分子第六章真核基因表达调控

1、Prepared and presented byDengyue YuanMolecular Biology第六章第六章 真真核基因表达调控核基因表达调控第一节第一节 真核基因表达调控真核基因表达调控相关概念和一般规律相关概念和一般规律Molecular Biology真核生物与原核生物真核生物与原核生物真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA空间结构方面存在空间结构方面存在如下差异：如下差异：（1）在真核细胞中，一条成熟）在真核细胞中，一条成熟mRNA链只能翻译出一条多肽链，原链只能翻译出一条多肽链，原核生物中常见的多基因操纵子形式在真核细胞中比较少见。

2、核生物中常见的多基因操纵子形式在真核细胞中比较少见。（2）真核细胞的）真核细胞的DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，只有一小部分与组蛋白和大量非组蛋白结合，只有一小部分DNA是裸露的。是裸露的。（3）高等真核细胞）高等真核细胞DNA中大部分不转录，有些序列重复几百次甚至中大部分不转录，有些序列重复几百次甚至上百万次。此外，真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。上百万次。此外，真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。（4）在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于转录起始）在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于转录起始点上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制点上游不远处，调

3、控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶对它的结合。而在真核生物中，基因转录的调节区则聚合酶对它的结合。而在真核生物中，基因转录的调节区则大得多，它们可能远离核心启动子几百个甚至上千个碱基对。虽大得多，它们可能远离核心启动子几百个甚至上千个碱基对。虽然这些调节区也能与蛋白质结合，但是并不直接影响启动子区对然这些调节区也能与蛋白质结合，但是并不直接影响启动子区对于于RNA聚合酶的接受程度，而是通过改变整个所控制基因聚合酶的接受程度，而是通过改变整个所控制基因5上游上游区区DNA构型来影响它与构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。聚合酶的结合能力。（5）真核生物能够有序地根据生长发育阶段

4、的需要进行真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。（6）真核生物的）真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质基质后，才能被翻译成蛋白质。原核生物中不存在这到达细胞质基质后，才能被翻译成蛋白质。原核生物中不存在这样严格的空间间隔。样严格的空间间隔。（7）许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能）许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。被顺利地翻译成蛋白质。1、基因组大。、基因组大。2、

5、染色质、染色质在核膜在核膜内。内。3、基因组、基因组是二倍体或是二倍体或多倍体。多倍体。4、没有、没有操纵操纵子结构。子结构。5、基因组、基因组中仅约中仅约10%的序列为蛋白质、的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等等编码，编码，其余约其余约90%的序列功能至今的序列功能至今还不清楚还不清楚。一、真核一、真核基因组的复杂性基因组的复杂性6、有、有外显子（外显子（exon）和内含子（）和内含子（intron）。）。7、存在大量重复序列。、存在大量重复序列。8、基因、基因转录的调节区相对转录的调节区相对较大。较大。9、真核生物、真核生物的的RNA在细胞核中合成，只有经转运在细胞核中合成，只有经转运穿

6、过穿过核膜，到核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。一、真核一、真核基因组的复杂性基因组的复杂性真核生物基因调控可分为两大类：真核生物基因调控可分为两大类：第第一类是一类是瞬时调控或称可逆性调控瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降时，或条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节。细胞周期不同阶段中酶活性的调节。第二第二类是类是发育调控或发育调控或称不可逆性称不可逆性调控调控，是真核基因调控的精髓，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞

7、生长、分化、发育的全部进程。部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。二、真核基因调控的类型二、真核基因调控的类型根据基因调控在同一事件中发生的先后次序，真核生物根据基因调控在同一事件中发生的先后次序，真核生物基因基因调控又可分为：调控又可分为：转录水平调控转录水平调控：遗传水平的：遗传水平的DNA调控和表观遗传水平的染色质调控和表观遗传水平的染色质调控。调控。转录后水平调控转录后水平调控：RNA加工成熟过程的调控、翻译水平的调控加工成熟过程的调控、翻译水平的调控及蛋白质加工水平。及蛋白质加工水平。二、真核基因调控的类型二、真核基因调控的类型1、真核、真核基因表达基因表达调控的调控的环

8、节环节更多。更多。2、真核、真核基因的转录基因的转录与染色质与染色质的结构变化的结构变化相关。相关。3、真核、真核基因表达以基因表达以正性正性调控为主。调控为主。三、真核基因表达调控的特点三、真核基因表达调控的特点在原核细胞中，密切相关的基因往往组成操纵子，并且以多顺在原核细胞中，密切相关的基因往往组成操纵子，并且以多顺反子反子mRNA的方式进行转录，整个体系被置于一个启动子的控制的方式进行转录，整个体系被置于一个启动子的控制之下。真核细胞的之下。真核细胞的DNA是单顺反子结构，很少出现置于一个启动是单顺反子结构，很少出现置于一个启动子控制之下的操纵子。真核细胞中许多相关的基因常按功能成套子控

9、制之下的操纵子。真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为组合，被称为基因家族基因家族。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇。但更多的时候，它们分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不但更多的时候，它们分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各种不同的表达调控模式。同的染色体上，具有各种不同的表达调控模式。四、基因家族四、基因家族1、 简单简单多基因家族多基因家族 基因基因一般以串联方式前后一般以串联方式前后相连。相连。四、基因家族四、基因家族2、复杂多基因家族：一般由几个相关基因家族构成，基因复杂多基因

10、家族：一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由家族之间由间隔序列间隔序列隔开，并作为独立的转录单位隔开，并作为独立的转录单位。四、基因家族四、基因家族3、发育调控的复杂发育调控的复杂多基因家族。多基因家族。四、基因家族四、基因家族在一个结构基因中，编码某一在一个结构基因中，编码某一蛋白质蛋白质不不同同区域的区域的各个各个外显子外显子并并不连续不连续排列在一起，而是常常被排列在一起，而是常常被长度长度不不等的内含子等的内含子所隔离，形成所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式，因此，镶嵌排列的断裂方式，因此，真核基因真核基因有时被称为有时被称为断裂基因断裂基因(interrupted gene)。五、真

11、核基因的断裂结构五、真核基因的断裂结构真核基因断裂结构真核基因断裂结构的特点的特点：外显子外显子-内含子内含子连接连接区的高度保守性区的高度保守性和特异性和特异性碱基序列碱基序列GU-AG。五、真核基因的断裂结构五、真核基因的断裂结构外显子与内含子的可变调控：外显子与内含子的可变调控：在基因转录，加工产生成熟在基因转录，加工产生成熟mRNA分子时，内含子通过剪接加工分子时，内含子通过剪接加工被去掉，保留在成熟被去掉，保留在成熟mRNA分子中的外显子被拼接在一起，最终分子中的外显子被拼接在一起，最终被翻译成蛋白质。因此，通过反转录酶的作用，由成熟被翻译成蛋白质。因此，通过反转录酶的作用，由成熟m

12、RNA产产生的生的cDNA分子中，只含有外显子，没有内含子。分子中，只含有外显子，没有内含子。五、真核基因的断裂结构五、真核基因的断裂结构第二节第二节 真核生物真核生物DNA水平水平上的上的基因表达基因表达调控调控Molecular Biology一、染色质结构对真核基因转录的调控一、染色质结构对真核基因转录的调控二、二、 DNA甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控三、基因扩增对基因表达的影响三、基因扩增对基因表达的影响四、基因重排对基因表达的影响四、基因重排对基因表达的影响Content1、染色质、染色质结构影响基因转录结构影响基因转录染色质染色质的两种状态：的两种状态：非非活性状态

13、活性状态：如异染色质：如异染色质 (heterochromatin)。活性状态活性状态： 活泼活泼转录区对核酸酶的敏感性转录区对核酸酶的敏感性提高。提高。正在正在转录的转录的DNA甲基甲基化程度化程度降低。降低。活泼活泼转录的染色质常常缺乏组蛋白转录的染色质常常缺乏组蛋白H1 ，其他核心，其他核心组蛋白则组蛋白则被乙酰化或与被乙酰化或与泛素相结合而泛素相结合而修饰。修饰。非常非常活泼的转录区，如许多真核生物的活泼的转录区，如许多真核生物的rRNA基因基因处处，没有，没有核小体结构。核小体结构。一、染色质结构对真核基因转录的调控一、染色质结构对真核基因转录的调控真核基因的活跃转录是在常染色质上进

14、行的。真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生转录发生之前，之前，染色质常会在特定的区域被节选松弛，染色质常会在特定的区域被节选松弛，形成自由形成自由DNA。这种这种变化可能包括核小体结构的消除或改变，变化可能包括核小体结构的消除或改变，DNA本身本身局部局部结构的变化，从右旋型变成左旋型（结构的变化，从右旋型变成左旋型（Z-DNA）等）等，这些变化可，这些变化可导致结构基因暴露，促进转录因子与导致结构基因暴露，促进转录因子与启动启动区区DNA的结合，诱发的结合，诱发基因转录。基因转录。1、染色质结构影响基因转录、染色质结构影响基因转录浓缩状态的浓缩状态的染色质称为染色质称为异染色质异

15、染色质，为，为非活性转录非活性转录区。区。真核生物真核生物可可通过通过异染色质化异染色质化关闭关闭某些基因的某些基因的表达表达。组蛋白组蛋白扮演了非特扮演了非特异性阻遏蛋白的异性阻遏蛋白的作用，非作用，非组蛋白成分起到特组蛋白成分起到特异性的去阻遏促异性的去阻遏促转录作用。转录作用。组蛋白的组蛋白的修饰：组蛋白修饰：组蛋白N端端尾部，尤其是尾部，尤其是H3和和H4的修饰，的修饰，起始起始了染色质结构了染色质结构的的变化。变化。 修饰类型包括修饰类型包括甲基化甲基化、乙酰乙酰化化和和磷酸磷酸化化。组蛋白组蛋白修饰可能影响核小体结构或者非组蛋白的结合修饰可能影响核小体结构或者非组蛋白的结合位点位点

16、，从，从而改变染色质的性质。通常认为乙酰化和而改变染色质的性质。通常认为乙酰化和活性染色质活性染色质，甲基化和，甲基化和非活性染色质相关，但这并非是一个非活性染色质相关，但这并非是一个统一统一的规律的规律。2、组蛋白、组蛋白乙酰化是可逆的，分别由相应的酶来催化。乙酰化是可逆的，分别由相应的酶来催化。乙酰化：组蛋白乙酰转移酶（乙酰化：组蛋白乙酰转移酶（HAT）去乙酰化：组蛋白去乙酰化酶（去乙酰化：组蛋白去乙酰化酶（HDAC）转录转录激活因子和激活因子和HAT活性相关联，转录阻遏物则和活性相关联，转录阻遏物则和HDAC活性活性相关联。相关联。故组蛋白的乙酰化与基因的活性相关联，相反通过故组蛋白的乙

17、酰化与基因的活性相关联，相反通过组蛋组蛋白白去乙酰化抑制转录。去乙酰化抑制转录。（一）乙酰化（一）乙酰化组蛋白组蛋白N-端的尾巴是乙酰化端的尾巴是乙酰化与去与去乙酰化的修饰乙酰化的修饰位点。位点。甲基化和非活性染色质相关，与失活相甲基化和非活性染色质相关，与失活相联系。联系。包括组蛋白甲基化和包括组蛋白甲基化和DNA甲基化，甲基化， DNA 的甲基化和组蛋白的甲的甲基化和组蛋白的甲基化可能相互关联，一种类型的修饰可以引发另一种类型的修饰。基化可能相互关联，一种类型的修饰可以引发另一种类型的修饰。组蛋白组蛋白甲基化位点：甲基化位点：H3的的2个赖氨酸，个赖氨酸，H4的一个的一个精氨酸。精氨酸。D

18、NA甲基化位点：主要是甲基化位点：主要是CpG岛中的岛中的C。反应反应由甲基转移酶由甲基转移酶催化。催化。（二）甲基化二）甲基化四种四种组蛋白（组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各）各2分子分子组 成组 成 八 聚 体 的 小 圆 盘八 聚 体 的 小 圆 盘 DNA缠绕缠绕 H1组蛋白。组蛋白。3、核小体的、核小体的形成和结构对转录的影响形成和结构对转录的影响当启动子区当启动子区形成了核小体形成了核小体时，时，转录转录因子因子和和RNA聚合酶不能聚合酶不能与之结合。与之结合。当当转录因子和转录因子和RNA聚合酶聚合酶与启动子与启动子结合结合后，后，组蛋白不能与组蛋白不能与启动子启动子DNA

19、结结合。合。细胞细胞内基因组包裹在核小体内。如内基因组包裹在核小体内。如果果启动子区启动子区在核小体中，则转录的起在核小体中，则转录的起始通常会被抑制。始通常会被抑制。3、核小体的、核小体的形成和结构对转录的影响形成和结构对转录的影响真核真核DNA中中的胞嘧啶约有的胞嘧啶约有5%被甲基化成被甲基化成5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-methylcytidine, 5-mC)，而，而活跃转录的活跃转录的DNA段落中胞嘧啶段落中胞嘧啶甲基甲基化程化程度常较低度常较低。主要主要甲基化形式甲基化形式5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5-mC），），少量的少量的N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤（N6-mA）和）和7-甲

20、基鸟嘌呤（甲基鸟嘌呤（7-mG）。）。甲基甲基化可使基因失活，去甲基化又可使基因恢复活性化可使基因失活，去甲基化又可使基因恢复活性。 DNA甲基化能引起染色质结构、甲基化能引起染色质结构、DNA构象、构象、DNA稳定性及稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。基因表达。二、二、DNA甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控DNA甲基化的简单检测甲基化的简单检测：同：同裂酶裂酶(Isoschizome)能切割能切割DNA上的相同靶上的相同靶序列，序列，但对但对其甲基化状态其甲基化状态有不同有不同反应。反应。例如：限制性内切酶例如：限制性

21、内切酶Hpa II和和Msp I都识别都识别CCGG序列，序列，Msp I无论是否无论是否甲基化均能切割，但甲基化均能切割，但Hpa II只能切未只能切未甲基化甲基化的位点。的位点。二、二、DNA甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控Hpa II只能只能切非甲基切非甲基化的化的CCGG，所以只有所以只有一个一个切点，产生两条切点，产生两条带。带。Msp I可以可以切甲基化切甲基化和未和未甲基化甲基化的的CCGG，因此因此有两个切点，产有两个切点，产生生3条条电泳带。电泳带。DNA甲基化的简单检测甲基化的简单检测基因扩增基因扩增(gene amplification)：是：是指在没有发生指在没有发生细胞分裂，细胞分裂，整整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝的拷贝数数专一性增加的现象。专一性增加的现象。它它使细胞在短期内产生使细胞在短期内产生大大量量的的基因产物以满足生长发育基因产物以满足生长发育的需要的需要，是基因活性调控的一种方式。是基因活性调控的一种方式。三、基因扩增对基因表达的影响三、基因扩增对基因表达的影响基因扩增：基因扩增：1、为、为满