分子生物学基因表达调控

分子生物学基因表达调控第1页，共53页，2023年，2月20日，星期四第七章基因的表达与调控(下)

—真核基因表达调控真核生物的基因组真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物的不同水平的基因表达调控信号转导与基因表达调控第2页，共53页，2023年，2月20日，星期四第一节真核生物的基因组一、真核基因组结构特点(略)二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面的差异①在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。②真核细胞DNA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。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期四③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。④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。⑤在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们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。第4页，共53页，2023年，2月20日，星期四⑥真核生物的RNA在细胞核中合成，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。

⑦许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质。

第5页，共53页，2023年，2月20日，星期四(三)真核生物的基因结构真核生物的结构基因为断裂基因。

1、外显子与内含子2、外显子与内含子接头，

GT—AG法则

3、前导区（5/断非翻译区）

转录后此序列维持RNA稳定。

4、调控序列（侧翼序列）启动子、增强子、终止子、沉默子等调控序列基因---产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。第6页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二节真核生物基因表达调控的特点和种类一、真核生物基因表达调控的特点(一)真核基因表达调控的环节更多(多层次)(二)真核基因的转录与染色质的结构变化相关。对核酸酶敏感、DNA拓扑结构变化、DNA碱基修饰变化、组蛋白变化(三)真核基因表达以正性调控为主第7页，共53页，2023年，2月20日，星期四

真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。二、真核生物基因表达调控的种类第8页，共53页，2023年，2月20日，星期四根据其性质可分为两大类：一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。二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。第9页，共53页，2023年，2月20日，星期四根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控第10页，共53页，2023年，2月20日，星期四第三节真核生物的不同水平的基因表达调控一、真核生物DNA水平上的基因表达调控(一）活性染色质结构影响基因转录

按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期四3.转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构2.对核酸酶作用敏感度增加。

活跃进行转录的染色质区域受DNaseⅠ消化常出现100－200bp的DNA片段，且长短均一，说明其DNA受组蛋白掩盖的结构有变化不一，出现了对DNaseⅠ高敏感点。这种高敏感点多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的结构发生变化，可能有利于调控蛋白结合而促进转录。1、组蛋白变化组蛋白的修饰，非组蛋白与之结合。第12页，共53页，2023年，2月20日，星期四4.DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向第13页，共53页，2023年，2月20日，星期四（二）基因丢失

在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。第14页，共53页，2023年，2月20日，星期四（三）基因扩增

基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。第15页，共53页，2023年，2月20日，星期四(四）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位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。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。人类体内的抗体类型109-1011第16页，共53页，2023年，2月20日，星期四（五）DNA的甲基化

真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶，而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。这种甲基化最常发生在某些基因5′侧区的CG序列中，实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录。

如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基化对基因表达调控是重要的。第17页，共53页，2023年，2月20日，星期四1、DNA的甲基化甲基转移酶CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛第18页，共53页，2023年，2月20日，星期四2、DNA甲基化抑制基因转录的机理DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。甲基化对转录的抑制作用与甲基化密度成正相关。第19页，共53页，2023年，2月20日，星期四二、真核生物转录水平上的基因表达调控

通过反式作用元件与相应的顺式作用元件共同作用调节基因转录。

不同的DNA结合蛋白（反式作用因子）与不同的识别序列（顺式作用元件）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的基础。第20页，共53页，2023年，2月20日，星期四（一）顺式作用元件

能被反式因子识别结合，控制调节基因转录的DNA序列。启动子、增强子、沉默子、终止子等调控序列。第21页，共53页，2023年，2月20日，星期四（二）反式作用因子

能识别和结合顺式作用元件，参与调控靶基因转录调控的蛋白因子。

通过与顺式作用元件形成转录复合体，转录复合物中的反式作用因子可分为三部分：①参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性。

②与转录的起始或终止有关的辅助因子，也不具有基因特异性。

③与特异调控序列结合的转录因子。它们是起始某个（类）基因转录所必需的。第22页，共53页，2023年，2月20日，星期四DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区反式作用元件一般由三部分（结构域）组成：第23页，共53页，2023年，2月20日，星期四1、DNA结合结构域（4）碱性-螺旋-环-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH（1）螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）（2）锌指结构（zincfinger）（3）碱性-亮氨酸拉链（basic-leucinezipper）（5）同源域（Homeodomain）第24页，共53页，2023年，2月20日，星期四2、转录激活结构域（transcriptionactivationdomains）

转录激活结构域一般由30-100个氨基酸残基组成，与其它蛋白质作用形成复合物，调控基因的表达。

在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白质-蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，因此，是否具有转录活化域就成为反式作用因子中唯一的结构基础。第25页，共53页，2023年，2月20日，星期四

该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性α-螺旋，可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。（1）酸性α-螺旋(acidicα-helix)

第26页，共53页，2023年，2月20日，星期四（2）谷氨酰胺丰富区

如：SP1的N末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。

酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有这种结构域。（3）脯氨酸丰富区

如转录因子CTF的C末端与其转录激活功能有关，含有20%-30%的脯氨酸残基。第27页，共53页，2023年，2月20日，星期四三、真核生物转录后水平上的基因表达调控1、不同剪接方式可产生不同的mRNA

大多数前体mRNA都含有多个内含子，他们常被有序的逐一切除，形成一个由各外显子连接而成的成熟mRNA，这种剪接方式称~。这类基因称为简单转录单位。mRNA加工水平上的调控。组成型剪接第28页，共53页，2023年，2月20日，星期四

来自同一个基因的前体mRNA中某个内含子5’端供点又可在特定条件下与另一个内含子的3’端受点进行剪接，从而删除这两个内含子及其中间的全部外显子和内含子。这样，一个前体mRNA就可因剪接方式不同产生多种mRNA，转译出多个不同蛋白质，这样的剪接方式称为交替剪接。这种基因称为复杂转录单位。交替剪接

通过选择性的剪接和剪接效率调控mRNA的水平。第29页，共53页，2023年，2月20日，星期四2、RNA编辑

纠正某些移码突变；构建或删除起始密码子、终止密码子；增减核苷酸、扩充遗传信息。3、mRNA有效性控制增加mRNA的稳定性，延长其寿命，提高利用率。第30页，共53页，2023年，2月20日，星期四4、RNA干扰（RNAinterferenceRNAi)

2003年10大科学进展--第四(Science)

正常生物体内一些小的双链RNA可以抑制特定基因表达的一种现象。当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的小双链RNA(doublestrandedRNA，dsRNA)时，可以通过促使该mRNA降解来高效、特异的阻断体内特定基因的表达，从而导致基因表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默(post-transcriptionalgenesilencing，PTGS)。这些小的双链RNA称为siRNA(Small/shortinterferingRNA，siRNA)。第31页，共53页，2023年，2月20日，星期四RISC:RNA-inducedsilencingcomplexRNA诱导沉默复合物第32页，共53页，2023年，2月20日，星期四四、真核生物翻译水平的基因表达调控调控

通过控制mRNA的活性调节翻译。真核生物的许多组织或细胞中，经转录mRNA受抑制不能翻译成多肽，以失活的状态贮存。在必要时才进行翻译。

通过调节核糖体的数量、相关的蛋白因子（如起始、延伸、终止）因子和酶的活性，影响翻译。第33页，共53页，2023年，2月20日，星期四五、真核生物翻译后水平的基因表达调控调控蛋白质加工过程中的调控。1、蛋白质的折叠

蛋白质在一定的条件下（分子伴侣)，才能折叠成一定的空间构型并具有生物学功能。2、蛋白酶的切割3、化学修饰有些蛋白质经化学修饰后才具有活性；有的修饰后则影响其功能。第34页，共53页，2023年，2月20日，星期四转录起始点P1P2P3En起始密码5/UTRE1E2E3终止密码子3/UTR终止子转录终止点TATACAATGC5/3/结构基因的结构上游下游第35页，共53页，2023年，2月20日，星期四抗体的表达调控2条轻链（有K和λ两类）2条重链（5类）抗体第36页，共53页，2023年，2月20日，星期四如K基因：V-J-C抗体的表达经历了基因重排。V150种，J5种，VJ接头10种，C1种，可产生7500种K链。重链基因：4类可变片段(VDJC)，V65种，D30种，J6种，C9种，以及VD、DJ、JC接头的变化，形成360万种重链。两者组合可形成的抗体：7500×3600000抗体。

如再考虑λ链与重链的组合形成的抗体类型就更多。第37页，共53页，2023年，2月20日，星期四弱启动子：稀少的甲基化使其丧失活性，强启动子：高密度时才能被失活。第38页，共53页，2023年，2月20日，星期四第39页，共53页，2023年，2月20日，星期四螺旋-转角-螺旋:至少两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸，与DNA的大沟结合。第40页，共53页，2023年，2月20日，星期四第41页，共53页，2023年，2月20日，星期四第42页，共53页，2023年，2月20日，星期四锌指结构一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期四Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等第44页，共53页，2023年，2月20日，星期四转录因子SP1（GC盒）、连续的3个锌指重复结构。

不同的锌指蛋白锌指的数量不同，锌指是这些蛋白质与靶序列结合所必需的。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期四碱性-亮氨酸拉链二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。

当来自不同多肽链的两个α-螺旋的疏水面（常常含