分子遗传学第9章真核生物基因表达调控

1、19.1 概述概述 9.2 DNA水平调控水平调控9.3 转录水平调控转录水平调控9.4 转录后水平调控转录后水平调控9.5 翻译水平调控翻译水平调控9.6 翻译后水平调控翻译后水平调控9.7 Prok.与与Euk.基因表达的遗传差异基因表达的遗传差异第第9章章 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控 9.1 概述（概述（Introduction）3n真核生物和原核生物由于基本生活方式不同决定基因表达调控上存在巨大差别n原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始进行调节n真核生物

2、（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）主要由多细胞组成，每个真核细胞所携带的基因数量及总基因组中蕴藏的遗传信息量都大大高于原核生物4真核生物基因调控，根据其性质可分为真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：两大类：n第一类是瞬时调控或称可逆性调控，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及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节n第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程5真核基因组的一般结构特点真核基因组的一般结构特点n在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操

3、纵子形式n真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的n高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子n真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数6n在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力 在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。n真核生物的RNA在细胞核中合成，

4、只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，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n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顺利地翻译成蛋白质79.2 DNA水平上的调控水平上的调控9.2.1 基因丢失基因丢失9.2.2 基因扩增基因扩增9.2.3 基因重排基因重排9.2.4 甲基化修饰甲基化修饰9.2.5 染色质结构对基因表达的调控作用染色质结构对基因表达的调控作用89.2.1 基因丢失基因丢失v在细胞分化过程中，可以通过丢失某些基因而在细胞分化过程中，可以通过丢失某些基因而去除这些基因的活性去除这些基因的活性 v许多低等真核生物如原生动物、线虫、昆虫、许多低等真核生物如原生

5、动物、线虫、昆虫、甲壳类动物的个体发育中，许多甲壳类动物的个体发育中，许多体细胞体细胞常发生常发生基因丢失基因丢失v许多细胞常丢失掉整条或部分的染色体许多细胞常丢失掉整条或部分的染色体, ,只有只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套染色体整套染色体v高等真核生物中尚未发现类似现象高等真核生物中尚未发现类似现象9n原生动物尖毛虫细胞原生动物尖毛虫细胞中有大、小两个细中有大、小两个细胞核，小细胞核是完整的，但不具有转胞核，小细胞核是完整的，但不具有转录活性，起维持种系的作用；而大细胞录活性，起维持种系的作用；而大细胞核中只保留了部分核中只保留了部分

6、DNADNA，具有转录活性，具有转录活性n马蛔虫体细胞马蛔虫体细胞中丢失了大部分基因，只中丢失了大部分基因，只留下极少数维持细胞分化功能的基因留下极少数维持细胞分化功能的基因109.2.2 基因扩增基因扩增 指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段控手段存在于真核生物中存在于真核生物中 如非洲爪蟾卵母细胞如非洲爪蟾卵母细胞rDNA11非洲爪蟾卵母细胞非洲爪蟾卵母细胞rDNAn体细胞中体细胞中rDNA的拷贝数约为的拷

7、贝数约为500个，而在卵母细个，而在卵母细胞中的拷贝数约为胞中的拷贝数约为2百万个，相差百万个，相差4000倍，这些倍，这些rDNA约占卵母细胞约占卵母细胞DNA的的75，用于转录合成，用于转录合成卵裂期所需要的卵裂期所需要的1012个核糖体个核糖体n卵母细胞分裂需要大量合成蛋白质卵母细胞分裂需要大量合成蛋白质不适当的基因扩增不适当的基因扩增可以导致某些疾病的发生，如某可以导致某些疾病的发生，如某些癌基因些癌基因(c-myc、c-ki-ras等等)的扩增可能与某些的扩增可能与某些肿瘤的发生有关肿瘤的发生有关129.2.3 基因重排基因重排将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的将一个基因从远

8、离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。这种方式被称为基因重排。 举例：举例： 啤酒酵母接合型的转变；啤酒酵母接合型的转变； 哺乳动物淋巴细胞分化过程中免疫球蛋白的产生哺乳动物淋巴细胞分化过程中免疫球蛋白的产生; ; 13单倍体酵母接合型的转变单倍体酵母接合型的转变n单倍体酵母有单倍体酵母有a和和两种接合型，分别由两种接合型，分别由MATa和和MAT 控制，两个位点等位控制，两个位点等位n单倍体酵母或是单倍体酵母或是a接合型，或是接合型，或是接合型接合型n两个不同接合型的酵母细胞可以接合，而相同接两个不同接合型的酵母细胞可以接合，而相同接合型的细胞

9、不能接合，即合型的细胞不能接合，即同宗不能接合，异宗能同宗不能接合，异宗能接合接合na型可以变成型可以变成型，型，型也可以变成型也可以变成a型，称为接型，称为接合型互变（合型互变（mating-type interconversion)n接合型互变需要另一个位点上显性等位基因接合型互变需要另一个位点上显性等位基因HO，Homothallism（同宗接合）（同宗接合） 14n接合型互变说明，一个单倍体细胞中同时存在接合型互变说明，一个单倍体细胞中同时存在着着MATa和和MAT的遗传信息，但在一个特定时的遗传信息，但在一个特定时期只有其中一个表达期只有其中一个表达n匣子模型（匣子模型（casset

10、te model)：HML:是使细胞由是使细胞由a型转变为型转变为型所必需的型所必需的HMLa:是使细胞由是使细胞由型转变为型转变为a型所必需的型所必需的当活跃匣子是当活跃匣子是MATa时，细胞就是时，细胞就是a型型当活跃匣子是当活跃匣子是MAT时，细胞就是时，细胞就是型型silent cassette active cassette silent cassetteHMLMATHMRa / athr4leu15SIR (1-4) Silent Information RegulatorNeg. controlling silent cassette active cassette silent

11、 cassetteHMLMATHMRa / athr4leunHMLa和HML可以取代活跃匣子从而改变细胞接合型，而且在取代的同时，在原来的HML位置上仍保留一个拷贝的沉寂匣子，即在取代过程中必然伴随DNA的复制沉寂匣子中有阻遏蛋白的结合位点，而活跃匣子中没有169.2.4 m5C对基因表达的调控对基因表达的调控 (1) m5C是真核生物是真核生物 DNA中的主要修饰成分中的主要修饰成分nDNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（m5C）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）n在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。n由于

12、这些CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，这段序列往往被称为CpG岛n不同细胞间m5C 相差甚大 胚胎细胞与特化体细胞相差10617(2) m5C对基因转录抑制的表现对基因转录抑制的表现 m5C in major groove 影响与影响与TF间氢键的形成间氢键的形成 m5C in major groove 导致空间的拥挤，破坏构象的平衡导致空间的拥挤，破坏构象的平衡 使使B-DNA Z-DNA TF结合空间的改变结合空间的改变 降低转录因子降低转录因子(TF)与与DNA的结合的结合18n研究表明，转录活跃的基因是低甲基化或不甲基化的，而不表达的基因则高度甲基化n持续表达的看家基因的转录起始区

13、极少发生甲基化n在脊椎动物中，DNA甲基化是普遍现象，但在无脊椎动物中则较少，而在昆虫中根本没有n有人认为DNA甲基化调控作用是在进化发展到较高阶段才出现的199.2.5 染色质结构对基因表达的调控作用染色质结构对基因表达的调控作用n组蛋白与组蛋白与DNA紧密结合，可以保护紧密结合，可以保护DNA免受损伤，免受损伤，维持基因组的稳定性，维持基因组的稳定性，并抑制基因的表达，并抑制基因的表达，去除去除组蛋白则基因转录活性增高组蛋白则基因转录活性增高n非组蛋白质具有种属与组织特异性，与细胞的发非组蛋白质具有种属与组织特异性，与细胞的发育、分化有重要关系，在染色质中的含量较少，育、分化有重要关系，在

14、染色质中的含量较少，但对基因表达起重要的调控作用但对基因表达起重要的调控作用20n转录活性较高的基因都位于结构松散的常染色质中转录活性较高的基因都位于结构松散的常染色质中n位于结构紧密的异染色质中的基因大多不具有转录位于结构紧密的异染色质中的基因大多不具有转录活性活性n转录活跃的活性染色质区由于结构松散，去除了组转录活跃的活性染色质区由于结构松散，去除了组蛋白的保护作用，因此对于核酸内切酶蛋白的保护作用，因此对于核酸内切酶I(DNaseI)的水解作用较敏感，称为的水解作用较敏感，称为DNaseI敏感区；结构紧敏感区；结构紧密的非活性染色质则对密的非活性染色质则对DNaseI不敏感，因此不敏感，

15、因此常将常将DNaseI敏感性作为该基因的转录活性的标志敏感性作为该基因的转录活性的标志n在活性染色质中还存在一些对在活性染色质中还存在一些对DNaseI特别敏感的特别敏感的区域，称为区域，称为DNaseI 超敏感区。超敏感区。DNA超敏感区一般超敏感区一般位于活性基因的位于活性基因的5端，可能反映了基因转录的起始端，可能反映了基因转录的起始位点位点219.3 转录水平上的调控转录水平上的调控n真核生物的转录调控大多数是通过真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件顺式作用元件和和反式作用因子反式作用因子的复杂的相互作用实现的的复杂的相互作用实现的n真核生物的转录主要在常染色质上进行，因此染真

16、核生物的转录主要在常染色质上进行，因此染色质的结构状态和特定区域色质的结构状态和特定区域DNADNA链的松弛或解旋、链的松弛或解旋、DNADNA空间结构的变化等也在转录调控上起重要作用空间结构的变化等也在转录调控上起重要作用229.3.1 基因调控的顺式作用因子基因调控的顺式作用因子n高等真核生物蛋白质基因的表达调控需要两种高等真核生物蛋白质基因的表达调控需要两种DNA序列，即序列，即启动子和增强子启动子和增强子n启动子和增强子在组织方式和作用特点方面不同，启动子和增强子在组织方式和作用特点方面不同，但二者均是与反式作用因子相结合，然后通过反但二者均是与反式作用因子相结合，然后通过反式作用因子

17、的某种相互作用，促进转录式作用因子的某种相互作用，促进转录n增强子增强子(enhancer)：是能使和它连锁的基因转录：是能使和它连锁的基因转录效率明显增加的效率明显增加的DNA序列序列基因调控区启动子启动子增强子增强子上游启动子成分上游启动子成分近启动子成分近启动子成分Upstream promoter elements, UPE 如：CAAT框等如TATA框增强子成分增强子成分增强子成分增强子成分增强子元增强子元增强子元增强子元增强子元增强子元增强子元增强子元enhansonEnhancer element增强子必须含有两个或两个以上的增强子成分才具有自动的促进转录的功能；而有功能的增强子

18、成分也都是由两个部分组成，而且两个增强子元必须紧密相连，明显表现出对间距的敏感性；每个增强子元都是一个转录因子的结合位点增强子对转录的影响增强子对转录的影响增强子通常具有下列性质：增强子通常具有下列性质：n增强效应十分明显，增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加一般能使基因转录频率增加10-200倍倍n增强效应与其位置和取向无关，增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列不论增强子以什么方向排列（53或或35），甚至和基因相距），甚至和基因相距3 kb，或在基因下游，均，或在基因下游，均表现出增强效应表现出增强效应n大多为重复序列，一般长约大多为重复序列，一般长约50bp，适合与

19、某些蛋白因子结合。适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），），是产生增强效应时所必需的是产生增强效应时所必需的n增强效应有严密的组织和细胞特异性，增强效应有严密的组织和细胞特异性，即只有特定的蛋白质即只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能（转录因子）参与才能发挥其功能n没有基因专一性，没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应可以在不同的基因组合上表现增强效应n许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌

20、、镉浓度做出反应上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应25反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。 参与所有或某些转录阶段的参与所有或某些转录阶段的RNARNA聚合酶亚基，不具有基因聚合酶亚基，不具有基因特异性特异性与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基因特异性与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基因特异性与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转录复合物的

21、一部分，因为所有或大部分基因的启动区都含录复合物的一部分，因为所有或大部分基因的启动区都含有这一特异序列。更多的则是基因或启动子特异性结合调有这一特异序列。更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白，它们是起始某个（类）基因转录所必需的控蛋白，它们是起始某个（类）基因转录所必需的9.3.2 基因调控的反式作用因子基因调控的反式作用因子26 反式作用因子分为反式作用因子分为3类类:(1) 通用反式作用因子：通用反式作用因子：主要识别启动子的核心启动成分，如主要识别启动子的核心启动成分，如TBP, CAAT框的结合因子框的结合因子CTF，TATA框的结合因子框的结合因子TFIID(2)特殊组织与细胞

22、中的反式作用因子：特殊组织与细胞中的反式作用因子：如淋巴细胞中的如淋巴细胞中的Oct-2；(3)和反应性元件（和反应性元件（response elements）相结合的反式作用因子：）相结合的反式作用因子： 如如 HSE（热休克反应元件，（热休克反应元件，heat shock response element）；）； GRE（糖皮质激素反应元件（糖皮质激素反应元件glucocorticoid response element）；）； MRE（金属反应元件，（金属反应元件，metal response element）；）； TRE（肿瘤诱导剂反应元件，（肿瘤诱导剂反应元件，tumorgenic

23、 agent response element);279.3.3 真核基因转录调控的机制真核基因转录调控的机制（1）顺式作用成分与反式作用因子的相互作用）顺式作用成分与反式作用因子的相互作用 基因的所有顺式作用因子都要与反式作用基因的所有顺式作用因子都要与反式作用因子结合，然后通过蛋白质和蛋白质之间的相互因子结合，然后通过蛋白质和蛋白质之间的相互作用（包括反式作用因子之间的相互作用和反式作用（包括反式作用因子之间的相互作用和反式作用因子与作用因子与RNA Pol之间的相互作用），才能实之间的相互作用），才能实现对基因的转录调控现对基因的转录调控28调控蛋白质与其识别位点之间作用的分子机制及蛋白

24、质分子间相互作用的可能方式调控蛋白质的结构花式及其与调控蛋白质的结构花式及其与DNA相互作用的分相互作用的分子机制子机制n一个完整的反式作用因子含有两个必不可少的一个完整的反式作用因子含有两个必不可少的结构域，即结构域，即DNA结合结构域和转录激活结构域结合结构域和转录激活结构域nDNA结合蛋白通过结合蛋白通过DNA结合结构域与结合结构域与DNA特定特定序列结合，并通过转录激活结构域发挥转录活序列结合，并通过转录激活结构域发挥转录活化功能化功能29n螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋 helix-turn- helix domain(HTH)n锌指结构锌指结构 zinc finger domainn

25、亮氨酸拉链亮氨酸拉链 leu zipper n螺旋一环一螺旋螺旋一环一螺旋 helix-turn- helix（HLH）DNA-binding domainsDNA结合结构域301）The helix-turn-helix domain31n是最初在噬菌体的阻遏蛋白中发现的一种DNA结合结构域n是大约有20个氨基酸的一段序列，两个-螺旋之间被一段转折隔开，称为HTHn在HTH中，一般第17个氨基酸残基构成第一个-螺旋，第1220为第二个-螺旋，第4、8、10、16个残基为疏水氨基酸，在HTH中构成一个疏水的核心n原核生物中的转录因子大多属于这一类结构域，如CAP蛋白、Lac阻遏蛋白等n真核生物

26、中如酵母接合型调控蛋白质a1和1也具有HTH结构域32Helix-turn-helix domains of different DNA binding proteins2）The zinc finger domain34This domain exists in two forms.nCys2/His2 Zinc fingernCys4 Zinc finger由重复的半胱氨酸和组氨酸或重复的半胱氨酸在由重复的半胱氨酸和组氨酸或重复的半胱氨酸在一个金属锌离子四周形成一个四面体的排列。长一个金属锌离子四周形成一个四面体的排列。长约约30个个aa，其中，其中4个个aa （Cys或或2个个Cys，两

27、个，两个His）与一个与一个Zinc原子相结合。与原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较结合后锌指结构较稳定。稳定。 Cys2/His2 zinc finger:以以TFIIIA和和SP1为代为代表表36(1) TFIIIA：最初在爪蟾的最初在爪蟾的RNA聚合酶聚合酶III转转TFIIIA中发现中发现 TFIIIA由由344个氨基酸组成，其个氨基酸组成，其C端结构域端结构域（第（第276344氨氨基酸残基）基酸残基）是促进转录活性不可缺少的是促进转录活性不可缺少的，N端结构域端结构域（第（第12276氨基酸残基）氨基酸残基）负责与负责与DNA结合结合。 在在TFIIIA DNA结合结构域中存在

28、结合结构域中存在9个有规律的正向重复个有规律的正向重复单位单位，每个单位约，每个单位约30个氨基酸，其中个氨基酸，其中10个都是碱性或极性个都是碱性或极性氨基酸，氨基酸，9个正向重复单位个正向重复单位在锌结合位点上突出的氨基酸环在锌结合位点上突出的氨基酸环的形状如同手指，的形状如同手指，构成了结合构成了结合DNA的的9个个“手指手指”，所以称所以称为为“指状指状”结构。结构。(2) SP1： with 3 copies of C2H2 zinc finger.Usually, three or more C2H2 zinc fingers are required for DNA bindin

29、g. 37 Cys4 zinc finger： 锌离子与4个半胱氨酸残基形成配位键Example: 酵母的转录激活因子酵母的转录激活因子GAL4和哺乳类的类固和哺乳类的类固醇激素受体醇激素受体(steriod hormone receptor transcription factors)383）亮氨酸拉链）亮氨酸拉链(Leu zipper)n主要代表是酵母的转录激活因子主要代表是酵母的转录激活因子GCN4和和SV40中与中与CAAT框、增强子结合的蛋白框、增强子结合的蛋白C/EBP n其一级结构由大约其一级结构由大约30个氨基酸组成，它们高度保守个氨基酸组成，它们高度保守n分为两个部分，第一部

30、分含有非常多的碱性氨基酸，分为两个部分，第一部分含有非常多的碱性氨基酸，随后的区域含有随后的区域含有4个亮氨酸残基，按每间隔个亮氨酸残基，按每间隔6个氨基个氨基酸残基一个亮氨酸的规律排列，由赖氨酸（酸残基一个亮氨酸的规律排列，由赖氨酸（Lys）和精氨酸（和精氨酸（Arg）组成）组成DNA结合区结合区 Leu是疏水性氨基酸，排列是疏水性氨基酸，排列在双螺旋的一侧，所有带电荷在双螺旋的一侧，所有带电荷的氨基酸残基排在另一侧。当的氨基酸残基排在另一侧。当2个蛋白质分子平行排列时，个蛋白质分子平行排列时，亮氨酸之间相互作用形成二聚亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成体，形成“拉链拉链” 亮氨酸拉链区并不

31、能直接结亮氨酸拉链区并不能直接结合合DNA，只有，只有肽链氨基端肽链氨基端2030个富含碱性氨基酸结个富含碱性氨基酸结构域与构域与DNA结合结合 这类蛋白质的这类蛋白质的DNA结合结构结合结构域实际域实际是以碱性区和是以碱性区和Leu拉链拉链结构域整体作为基础的结构域整体作为基础的n 长约长约50个个aa残基，同时具有残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体结合和形成蛋白质二聚体的功能的功能n 其主要特点是可形成两个亲其主要特点是可形成两个亲脂性脂性-螺旋，两个螺旋之间由螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其环状结构相连，其DNA结合功结合功能由一个较短的富碱性氨基酸能由一个较短的富碱性氨基酸

32、区决定区决定4）螺旋一环一螺旋（）螺旋一环一螺旋（HLH）41(2) 不同结合位点上蛋白质间的相互作用不同结合位点上蛋白质间的相互作用n大多数转录激活区都有一段包含大多数转录激活区都有一段包含酸性氨基酸酸性氨基酸的的保守序列，这一序列所形成的结构保守序列，这一序列所形成的结构位于蛋白质位于蛋白质分子的表面分子的表面n酸性激活区与任何一个酸性激活区与任何一个DNA结合结构域融合时结合结构域融合时都能自主地起激活作用都能自主地起激活作用nDNA结合结构域只是为蛋白质在结合结构域只是为蛋白质在DNA分子上寻分子上寻找一个立足之地找一个立足之地n有的转录激活结构域富含谷氨酰胺如有的转录激活结构域富含谷

33、氨酰胺如SP1，或，或富含富脯氨酸残基如富含富脯氨酸残基如CTF/NF-142n成环假说n扭曲假说n滑动假说n接力假说结合于DNA上不同部位的蛋白质因子的作用机制，有以下假说：449.4 转录后水平上的调控转录后水平上的调控post-transcriptional level control (for Eukaryotes only) 9.4.1 hnRNA的选择性加工运输的选择性加工运输9.4.2 mRNA前体的选择性剪接前体的选择性剪接459.4.1 hnRNA的选择性加工运输的选择性加工运输n细胞可以在不同情况下有选择性地将不同的细胞可以在不同情况下有选择性地将不同的hnRNA加工成加工

34、成mRNA，并将它们运入细胞质，并将它们运入细胞质nhnRNA选择性加工运输对于基因调控的重要性选择性加工运输对于基因调控的重要性在海胆中表现得非常明显在海胆中表现得非常明显 hnRNA mRNA胚胎时期的胚囊细胞胚胎时期的胚囊细胞 约约20000种不同序列的种不同序列的hnRNA 约约13000种种成体肠细胞中成体肠细胞中 约约25000种不同序列的种不同序列的hnRNA 约约 3000种种469.4.2 mRNA前体的选择性剪接前体的选择性剪接n从同一基因产生不同的蛋白质主要发生在转录后从同一基因产生不同的蛋白质主要发生在转录后水平上，即通过水平上，即通过mRNA前体的选择性剪接而产生前体

35、的选择性剪接而产生不同的成熟不同的成熟mRNA，然后翻译成不同的蛋白质，然后翻译成不同的蛋白质n除转录后水平外，还可以发生在转录水平和翻译除转录后水平外，还可以发生在转录水平和翻译水平上水平上n在真核生物中，绝大多数是通过在真核生物中，绝大多数是通过mRNA前体的选前体的选择性剪接而进行的择性剪接而进行的479.5 翻译水平上的调控翻译水平上的调控 mRNA的稳定性的稳定性 mRNA翻译起始的调控翻译起始的调控单顺反子结构，由转录到翻译存在许多控制步骤，单顺反子结构，由转录到翻译存在许多控制步骤，翻译水平的调控似乎不太重要翻译水平的调控似乎不太重要48 mRNA的稳定性的稳定性 真核生物能否长

36、时间、及时地利用成熟的真核生物能否长时间、及时地利用成熟的mRNA分子翻译出分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是和蛋白质以供生长、发育的需要，是和mRNA的稳定性以及屏的稳定性以及屏蔽状态的解除相关的蔽状态的解除相关的 原核生物原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约的半衰期很短，平均大约3min 真核生物真核生物mRNA的寿命除了决定于内在因素，还决定于转录的寿命除了决定于内在因素，还决定于转录后的修饰以及与一组细胞质蛋白质形成的后的修饰以及与一组细胞质蛋白质形成的mRNP中蛋白质组中蛋白质组分的种类分的种类 高等真核生物迅速生长的细胞中高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均的半

37、衰期平均3h 真核细胞中有许多编码真核细胞中有许多编码“持家持家”蛋白质的蛋白质的mRNA，一般是长，一般是长寿命的寿命的 在高等真核生物最终高度分化的细胞中，许多在高等真核生物最终高度分化的细胞中，许多mRNA极其稳极其稳定，有的寿命长达数天定，有的寿命长达数天 mRNA翻译起始的调控翻译起始的调控例子：非洲爪蟾卵细胞存有大量隐蔽例子：非洲爪蟾卵细胞存有大量隐蔽mRNA，将来，将来自网织红细胞的珠蛋白自网织红细胞的珠蛋白mRNA注进，有珠蛋白合成注进，有珠蛋白合成509.6 翻译后水平上的调控翻译后水平上的调控9.6.1 蛋白质分泌（蛋白质分泌（secretion） In Euk.-核糖体附

38、着在粗糙内质网核糖体附着在粗糙内质网 (rough endoplasmic reticulum RER)进入进入cis-Golgi body顺区高尔基体顺区高尔基体 inter-golgi body中区高尔基体中区高尔基体选择，选择， 加工，分泌，扩散加工，分泌，扩散trans-golgi body反区高尔基体反区高尔基体合成蛋白质合成蛋白质51 In Prok. - 核糖体附着在细胞内膜（核糖体附着在细胞内膜（inner membrane）游离型与分泌型合成蛋白质的核糖体游离型与分泌型合成蛋白质的核糖体 在结构与功能上没有差别在结构与功能上没有差别通过外膜通过外膜合成蛋白质合成蛋白质穿过内膜

39、进入间质（穿过内膜进入间质（periplasm）扩散到细胞外扩散到细胞外52 signal S. 的切除的切除 peptides folding & splitting Glucosylation （糖基化作用，受体对配体的识别）（糖基化作用，受体对配体的识别） Phosphorylation （磷酸化作用，酶类的功能活化）（磷酸化作用，酶类的功能活化） Acetylation (乙酰化作用，封闭乙酰化作用，封闭N 末端，改变电荷末端，改变电荷) Methylation (甲基化，改变电荷甲基化，改变电荷) 蛋蛋 白白 质质 穿穿 膜膜 后后 的的 加加 工工539.6.2 protein d

40、egradation9.6.2 protein degradationa) protein degradation 的调控是生理代谢的需要的调控是生理代谢的需要各类蛋白的半衰期几乎恒定各类蛋白的半衰期几乎恒定 e.g. in liver cell of mouse鸟氨酸脱羧酶鸟氨酸脱羧酶 0.2 hrRNA pol A 0.33 hrTrp oxygenase 2.5 hrSer 脱氢酶脱氢酶 4.0 hrRNA polII 12 hr结构蛋白，储藏蛋白结构蛋白，储藏蛋白半衰期长，结构稳定半衰期长，结构稳定催化酶类，代谢酶类催化酶类，代谢酶类半衰期短，不断更新半衰期短，不断更新54b) 蛋白质

41、降解机制蛋白质降解机制 自身结构，自身结构， 电荷状况电荷状况 功能特点，功能特点， 所负责任所负责任知之甚少知之甚少559.7 Prok.与与Euk.基因表达上的遗传差异基因表达上的遗传差异 Repetitive gene Overlapping gene Splitting gene Post-transcription transcription & translation RNA processing synchronizely同步同步Eukaryote ProkaryoteEukaryote ProkaryoteDNADNA DNA + 组蛋白组蛋白 染色质染色质chromatin

42、Naked DNA56 Enhancer & silencer Attenuater Monocistron polycistron (operon) m5C gene off 乙酰化作用乙酰化作用磷酸化作用磷酸化作用甲基化甲基化 糖基化糖基化trans factoractive formEukaryote ProkaryoteEukaryote Prokaryote57 Housekeeping gene(constitutive)Basic promoter + T.F. Luxury gene (inducible) 多种组合的多种组合的Trans-Factor Multiple gen

43、e familyCluster gene Quantitative Trait loci Positive control (mostly) 严谨性，专化性严谨性，专化性 ，复杂性，复杂性single gene(cAMP + CAP) site +UPE + pribnow box 单一类型单一类型保险性保险性 Negative controlEukaryote ProkaryoteEukaryote Prokaryote58 多细胞生物多细胞生物单细胞生物单细胞生物 细胞分化细胞分化, 组织特化组织特化, 个体发育个体发育结构简单结构简单 遗传，代谢复杂遗传，代谢复杂遗传，代谢简单遗传，代谢

44、简单 线粒体，叶绿体线粒体，叶绿体质粒（质粒（plasmid） 个体发育的不可逆性个体发育的不可逆性 环境信号因子的感知与应答环境信号因子的感知与应答环境因子诱导基因表达环境因子诱导基因表达对环境条件的简单适应对环境条件的简单适应Eukaryote ProkaryoteEukaryote ProkaryoteCellCellIndividualIndividual59基因表达上的主要异同基因表达上的主要异同以转录水平调控为主以转录水平调控为主真核生物染色质的状态对基因表达的调控真核生物染色质的状态对基因表达的调控以以positive control为主为主m5C与基因表达的相关与基因表达的相关

45、转录后多种方式的加工调节转录后多种方式的加工调节Trans F + Cis F.Gene on /off相异相异相似相似个体发育的阶段调控个体发育的阶段调控 60DNA链上存在基因链上存在基因“隔离墙隔离墙”n国际研究小组国际研究小组 发现人类发现人类DNA链上存在约链上存在约1.3万处万处“隔离隔离墙墙”，将相邻的不同基因隔开，使它们互不干扰，将相邻的不同基因隔开，使它们互不干扰n全面分析了在全面分析了在DNA上发挥作用的蛋白质种类和它们所处的上发挥作用的蛋白质种类和它们所处的位置，最后将研究重点集中于一种名为位置，最后将研究重点集中于一种名为“cohesin”的蛋白的蛋白质。这种蛋白质呈环

46、状构造，质。这种蛋白质呈环状构造，DNA链就从这种蛋白质的中链就从这种蛋白质的中洞穿过洞穿过n如果使这种如果使这种“隔离墙隔离墙”失效，则会出现原本不该发挥作用失效，则会出现原本不该发挥作用的基因开始发挥作用等异常现象。被的基因开始发挥作用等异常现象。被“cohesin”分开的各分开的各个区域含有的基因数目从个区域含有的基因数目从1个到个到30个不等。科学家认为，个不等。科学家认为，被这种蛋白质隔离的基因以区域为单位承担各自的遗传功被这种蛋白质隔离的基因以区域为单位承担各自的遗传功能能 Nature 61cohesion（内聚现象）现象，即细胞核中一条染色体的两个（内聚现象）现象，即细胞核中一

47、条染色体的两个拷贝被一种叫做拷贝被一种叫做cohesin的复杂蛋白质复合体仅仅地捆在一起。的复杂蛋白质复合体仅仅地捆在一起。Cohesion作用在细胞分裂期间当新拷贝的染色体必须呆在一作用在细胞分裂期间当新拷贝的染色体必须呆在一起指导适当的时间分离时，起到重要的作用。如果染色单体太起指导适当的时间分离时，起到重要的作用。如果染色单体太早分开，子代细胞有可能携带的染色体数量不对早分开，子代细胞有可能携带的染色体数量不对这种情况这种情况常常可以在肿瘤细胞中观测到。常常可以在肿瘤细胞中观测到。之前的研究已经证实之前的研究已经证实Cohesin是一个多亚基蛋白，在从果蝇到是一个多亚基蛋白，在从果蝇到人

48、类的进化过程中都相当保守。人类的进化过程中都相当保守。cohesin蛋白复合体整个是一蛋白复合体整个是一个大的指环结构。维也纳分子病理学研究所的个大的指环结构。维也纳分子病理学研究所的Dmitri Ivanov和和Kim Nasmyth证实，证实，cohesin蛋白复合体似乎并不是依靠直蛋白复合体似乎并不是依靠直接力去拴住染色单体对的，而是利用染色单体在接力去拴住染色单体对的，而是利用染色单体在cohesin的指的指环中形成的拓扑结构禁锢住了染色单体对。环中形成的拓扑结构禁锢住了染色单体对。62RNA干扰干扰及其应用及其应用63nRNA干扰(RNA interference，简称RNAi)：是

49、指当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA（dsRNA）时，会诱发mRNA发生降解并导致转录后基因表达沉默（gene silencing）的现象 n是一种在真核生物中保守的基因表达调控机制nMost eukaryotes possess small RNA-based gene silencing systems that can down-regulate genes at transcriptional and posttranscriptional levels64RNAi 的发现的发现n1990 年，Jorgensen等为加深矮牵牛花( petunias) 的紫色，导入了一个

50、强启动子控制的色素基因。结果与预期相反，许多花瓣颜色并未加深，反而呈杂色甚至白色n1995年，康奈尔大学的Su Guo博士用反义RNA阻断线虫基因表达，发现反义RNA（antisense RNA）和正义RNA（sense RNA）都阻断了基因的表达n1998年，Andrew Fire研究证明，在正义RNA阻断了基因表达的试验中，真正起作用的是双链RNA。这些双链RNA是体外转录正义RNA时生成的。于是提出了RNAi这个词65history66nSmall RNAs (2124 nt) are involved in gene regulation through translation inh

51、ibition, mRNA cleavage, or directing chromatin modificationnAt least five classes of these small regulatory RNAs (2124 nt) ，includingmicroRNAs (miRNAs)heterochromatic siRNAstransacting siRNAs(ta-siRNAs)natural antisense siRNAs(nat-siRNAs)in metazoans(多细胞动物), the Piwi-interacting RNAs67RNAi的作用机制的作用机制

52、整个过程可能分为三步整个过程可能分为三步:ndsRNA的形成的形成nsiRNA的形成的形成nRNAi的形成阶段的形成阶段 RNAi是由是由dsRNA诱导的多步骤、多因素参与诱导的多步骤、多因素参与过程，其中需要过程，其中需要ATP参与。参与。68nDicer (DCR)：是RNAaseIII家族中一员，主要切割dsRNA或者茎环结构的RNA前体成为小RNAs分子。对应地，将这种的小RNAs分子命名为siRNA和miRNA。Dicer有着较多的结构域，最先在果蝇中发现，并且在不同的生物体上表现出很高的保守性nRNA-induced silencing complex (RISC)：一种RNA-蛋白质复合物，通过与目标mRNA完全或者部分的互补配对实施切割或者翻译抑制功能 69Ex