征是结构上：活性染色质具有DNaseI超敏感部位的活性染色质在基因座控制区的活性染色质中有核基质结合区(MAR序列)、二、真核基因表达调控特征；(一) RNA聚合酶；(二)活性染色体结构的变化；一.对核酸酶敏感，活性基因有超敏感部位，调节蛋白结合部位附近2.DNA拓扑改变，天然双链DNA呈负超螺旋结构存在，基因激活后3.DNA碱基修饰改变，4 .组蛋白改变，富含Lys组蛋白水平下降的H2A、H2B二聚体不稳定性增加的组蛋白修饰H3组蛋白巯基正性调节占支配地位，(4)转录和翻译分离，(5)转录后修饰、加工，活性染色质有DNaseI超敏感部位。 活跃表达的基因有一个或多个超敏感部位，大部分位于基因的5末端启动子区。 活性染色质有核基质结合区(matrixattachmentregion，MAR )。 MAR一般位于DNA辐射环和活性转录基因两端。 外源基因两端连接MAR可使基因表达水平增加10倍以上，说明MAR对基因表达调控有效。 一种新的基因调控元件。第四节真核生物转录水平的基因表达调控，第一、真核基因转录(第一)真核基因结构，“基因”的分子生物学定义：产生多肽链和功能RNA所需的所有核苷酸序列。 (二)顺式作用元件的定义：影响自基因表达活性的非编码DNA序列。 例如启动子、增强子、沉默子等，(1)启动子： DNA分子中，RNA聚合酶识别、结合，引起转录开始的序列。核启动子和上游启动子，(2)增强子：指明显增加与之相关的基因转录频率的DNA序列。 发现，、SV40的转印开始部位的上游约200bp有2段长度72bp的正向重复排列。 增强子的特点：增强子效应非常明显，一般可使基因转录频率增加10-200倍，增强子效应与其位置和方向无关，无论增强子排列在哪个方向(53或35)，均远离靶基因3kb 靶基因下游出现增强子效应多为重复序列，一般约50bp长，适合与某些蛋白质因子结合。 其内部始终含有一个核心序列： (G)TGGA/TA/TA/T(G )该序列产生增强效应时所必需的增强效应具有严格的组织和细胞特异性，增强子只有与特定蛋白质(转录因子)相互作用后才显示无基因特异性， 不同基因组合能表达增强效果的许多增强子受外部信号控制，例如，位于金属硫蛋白基因启动区上游的增强子对环境中锌、镉的浓度有反应。 增强子作用机制： (3)增强子：某些基因含有负调节元件增强子，结合特异蛋白因子阻碍基因转录。 insulatorsblockactivationbyenhancers，Figure17-12，(三)反式作用因子，1，定义：直接或间接地识别或结合各种顺式作用元件的核心序列，涉及控制靶基因转录效率的蛋白质。TFD(TATA )，CTF(CAAT )，SP1(GGGCGG )，HSF (热刺激蛋白活性区)，2，结构，DNA结合结构区，转录活性结构区，结构区，连接区，(1)DNA结合结构区： 螺旋螺旋H-T-H )锌指结构(zincfinger )碱性亮氨酸拉链(basic-leucinezipper )碱性-螺旋-螺旋(basic-helix/loop/helix，bHLH )，1，螺旋-转换-螺旋由含有约30个氨基酸的环、环上的4个Cys或2个Cys以及与His配位的Zn构成，构成手指一样的结构。 另外，Cys2/Cys2锌是指Cys2/His2锌，在类固醇激素受体中可见，在SP1、TFA等中可见，转录因子SP1(GC盒)，与连续的3个锌指的是重复结构。3、碱亮氨酸拉链、二聚亮氨酸的相互作用形成二聚体，形成“拉链”。 肽链氨基末端的2030个富含碱性氨基酸的区域与DNA结合。 此类蛋白质的DNA结合域实际上是基于整个碱性域和亮氨酸结合域。 定义： DNA结合蛋白和其他蛋白中出现的结构基团(基因)。 来自同一多肽链或不同多肽链的两个螺旋的疏水面(通常包括亮氨酸残基)相互作用形成一个轮对环的二聚体结构，形成亮氨酸拉链。 4、碱性螺旋、(4)转录起始复合体、第四节真核生物转录水平的基因表达调控、一、真核基因转录二、真核基因转录调控的主要模式、信号转导、(1)概述、单细胞生物直接反应，多细胞生物通过细胞间复杂的信号转导系统传递信息外界环境变化时，通过膜传递信号的一般程序，特定细胞释放信息物质，信息物质经扩散或血循环到达靶细胞，与靶细胞的受体特异性结合，受体转换信号启动细胞内信使系统，靶细胞产生生物学效应， 细胞间信息物质是调节细胞分泌靶细胞生命活动的化学物质的总称，又称第一信使。 生长因子、细胞因子、胰岛素等在细胞内传递信息的小分子物质，如Ca2、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。 第二信使(secondarymessenger )能够与受体特异性结合的生物活性分子称为ligand。 受体的定义是细胞膜上或细胞内特别是识别并结合生物活性分子的成分。 是一种特殊的蛋白质，可以正确扩增识别和接收的信号并传递到细胞内部，从而产生生物学效应，分别是糖脂。 细胞质膜中的受体根据其结构和信号转换方式分为离子通道受体、g蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体三类。 1、膜受体(membranereceptor )，(1)G蛋白偶联受体又称7个膜穿透螺旋受体/蛇型受体，具有、非活性型和2种配位的活性型，2种g蛋白的活性型和非活性型的相互变化，如目录、 霍乱毒素催化ADP核糖基的共价键与Gs的亚基结合，亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP与Gs的亚基永久结合，亚基持续活化，腺苷酸环化酶永久活化。 霍乱患者的细胞内Na和水持续流出，引起剧烈腹泻脱水。 2、位于细胞内受体(membranereceptor )、高度可变区、n末端，转录活性，包括DNA结合区、锌指结构，激素