医学课件：基因的表达与调控(下)完整版

第七章基因的表达与调控(下)

—真核基因表达调控的一般规律2023/10/9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1、RNA聚合酶2、多层次3、个体发育复杂4、活性染色体结构变化：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。5、正性调节占主导6、转录与翻译间隔进行7、转录后修饰、加工2023/10/9

DNA①转录调控

hnRNA②加工调控

mRNA③转运调控

mRNA④⑤mRNA降解调控

蛋白质失活mRNA⑥蛋白质活性调控翻译调控活性蛋白质细胞核细胞质2023/10/9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。二、真核生物基因表达调控的种类：2023/10/9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2023/10/9第三节真核生物DNA水平上的

基因表达调控基因丢失基因扩增基因重排DNA甲基化状态与调控染色体结构与调控2023/10/9一、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。2023/10/9二、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。2023/10/9基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在2023/10/9DNA含量的发育控制:利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的DNA含量与组织的成熟程度成正比。C是单倍体基因组中的DNA质量。2023/10/9

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。三、基因重排2023/10/92023/10/9V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。2023/10/9四、染色质结构与基因表达调控：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。活性染色质2023/10/9真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。2023/10/9AprotocoltotesttheeffectoftranscriptiononnucleosomesshowsthatthehistoneoctamerisdisplacedfromDNAandrebindsatanewposition2023/10/9活性染色质的主要特点在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点.活性染色质上具有基因座控制区.活性染色质上具有核基质结合区2023/10/91.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.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2023/10/94.组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露3.DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。2023/10/9活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因5’´端启动子区域。2023/10/9活性染色质上具有核基质结合区（matrixattachmentregion，MAR）。MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。2023/10/92023/10/9五、DNA的甲基化与基因调控1、DNA的甲基化2023/10/9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。

CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛2023/10/9真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：日常型甲基转移酶从头合成型甲基转移酶

2023/10/9日常型甲基转移酶2023/10/9从头合成型甲基转移酶

2023/10/92、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。

2023/10/92023/10/93、DNA甲基化与X染色体失活雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活X染色体失活中心(X-chromosomeinactivationcenter,Xic):Xist基因(Xi-specifictranscript)XistX染色体其他位点甲基化，不转录活性去甲基化，活性去甲基化，转录失活甲基化，失活2023/10/9GenedosageWhataboutsexchromosomes?XXvs.XYYchromosomesaremissingmostofgenesXhas.So,if1setofgenesontheXisgoodformales,istwosets(2Xchromosomes)badforfemales?2023/10/9

X染色质A、B、C、D、E：分别为含0、1、2、3、4个X染色质

X-chromatin2023/10/9

①女性体细胞中的两条X染色体，只有一条有活性，而另一条失活，在间期细胞核中呈异固缩状态，被碱性染料着色，形成X染色质。剂量补偿效应：在XX的体细胞和XY的体细胞中其X染色体的基因产物基本相等称为剂量补偿效应。

X染色体=X染色质数目+1赖昂假说——失活X假说2023/10/9

②失活的X染色体可以来自父方，也可以来自母方。③X染色体失活发生在胚胎发育早期（人胚胎16天）。失活X假说2023/10/9

用荧光染料（如盐酸阿的平）染色，可以看到一个0.5μm的荧光小体，称y染色质，又称y小体。Y-chromatin2023/10/9AbouttheYYchromosomehasbeenshrinking.NowmissingmanyofgenesthatXhas.ContainsSRYthatcodesfortestis-determiningfactor,necessaryformalenessduringdevelopment.RegionsnearptelomereandqtelomerearehomologoustoXchromosome.Crossingovercanoccurthereduringmeiosis.Becauseofthis,genesinthislocationdonotbehaveassex-linkedtraits,thussaidtobepseudoautosomalbecausetheybehavelikegenesonautosomesratherthansexchromosomes.2023/10/9

性染色质（个数）检查的意义：x染色质y染色质核型表型

1046，XX女性0146，XY男性0045，X1147，XXY2047，XXX0247，XYY2023/10/9性腺发育不全综合征45，X2023/10/9xxx综合征先天性睾丸发育不全综合征(47，XXY)2023/10/9第四节真核生物转录水平上的

基因表达调控一、真核基因转录（一）真核基因结构2023/10/9“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。2023/10/9（二）顺式作用元件定义：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列，组成基因转录的调控区。例：启动子、增强子、沉默子等。（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。分2种：核心启动子和上游启动子2023/10/9核心启动子：指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游-25～-30bp处的TATA盒。作用是只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。上游启动子：包括位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒等，作用是调节转录起始的频率，提高转录效率。2023/10/92023/10/9（2）增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。

2023/10/9SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200bp处有两段长72bp的正向重复序列。SV40增强子结构示意图增强子区域SP1结合区域早期RNAs2023/10/9增强子特点：①增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍;②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（5‘→3’或3‘→5’），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；

2023/10/9③大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；④增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；2023/10/9⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；⑥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、镉浓度做出反应。2023/10/9增强子作用机理：

2023/10/9（3）沉默子：某些基因含有负性调节元件——沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。2023/10/9（三）反式作用因子(trans-actingfactor)

1、定义：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。为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。转录因子：TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）2023/10/9通用或基本转录因子(generaltranscriptionfactors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等。特异转录因子(specialtranscriptionfactors)—个别基因转录所必需的转录因子.OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。2023/10/92023/10/9反式作用因子特点三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-bindingdomain)；转录活性域(transcriptionalactivationdomain)；结合其他蛋白的结合域；能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)正调控与负调控。2023/10/92023/10/92023/10/92、结构DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区2023/10/9

（1）DNA结合结构域：螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）锌指结构（zincfinger）碱性-亮氨酸拉链（basic-leucinezipper）碱性-螺旋-环-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH）2023/10/9①螺旋-转折-螺旋2023/10/92023/10/92023/10/9②锌指结构配位键2-9个定义：是一种常出现在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。2023/10/92023/10/9

Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等2023/10/9

转录因子SP1（GC盒）

、连续的3个锌指重复结构。

2023/10/9③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。2023/10/9这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。2023/10/92023/10/9定义：出现在DNA结合蛋白质和其它蛋白质中的一种结构基元（motif）。当来自同一个或不同多肽链的两个α-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。2023/10/9④碱性-螺旋-环-螺旋2023/10/9螺旋-环-螺旋2023/10/9螺旋-环-螺旋2023/10/92023/10/9（四）转录起始复合物2023/10/9转录起始的调控转录起始复合物的形成关键：转录因子(transcriptionfactor,TF)；启动子与TF结合后，才能被RNApol识别与结合；-25～-30区：TATA盒2023/10/9TBP:TATA-bindingproteinTAFs:TBPassociatedfactors2023/10/9反式作用因子的活性调节合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化配体结合：如激素与受体的结合蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体反式作用因子与顺式作用元件的结合2023/10/9反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动、Oozing等反式作用因子的组合式调控作用(conbinatorialgeneregulation)使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达2023/10/9成环与上游启动子结合的基因调控蛋白和与增强子结合的基因调控蛋白协同作用决定基因的转录活性。2023/10/92023/10/9反式作用因子与顺式作用元件的结合2023/10/9组合式调控作用2023/10/9第六节真核基因转录后水平上的调控一、RNA的加工成熟（一）rRNA和tRNA的加工成熟rRNA的加工：分子内的切割和化学修饰2023/10/92023/10/9rRNA化学修饰：甲基化原核生物：碱基甲基化真核生物：核糖甲基化tRNA基因转录时也可能先生成前体tRNA，然后再进行加工成熟。一般认为，tRNA基因的初级转录产物在进入细胞质后，首先经过核苷的修饰，生成4.5S前体tRNA，再行剪接成为成熟tRNA（4S）。2023/10/9（二）mRNA的加工成熟2023/10/9（三）真核生物基因转录后加工的多样性真核生物的基因可以按其转录方式分为两大类：即简单转录单位和复杂转录单位。1.简单转录单位这类基因只编码产生一个多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。这类基因转录后加工有3种不同形式：2023/10/9DNAmRNADNAmRNADNAmRNA转录起始点终子点Poly(A)剪辑实例

－－组蛋白

＋－α-干扰素许多酵母基因

＋＋α，β珠蛋白大量核基因Poly(A)位点Poly(A)位点2023/10/92.复杂转录单位含有复杂转录单位的主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质的基因，它们除了含有数量不等的内含子以外，其原始转录产物能通过多种不同方式加工成两个或两个以上的mRNA。2023/10/9（1）利用多个5’端转录起始位点或剪接位点产生不同的蛋白质。2023/10/9肌球蛋白碱性轻链基因剪接的多样性2023/10/9（2）利用多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。2023/10/9（3）虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点的基因。如酵母的乙醇脱氢酶基因。

2023/10/9二、翻译水平的调控蛋白质合成的起始反应的必备条件：核糖体，合成场所；模板mRNA，传递信息的媒介；可溶性蛋白因子；tRNA，携带氨基酸。2023/10/9（一）mRNA的扫描模式与蛋白质合成的起始实验证明，在真核生物起始蛋白质合成时，40S核糖体亚基及有关合成起始因子首先与mRNA模板靠近5’处结合，然后向3’方向滑行，发现AUG起始密码子时，与60S大亚基结合形成80S起始复合物。2023/10/9（二）mRNA5’末端帽子结构的识别与蛋白质合成

滑动搜索模型：是阐述了带有5’－m7G帽子结构的真核生物mRNA的翻译起始作用。在与mRNA结合之前，Met－tRNA先和结合有eIF-3、，eIF-4C两种起始因子40S核糖体亚单位相结合，才能和mRNA5’端的帽子形成复合物。同样，mRNA在被结合之前，需要在ATP供能情况下与eIF-4F、eIF-4A、e1F-4B形成一个复合中间体。一旦mRNA－eIF-2-GTP·Met－tRNA复合物形成之后，该复合物可以沿mRNA5’-UTR区向3’端滑动，以搜寻起始AUG密码。2023/10/9到达起始AUG位时，60S核糖体亚单位就结合于40S复合物上，同时由于eIF-5的作用，即把40S原复合物上的eIF-2-GDP释放出来，进入再利用的循环，形成的80S复合物即开始肽链的合成和延伸。在翻译起始过程中，已知elF-4F、eIF-2和eIF-2

B等因子是通过磷酸化作用担负着调控作用。2023/10/9

所有真核生物mRNA5’端均具有以5’－5’磷酸二酯键相连的帽子结构（m7GPPPN）。早在1976年，Shatkin由体外翻译实验结果指出了m7G帽子有增强翻译效率的作用。此外．大量的体外和体内翻译实验证实了大多数mRNA的翻译活性依赖于帽子结构。虽然，未被甲基化的帽子结构即可保护转录本不受5’外切酶的降解，然而，只有当其被甲基化形成m7G帽子时，mRNA才能被有效地翻译．5’帽子结构还有利于mRNA从细胞核向胞质的转运和增加其稳定性．5’帽子和3’端的poly（A）尾对mRNA翻译效率的调节有协同作用。2023/10/9

例：转运铁蛋白受体（TfR）和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件（ironresponseelement，IRE）。（三）mRNA的稳定性与基因表达调控2023/10/93′3′铁蛋白mRNA的翻译调控2023/10/9

IRE与IRE结合蛋白（IREBP）相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。当细胞缺铁时，IREBP与IRE具有高亲和力，两者的结合有效地阻止了铁蛋白mRNA的翻译，与此同时，TfRmRNA上3'非翻译区中的IRE也与IREBP特异结合，有效地阻止了TfRmRNA的降解，促进TfR的合成。2023/10/9转运铁蛋白受体（TfR）mRNA铁蛋白mRNA2023/10/9