真核基因不同水平上的表达调控说课讲解

1、真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转 录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次（图真核生物基因表达中可 能的调控环节）。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。（一）DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有尖基因的数量、结构顺序和活性而控 制基因的表达。这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。其中有些 改变是可逆的。1、基因剂量与基因扩增细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多，细胞保持这种特定比例的方式 之一是基因组中不同基因的剂量不同。例如，有A、B两个基因，假如他们的转录、 翻译效率相同，若A基因拷贝数比B基因

2、多20倍，则A基因产物也多20倍。组 蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。为了合成大量组蛋白用于 形成染色质，多 数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。基因剂量也可经基因扩增临时增加。两栖动物如蟾赊的卵母细胞很大，是正常 体细胞的一百倍，需要合成大量核糖体。核糖体含有rRNA分子，基因组中的rRNA 基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。所以在卵母细胞发育 过程中， rRNA基因数目临时增加了 4000倍。卵母细胞的前体同其他体细胞一样，含有约 500个rRNA基因（rDNA）。在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高 达2X106。这个数 目可使得卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚

3、胎发育早期蛋白质大量合成的需 要。在基因扩增之前，这500个rRNA基因以串联方式排列。在发生扩增的3周时间 里，rDNA不再是一个单一连续DNA片段，而是形成大量小环即复制环，以增加基 因拷贝数目。这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中，包括鱼、 昆虫和两栖类动物。目前对这种基因扩增的机制并不清楚。在某些情况下，基因扩 增发生在异常的细胞中。例如，人类癌细胞中的许多致癌 基因，经大量扩增后高效 表达，导致细胞繁殖和生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞 扩散程度高度相尖2基因丢失在一些低等真核生物的细胞分化过程中，有些体细胞可以通过丢失 某些基因，从而达到调控基

4、因表达的目的，这是一种极端形式的不可逆的基因调控 方式。如某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育到一定阶段后，许多 体细胞常常丢失整条染色体或部分染色体，而只有在将来分化生殖细胞的那些细胞 中保留着整套的染色体。在马蛔虫中，个体发育到一定阶段后，体细胞中的染色 体破碎，形成许多小的染色体，其中有些小染色体没有着丝粒，它们因不能在细胞 分裂中正常分配而丢失，在将来形成生殖细胞的细胞中不存在染色体破碎现象。但 是，基因丢失现象在高等真核生物中还未发现。3- DNA重排（基因重排）基因重排（gene rearrangement）是指DNA分子中核背酸序列的重新排列。 这些序列的重排可以形成新

5、的基因，也可以调节基因的表达。这种重排是由基因组 中特定的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成蛋白质。尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普通方式，但它是有些基因调控的重 要机制，在真核生物细胞生长发育中起尖键作用酵母交配型转换。啤酒酵母交配型转换是DNA重排的结果。酵母菌有两种交换型，分别a和a。 单倍体a和a之间配合才能产生二倍体 曲a经减数分裂及产抱过程形成单倍体四分 子，其中a和a的抱子的比例为2 ： 2o如果单独培养基因型a和a的 抱子，由于仅 有与亲代相同的交配型基因型，所以形成的抱子之间不能发生交配。但酵母菌中有一 种同宗配合交配类型，其细胞可转换成对应的交配

6、类型，使细胞之间可发生配合。起始的单倍体抱子（这里是a）发育成一个母细胞及一个芽细胞，芽细胞再长成 子细胞。在下一次分裂后，这个母细胞及新形成的子细胞转换成对应的交配型a,结果 是两个a和两个a型细胞。相对应交配型细胞融合形成al a二倍体合 子（交配）。再 经有丝分裂及产抱过程又形成单倍体抱子。这种交配型转换的基础是遗传物质的重 排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第3染色体上，MATa和MATc互为等位基 因。含有MATa单倍体细胞为a交配型，具有MATc基因 型的细胞为a交配型。 MAT位点的两端，还有类似MAT基因的HMLa和HMRa基因，他们分别位于第3染 色体左臂和右臂上。这两个基

7、因分别具有与MATa和MATa相同的序列，但在其基因上游各有一个抑制转录起始的沉默子，所以不表 达。交换型转换是由HO内切核酸酶（HO endonuclease）的作用幵始的（图8 19）。这个内切酶将MATa基因内的一段24bp的双链DNA切开，另一种核酸外 切 酶在双链DNA的切口，从5到3加工产生一段突出的3单链尾端序列（约500个核昔 酸），MATa基因用这一段单链系列插入到MATc基因的同源序列中，以HMLa序列 为模板，合成一段新的HMLa基因序列，再通过重组使HMLa整合到MATa序列 中，导致基因转换，由MATa转换成MATc。在这个重组过程中，有一段244bp的 重组强化子（

8、recombinant enhancer, RE）对重组起顺式调控作用，是基因转换所 必须的，RE缺失则不能发生基因转换。这段RE序列也位于第3染色体左臂上，靠 近HMIa位点。MAT基因编码一种与MCM1转录因子互作的调控蛋白，控制其它基因转录。 MATa和MATx基因产物对MCM1具有不同的影响，因而表现出不同的等位基 因特异 表达模式。在红色面包霉及其它真菌中出现的四分抱子异常比例，也是重组后产成 的基因转换形成的。（2）动物抗体基因重排一个正常哺乳动物可产生108以上不同的抗体分子，每一种抗体具有与特 定抗 原结合的能力。抗体是蛋白质，每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列。如果抗体 的遗

9、传表达是一个基因编码一条多肽链，那么一个哺乳动物就需要108以上的基因来 编码抗体，这个数目至少是整个基因组中基因数目（现在估计人类 基因组中编码蛋 白质的基因大概只有30000个左右）的1000倍。这是不可能实现的！那么哺乳动物是采用什么机制形成如此众多的不同抗体分子的呢？ 首先我们看一下抗体分子的结构（图抗体分子结构）。抗体包括两条分别约 440个氨基酸的重链（heavy chain, H ）和两条分别约214个氨基酸的轻链（light chain, L ）。不同抗体分子的差别主要在重链和轻链的氨基端（N端），故将N端称为变异区（variable region, V ），N端的长度约为11

10、0个氨基酸。不同抗体竣基端（C端）的序列非常相似，称为恒定区（constant region, C ）。抗 体的轻链、重链之间和两条重链之间由二硫键连接，形成一种四链（ H2L2 ） 结构的免疫球蛋白分子。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是 由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。完整的重链基因由VH、D、J和C四个基因片断组合而成，完整的轻链基因由 VL、J和C三3个片段组合而成。人的第14号染色体上具有86个重链变异区片段（VH ），30个多样区片段 （diverse, D） , 9个连接区片段（jioning , J）以及11个恒定区片段（C）。轻

11、链基因分为3个片段，变异区（VL），连接区（J）和恒定区（C） o人类的轻 链分为2型：尺型（Kappa轻链，K和入型（Lambda轻链，入）。K轻链基因位于 第2号染色体上，入轻链基因位于第22号染色体随着B淋巴细胞的发育，基因组中 的抗体基因在DNA水平发生重组，形成编码抗体的完整基因（图人类抗体重链基因 结构）。在每一个重链分子重排时，首先V区段与D区段连接，然后与J区段连接，最后与C区段连接，形成一个完整的抗体重链基因。每一 个淋巴细胞中只有一种重排的抗体基因。轻链的重排方式与重链基本相似（图 人类抗体K链基因结构），所不同的 是轻链由3个不同的片断组成。重链和轻链基因重排后转录，再翻

12、译成蛋白质，由二硫键连接，形成抗体分 子。产生免疫球蛋白分子多样性的遗传控制：重链和轻链的不同组合，K A、H ;在重链中，V、D、J和C片段的组合；K轻链中V和C的组合；入轻链中V、J和C的组合；此外，基因片段之间的连接点也可以在几个bp的范围内移动。因此，可以从约 300个抗体基因片段中产生109数量级的免疫球蛋白分子。3. DNA甲基化和去甲基化在真核生物DNA分子中，少数胞喀旋碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催 化下被一个甲基取代5使胞陀11定甲基化（methylation）。甲基化多发生在5CG- 3二核昔酸对上。有时CG二核背酸对上的两个C都 甲基化，称为完全甲基化，只有一个C甲基

13、化称为半甲基化。甲基化酶可识别这种半 甲基化DNA分子，使另一条链上的胞喘旋也甲基化。DNA的甲基化可以引起基因的失活。活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。表达活性与甲基化程度呈负相尖。甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏 之间起调节作用。把甲基化和未甲基化的病毒DNA或细胞核基因分别导入活细胞， 已甲基化的基因不表达，而未甲基化的能够表达。在大鼠个体发育过 程中，核内 DNA甲基化的水平失不断提高的，14d的胚胎肝脏只有8%的rDNA甲基化，18d的胚 胎肝脏有30%的rDNA甲基化，而成年大鼠肝组织中rDNA的甲基化程度高达60%。某些玉米Ac转座因子在没有任何DNA序列变化的情况下

14、，失去了转座酶 基因 活性，就是因为这个基因的富含CG区域发生了高度甲基化。经化学处理去甲基化 后，又可使转座酶基因活性恢复。(-)转录水平的调控 持家基因和奢侈基因在多细胞的高等真核生物中，各种类型的 细胞中都有相同的一些基因在表 达，这些基因的产物是维持细胞的正常结构、运 动、以及参与新成代谢等生命活动所必须的，由于它们的功能对于每一个细胞幵说 都是必不可少的5所以将这些 基因称为持家基因(house keeping gene )。如组蛋白 基因、核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶基因等。在哺乳动物中，持家基 因大约有10000个左右。另一类基因是组织特异性基因(tissue-spe

15、cific gene ),又称 为奢侈基因(luxury gene) o这类基因与细胞的特定功能有尖，是在各种组织中选择性 表达的 基因。如表皮的角蛋白基因、肌细胞中的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因等。 据估计，各类细胞中的奢侈基因的总和大于持家基因的数目。持家基因和奢侈基因 的表达调控通常发生在转录水平。前面介绍了细菌中的基因经诱导可使表达效率提高 千倍以上。这种极端的调控水 平很难发生在真核生物基因表达中(酵母菌除外)。 大多数真核生物基因经诱导可提高几倍至数十倍的表达效率。多数真核生物基因转录 水平的调控是正调控。1、真核基因表达调控的顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting elem

16、ent)是指 DNA分子上对基因表达有调节活性 的特定核苜酸序列。顺式作用元件的活性只影响同 一 DNA分子上的基因。这种DNA序列多位于基因上游或内含子中。真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为：启动子、增强子和静止子。启动子 的结构和功能启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上 游，邻近基因转录起始点，是基因的一部分(图真核生物启动子元件)。TATA框(TATA box ):中心位于一30位置，是RNA聚合酶U识别和结 合位点。 富含AT碱基，一般有8bp，改变其中任何一个碱基都会显著降低转录活性，又称为 Hogness box。如人类的B珠蛋白基因启动子中TATA序

17、列发生 突变，B珠蛋白产量 就会大幅度下降而引起贫血症。CAAT 框(CAAT box ):位于一70 一80 位置，共有序列 GGCC(T)CAATCT。决定启动子的起始频率。兔的B珠蛋白基因的CAAT框变成TTCCAATCT，其转录 效率只有原来的12%。GC框(GC box) : - 110位置，GGGCGG。增强转录活性。真核基因的启动子 有三个元件构成，而原核基因的启动子一般只有两个元件，位置的TATAbox和 35 位置的 TTGACAbox。增强子的结构和功能增强子(enhancer )、又称强彳匕子(transcriptional enhancer )、是不中远 端调 控元件，

18、至少距转录起始点上游10Obp以上，通常位于一7001000处，所以又称 为上;游激j舌序歹I (upstream activator sequenee, UAS)。增强子区的跨度一般有100 -200bp，和启动子一样，由一个或多个各具特征 的DNA序列组成，常由8- 12bp的核匚、序列和其他序列相间排列。增强子也要通过与特定的蛋白质因子(转录因子)结合而实现其对转录的增强作静止子是一种类似增强子但起负调控作用的顺式作用元件。有人称为沉默基因。静止 子与相应的反式作用因子结合后，可以使正调控系统失去作用。2、真核基因调控的反式作用因子 不论是启动子还是增强子序列，他们的转录调 节功能都是通

19、过与特定的DNA结合蛋白的相互作用而实现的。真核生物的RNA聚合酶与原核生物的RNA聚合酶不同，它本身不能启动转 录，纯化了的真核生物RNA聚合酶在体外是不能启动转录的。因此必须事先 有一套 转录因子装配到启动子上，RNA聚合酶才能启动转录。这些转录因子一般并不是RNA聚合酶的组成成分。能直接或间接识别各种顺式 调控元件并与之结合从而调控基因转录效率的各种蛋白质分子称为反式作用因子 （trans-acting factor）。能激活真核生物基因转录的蛋白质称为转录因子（transcription factor, TF） o转 录因子是参与正调控的反式作用因子，是转录起始过程中RNA聚合酶所需要

20、的辅助 因子。这类DNA结合蛋白有很多种，顺式调控元件也有多种，正是不同的DNA序列 和不同的DNA结合蛋白之间在空间结构上的相互作用，以及蛋白质与蛋白质之间的 相互作用，构成了复杂的基因转录调控机制。反式作用因子的结构特征 反式作用因子一般都具有三个不同功能结构域（domain）。DNA结合结构域与顺式调控元件结合的部位。对大量转录调控因子结构的研 究表明，DNA结合结构域大多在100bp以下。大体上有4种结构特征：a螺旋一转角一a螺（helix-turn-helix, HTH）结构（图螺 旋 转角螺旋）、锌指（zi nc fin ger）结构（图锌指结构）、亮氨酸拉链（leuci ne z

21、ipper）结构 （图亮氨酸拉链）等。 激活基因转录的功能结构域一般有20-100个氨基酸组成。有时一个反式 作用因子可能有一个以上的转录激活区。结构特征有：含有很多带负电荷的a螺旋、 富含谷氨酰胺或者富含脯氨酸。 与其他蛋白质因子结合的结构域不同的反式调控因子（转录因子）与顺式调控元件相互作用，启动转录的效率不 同。2选择性启动子有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。不同 启动子可产生不同的初级转录产物和不相同的蛋白质编码序列。果蝇的乙醇脫氢酶 基因是一个典型的例子。这个基因的结构见图8-31A。在幼虫（图8-31B ）和成虫 期（图8-31C ）分别利用不同启动

22、子进行转录。成虫期的转录具有一段很长的5,端 前导序列，其中大多数在mRNA加工中去掉。多启动子可使幼虫和成虫具有独立的 转录调控。（三）转录后调控在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为核不均一 RNA，必须经过加 工才 能成为成熟的mRNA分子。在第三章已经讲过，加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子转录后的内含子剪切过程在基因表达的调控中具有重要意义。选择性mRNA切割我们知道，在DNA水平上，真核生物基因与原核生物基因有一个明显的不同之 处，也就是真核生物的基因是不连续的，外显子与内含子相间排列，而转录的时候 外显子和内含子是一起转录的。转录以后必须降内含子切除，才能形成成熟的

23、mRNA分子。这个过程成为剪接（splicing ）。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟 mRNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同（图选择性剪接）。（四）翻译水平的调控在真核生物中，基因表达的调控主要发生在转录水平上，但是，翻译水平的 调控也是十分重要的。阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译。铁蛋白的功能是在细胞内贮存铁。铁蛋白mRNA的翻译取决于铁的供应。铁供应充足，则铁蛋白合成就多。当细胞中没有铁时，阻遏蛋白与铁蛋白mRNA结 合，阻止翻译的进行。当细胞中有铁存在时，阻遏蛋白就不与铁蛋白mRNA结合，使 翻译得以进行。成熟的mRNA可以

24、失活状态贮存起来。（五）翻译后调控从mRNA翻译成蛋白质，并不意味着基因表达的调控就结束了。直接来自核糖 体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工 过程中，还有一系列的调控机制。1蛋白质折叠线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋 白质的折叠必须有伴蛋白的作用下才能完成折叠。2蛋白酶切割末端切割有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号 肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。脊椎动物胰腺中形成的胰岛素，最初的长度是105个氨基酸，称为前胰岛素 原，在加工中首先将氨基端的24个氨基酸残基切除，成为前体胰岛素，再将中间的 一段切除，留下两端有活性的部分，即21个氨基酸残基的A链和30个残基的B 链，这两条链再由两个二硫键连接成有生物活性的胰岛素。多聚蛋白质的切割有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能 的蛋白质分子。如脑下丘腺产生的一种多肽链，包括4种不同的激素分子，经蛋 白酶切割以后成型。在不同的细胞中切割的方式和位点不同，从而产生多种不同的 激素，适应不同细胞生长发育的需要。3、蛋白质的化学修饰简单的化学修饰是将一些小的化学基团，如乙酰基、甲基、磷酸基加到氨基 酸 侧链上，或者加到氨基端或竣基端。这种修