chap12 真核生物基因表达调控ppt课件

1、河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控本章内容简介n真核基因表达调控的特点n真核基因表达调控的层次河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控I. 真核生物基因表达的调理特点n真核基因表达调控的环节更多n真核基因的转录与染色质的构造变化相关n真核基因表达以正性调控为主n其它调控特点：如个体发育复杂；受环境影响较小河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2.染色质构造影响基因转录 结论：严密的染色质构造阻止基因表达常染色质euchr

2、omatin基因可以转录异染色质hetrochromatin基因不转录河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控3.真核基因表达以正性调控为主n多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需求表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。真核RNA聚合酶启动子亲和力低激活蛋白协同作用转录起始真核RNA聚合酶启动子河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控II. 真核基因表达调控的层次nDNA和染色体程度上的调控n转录起始程度上n转录后RNA加工过程和运送中的调

3、控n翻译程度n翻译后的控制河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控1. DNA和染色体程度上的调控1.1 基因拷贝数的扩增或丧失和基因重排1.2染色质构造的变化活化1.3 DNA在染色体的位置常染色质、异染色质1.4 CpG的甲基化修饰这些变化通常是永久性的，可随细胞分裂传送给子这些变化通常是永久性的，可随细胞分裂传送给子代，使这类细胞表达特定的基因谱，具有特定的表代，使这类细胞表达特定的基因谱，具有特定的表型，成为某种特化细胞，这就是细胞的决议于分化型，成为某种特化细胞，这就是细胞的决议于分化河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子

4、生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控基因扩增n基因扩增gene amplification ：即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。n例如：蛙成熟卵细胞在受精后的发育过程中其rRNA基因可称为rDNA的扩增n基因扩增的调控机理至今还不清楚河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控基因扩增的意义n基因的扩增可以大幅度提高基因表达产物的量，适宜了受精卵其后迅速发育分裂要合成大量蛋白质要求有大量核糖体的需求。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控基因丧失n有的

5、生物在个体发育的早期在体细胞中要丧失部分染色体，而在生殖细胞中坚持全部的基因组，被丧失的染色体其上的遗传信息能够对体细胞来说没有什么意义，而对生殖细胞的发育也许是不可短少的。n例如：马蛔虫Parascaris equoorum和小表瘿蚊Mayetiole destructor的生殖细胞的构成。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控基因重排n基因重排gene rearrangement：即胚原性基因组中某些基因会再组合变化构成第二级基因。n例如：免疫球蛋白的基因河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控

6、真核生物的基因调控基因重排的生物学意义n这种基因重排使细胞能够利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因，提高对外界环境的顺应性。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控1.2 染色质的构造变化染色质的活化 n组蛋白的作用n转录活泼区域对核酸酶敏感度添加nDNA拓扑构造变化nDNA碱基修饰变化染色质重塑染色质重塑 (chromatin remodeling) (chromatin remodeling)染色质中与转录相关的构造变化称为染色质重塑染色质中与转录相关的构造变化称为染色质重塑河北科技大学生工学院河北科

7、技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控组蛋白的作用 n组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合。n组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又可以转录。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控1.2染色质构造的变化活化组蛋白对基因转录活性的影响组蛋白H1作为核小体交联剂，可以加强由中心组蛋白引起的转录抑制组蛋白的乙酰化和去乙酰化对转录活性的调理未乙酰化的组蛋白可以抑制转录，而乙酰化的组蛋白抑制转录才干减弱河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核

8、生物的基因调控真核生物的基因调控1.3 DNA在染色体的位置常染色质、异染色质nEuchromatin 常染色质：染色质较伸展，处于转录活性形状nHeterrochromatin 异染色质:染色质高度紧缩，处于转录被抑制形状 10%河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录活泼区域对核酸酶敏感度添加 n活泼进展转录的染色质区域受DNase消化常出现100-200bp的DNA片段，且长短不均一，阐明其DNA受组蛋白掩盖的构造有变化，出现了对DNase高敏感点hypersensitive site。n高敏感点常出如今转录基因的5侧区、3末端

9、或在基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的构造发生变化，有利于调控蛋白的结合而促进转录。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控DNA拓扑构造变化n天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活泼转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前挪动转录；而负性超螺旋那么有利于核小体的再构成。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控DNA甲基化与基因表达甲基化与基因表达DNA甲基化的主要

10、方式甲基化的主要方式5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤在真核生物中，在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出如今甲基胞嘧啶主要出如今CpG和和CpXpG中，原核生物中中，原核生物中CCA/TGG和和GATC也常被甲基化。也常被甲基化。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控DNA甲基化与基因表达 n真核生物基因组DNA的甲基化(Methylation)n哺乳动物基因组中5%的C为甲基化(m C)，mC主要存在于CpG二核苷酸中nCG岛(CG islands): CpG二核苷酸序列常成簇聚集并零散地分布于人

11、基因组中，构成CpG岛。CpG岛常与基因相连(可作为寻觅基因的标志)。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控DNA甲基化和CG岛n由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丧失，所以，高等真核生物中CG序列远远低于其实际值。n哺乳类基因组中约存在4万个CG islands，大多位于转录单元的5区。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控n基因甲基化形状：n1、高度甲基化： 基由于继续失活(如女性的一条X染色体；n2、诱导去甲基化：如组织或发育阶段特异性表达基因；n3、继续低程度甲基化：具有转录活

12、性(如持家基因)。DNA甲基化与基因表达 总结：基因表达与甲基化呈负相关河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控简答题n简述真核细胞基因组构造特点及基因表达调控方式。10分第四军医大分子生物学n真核生物的基因表达调控可以在哪些程度上发生？何谓转录前调控，它有哪几种主要方式，各发生在什么发育时期？试举例阐明之。10分n 中科院2019细胞学河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控选择题真核生物DNA中大约有百分之2-7的胞嘧啶存在甲基化修饰，绝大多数甲基化发生二核苷酸对上 A. CC

13、B. CT C. CG D. CA中科院上海生化所 98 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控选择题n非洲爪蟾体细胞中rDNA拷贝数约有500个，而在卵母细胞中的拷贝数约添加了倍，可以用来转录合成卵裂所需求的ribosome。na.1000 b.2000 c.4000 d.400n中科院上海生化所 2019河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控判别题n活泼转录的基因均位于常染色质中，处于异染色质中的基因通常不表达。 ( ) 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子

14、生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2. 转录程度的调控n2.1 基因转录的顺式调控元件n2.2 基因转录的反式作用因子n2.3 转录激活因子的作用机制河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2.1基因转录的顺式调控元件 顺式调控元件(cis-regulating element)是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响与其本身同处于一个DNA分子上的基因 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2.1基因转录的顺式调控元件a. 正调控元件：启动子(promoter)

15、加强子(enhancer)b. 负调控元件沉寂子(silencer) 负调控元件是能抑制基因表达的序列c. 其它顺式调控元件 ：应对元件 转座元件 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控最常见的应对元件： 热激应对元件heatshock response element,HSE糖皮质应对元件glucocorticoid response element，GRE金属应对元件metal response element,MRE应对元件response elementGRE is the recognition site of glucoco

16、rticoid receptor.Heat shock response element (HSE) is present in heat shock protein genes. 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2.2 基因转录的反式作用因子 n转录程度的调控主要是经过与多种DNA元件结合的蛋白因子来实现 n反式作用因子(trans-acting factor)是经过识别和结合顺式调控元件的中心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质n反式作用因子对基因表达的调控可正(激活)可负(阻遏) 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子

17、生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控补充：反式作用及反式作用元件n调控基因不仅能对同一条DNA链上的构造基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的构造基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用trans-action，调控基因就属于反式作用元件trans-acting element，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子trans-acting factor。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控2.2.1 反式作用因子的构造区域nDNA结合域DNA binding domain，多由60-100个氨基酸残基组成的几个

18、亚区组成。n转录激活域activating domain，常由30-100氨基酸残基组成，这构造域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类，一酸性构造域最多见；n衔接区，即衔接上两个构造域的部分。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控a.反式作用因子的DNA构造域n构造域(domain):是指蛋白质中可以具有独立的超二级构造的部分。通常由一个基因外显子编码，并可具有特定的功能。在较大的蛋白质中，多个构造域间可经过较短的多肽柔性区相互联接n基序(motif)：普通指构成任何一种特征序列的根本构造作为构造域中的亚单元，其功能是表

19、达构造域的多种生物学作用河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控n1 DNA结合构造域基序结合构造域基序n a. Helix-turn-helix螺旋螺旋-转角转角-螺旋。是最螺旋。是最早发现于原核生物中的一个早发现于原核生物中的一个关键因子，该构造域长约关键因子，该构造域长约20个个aa，主要是两个，主要是两个-螺旋区螺旋区和将其隔开的和将其隔开的转角。其中转角。其中的一个被称为识别螺旋区，的一个被称为识别螺旋区，由于它经常带有数个直接与由于它经常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。序列相识别的氨基酸。河北科技大学生工学院河北科技大

20、学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控nb. Zinc finger锌指。长约30个aa，其中4个氨基酸Cys或2个Cys，两个His与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指构造较稳定。 含锌指基序的转录因子：与GC盒结合的SPl、类固醇激素受体家族，抑癌蛋白WT1等。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控nc. Homeodomain同源域，最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与 helix-turn-helix motif类似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要

21、与DNA大沟相结合。 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控nd. Basic Leucine Zippers碱性亮氨酸拉链是亲脂性amphipathic的螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此构成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸Lys和精氨酸Arg组成DNA结合区。 n具有亮氨酸拉链基序的转录因子：原癌基因C-Jun/C-fos(APl家族)河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控nE 碱性螺旋-环-螺旋(basic-Helix-loop-Heli

22、x，bHLH)基序n由2个螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成n如原癌基因产物C-myc及其结合蛋白Max 几种常见基序河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录因子DNA结合域Zinc finger domain锌指构造域Homologous domain 同源域 HTH domain螺旋-转角-螺旋构造域bZip碱性亮氨酸拉链构造域bHLH 碱性 螺旋-环-螺旋构造域河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控Transcription activation domains (激

23、活域激活域)nAcidic activation domains 酸性激活域nGlutamine-rich domains(富含谷氨酰胺构造域)nProline-rich domains富含脯氨酸构造域河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录激活因子的作用机制特异性基因转录的根本条件1启动子(特别是中心启动子)2RNA Pol3普通转录因子(GTFs) 4与DNA结合的转录激活因子5辅激活因子河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控真核生物转录调理序列：加强子-高等真核生物 上游

24、激活序列UAS-酵母河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控n转录因子的类型n普通转录因子(GTFs) n与DNA结合的转录激活因子n辅激活因子或介导因子coactivator河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控高级生物，至少包括果蝇和哺乳动物，利用绝缘子来阻断临近的加强子对非相关基因的激活。绝缘子可以维护基因，免受临近的加强子和沉默子的激活作用或抑制造用河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录激活的普经过程n在典型的R

25、NA polII启动子处进展的转录激活过程普通包括：n染色质重塑使染色体构造松弛n转录激活因子与DNA结合n激活因子与组蛋白乙酰化酶和/或其它蛋白质相互作用，促进周围染色质的进一步重塑n激活因子经过辅激活因子介导因子，与RNA polII相关的转录因子相互作用，促进转录起始复合物前体的构成河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控外界刺激经过一系列的蛋白质将信号从一个蛋白质传送给另一个蛋白质，构成信号转导途径，最终经常是活化了某种转录因子，影响到一系列相关基因的表达，改动了细胞内的蛋白质表达谱，使细胞产生特定的表型河北科技大学生工学院河北科

26、技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控图图12-17 介导因子介导因子CBP作用机理作用机理CRE：cAMP呼应元件CREB：与CRE结合的蛋白CBP：CREB结合蛋白河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控图图12-18 CBP介导核受体的转录激活作用介导核受体的转录激活作用 SRC：类固醇受体辅激活因子河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录激活因子活性调理与信号传导途径n转录激活因子经过几种不同方式调理活性n1. 与配体结合n2. 细胞内定位

27、n3. 磷酸化修饰n4. 去除抑制蛋白n5. 改换结合蛋白n 河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控蛋白质的磷酸化反响n指经过酶促反响把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程,是生物体内存在的一种普遍的调理方式，在细胞信号的传送过程中占有极其重要的位置。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控许多信号途径依赖于蛋白质的磷酸化将信号从一个蛋白传送给另一个蛋白，每一步酶促反响都可以使信号放大，因此转导途径存在放大效应河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真

28、核生物的基因调控真核生物的基因调控蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用n在胞内介导胞外信号时具有专注应对特点。n蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶活性。n对外界信号具有级联放大作用.n蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的继续反响。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控3.转录后加工 n在细胞核内对基因产物(mRNA前体)进展各种加工、成熟、转运过程中对基因表达的调控属转录后加工 有些基因还可进展组织特异性的选择性拼接，产生不同的mRNA模板，表达具有不同生物活性的蛋白质。特殊情况下mRNA还可进展编辑，改动编辑序列河北

29、科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控简单转录单位河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控复杂转录单位河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控图图12-21 大鼠的免疫球蛋白大鼠的免疫球蛋白重链基因重链基因mRNA的可变拼接的可变拼接可变拼接河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控图图12-22 果蝇性别决议过程中的可变拼接果蝇性别决议过程中的可变拼接河北科技大学生工学院河北

30、科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控RNA编辑RNA编辑景象最早在锥形虫中发现，其细胞色素氧化酶COIImRNA的序列与COII基因序列不吻合，含有4个在基因中缺失的核苷酸，mRNA经过RNA编辑补上了这4个核苷酸，纠正了移码突变。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控转录后RNA加工过程和运送中的调控河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控mRNA的转运n真核生物mRNA在细胞核内合成后必需转运到细胞质中进展翻译。完成转录和转录后加工过程的mR

31、NA以核蛋白复合物的方式转运，转运过程依赖于外显子衔接复合物，内含子的存在可以阻止mRNA的转运河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控4.翻译程度调控 nmRNA稳定性对基因表达的影响n在翻译起始阶段对基因表达的影响nmRNA的选择性翻译nRNA干扰导致的基因沉默河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控mRNA构造与翻译控制(一一) 5-UTR构造构造1、mRNA5端端m7G帽有加强翻译程度的作用帽有加强翻译程度的作用2、“上游上游AUG密码子密码子(位于起始位于起始AUG上游的其

32、上游的其他他AUG密码子密码子)的存在往往抑制下游开放读框的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率的翻译效率3 、 起 始、 起 始 A U G 旁 侧 序 列 对 翻 译 效 率 的 影旁 侧 序 列 对 翻 译 效 率 的 影响响Kozak序列：序列：GCCAUGG(二二) 3-UTR构造构造 1poly(A)尾添加翻译效率尾添加翻译效率 2富含富含UA序列抑制翻译。序列抑制翻译。河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控mRNA稳定性与翻译控制mRNA稳定性主要取决于3UTR构造1poly(A)尾添加mRNA稳定性，23-UTR中UA序列导致mRNA不稳定河北科技大学生工学院河北科技大学生工学院分子生物学分子生物学真核生物的基因调控真核生物的基因调控1mRNA稳定性对基因表达的影响n真核生物在翻译程度上对基因表达的调控主要是控制mRNA的稳定性和选择性翻译。真核生物mRNA在成熟过程中构成的5-帽子和3-polyA尾巴对mRNA的稳定性和可翻译性等都有一定的影响。mRNA的5和3非编码区序列对mRNA的稳定性