2023年新真核基因表达与调控（教学课件）.ppt

基因的表达与调控下 真核基因表达调控的一般规律 张建勇 山东理工大学生命科学学院?分子生物学?真核基因表达调控真核基因表达调控 特征：在特定的时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定、有序的、不可逆转的分化、发育过程，使生物的组织和器官保持正常功能。什么是调控基因表达的信号？什么是调控基因表达的信号？基因的调控主要是在哪一步？基因的调控主要是在哪一步？转录、转录、mRNA的成熟或蛋白的成熟或蛋白质合成质合成 不同水平基因调控的分子机制不同水平基因调控的分子机制是什么？是什么？核小体：a.无调控蛋白时，基因表达减少。b.修饰改变核小体，让DNA结合蛋白与DNA的结合易于进行。重复序列和内含子。DNA与蛋白质结合，构象的变化，调节序列的增多。转录和翻译的间隔，RNA的合成与转运，RNA的剪接和加工。1、影响真核基因表达调控的因素、影响真核基因表达调控的因素 2 2、真核基因表达的调节特点、真核基因表达的调节特点 1多层次 2无操纵子和衰减子 3个体发育复杂 4受环境影响较小 染色体 基因结构的激活 转录起始 转录物加工 向胞质转运 mRNA 的翻译产物加工 3、分两大类、分两大类 1.瞬时调控或可逆调控：相当于原核生物对环境的变化作出的反响，象某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段酶活性的调节。2.发育调控或不可逆调控：调控发生的主要水平：转录水平调控 转录后水平调控：RNA加工成熟过程的调控 翻译水平的调控 蛋白质加工水平的调控 一、真核生物的基因结构与表达活性一、真核生物的基因结构与表达活性 单顺反子 结合组蛋白和非组蛋白 重复序列和内含子 DNA片段重排和增加基因拷贝数 基因调节区的位置和大小 空间间隔 有剪接成熟的过程 1、基因家族、基因家族 真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族gene family 家族成员可以成簇存在，或者分散在不同的染色体中(或两者都有)。基因簇(Gene cluster)少那么可以是由重复产生的两个相邻相关基因所组成，多那么可以是几百个相同基因串联排列而成。基因簇通过重复和变异形成基因簇通过重复和变异形成 多数重复都在基因第一个拷贝附近产生第二个拷贝。有时这些拷贝保持联系，进一步重复可以产生相关基因的一个基因簇。突变可以在一个拷贝中积累而不会使自然选择向不利的方向进行。然后这个突变的拷贝可以进化形成一种新功能，也许和第一个拷贝在不同时期或地点表达，也许获得不同的活性。1简单多基因家族简单多基因家族 串连方式前后相连。E.coli中有七个拷贝，每个拷贝中tRNA基因的种类、数量和部位发生变化。原核生物 真核生物真核生物 前体为45S 100处被甲基化2-OH 需要snoRNAs的参与(核仁小RNA，研究热点，由内含子编码。反义snoRNA指导rRNA核糖甲基化。)snRNAsnRNA snRNA(核小RNA)：指任何一个限制在核内的小分子RNA，一些snRNA在涉及剪接过程，另一些涉及RNA 合成反响。核内RNA U1，U2，U4，U5，U6 与核蛋白组成snRNPs 剪接装置中的snRNPs和大量的附加蛋白，常称为剪接因子 非编码非编码RNA:nonRNA:non-coding RNA(ncRNA)coding RNA(ncRNA)能被转录但不编码蛋白质且具有特定功能的能被转录但不编码蛋白质且具有特定功能的RNARNA分子。分子。DNADNA序列中专门转录成非编码序列中专门转录成非编码RNARNA的局部称为的局部称为RNARNA基因或非编码基因或非编码RNARNA基因。基因。ncRNA tRNA、rRNA siRNAs、microRNAs、piRNAs 小分子ncRNA 大分子ncRNA：Xist、Evf、Air、CTN、PINK lincRNAs 大型插入性非编码RNA snoRNA、snRNA、scRNA、gRNA、pRNA、tmRNA、RNase P RNA、Signal recognition particle RNA guide RNA small cytoplasmic RNA small nuclear RNA transfer-messenger RNA small nucleolar RNA packaging RNA 核酶 2复杂多基因家族复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，作为独立的转录单位。3发育调控的多基因家族发育调控的多基因家族 血红蛋白基因根本结构 但在生物个体发育的不同阶段，却出现不同形式的和亚基。哺乳动物血红蛋白类-珠蛋白基因家族、类-珠蛋白基因家族都是由功能基因和假基因形成的一个基因簇。：16chr：11chr 人类中，和是两条类似链，、和是类似链。这些链在不同的发育阶段表达。在基因家族中，基因的排列顺序是它们在发育阶段的表达顺序。无功能基因是指没有编码蛋白质能力的基因，没有活性的原因很多，可能是由于在转录或翻译(或两种中都有)过程中有缺失。它们被称为假基因(Pseudogenes)，用符号表示。在脊椎动物-珠蛋白的基因簇中普遍存在基因和假基因，小鼠的基因簇有7 个基因：2个早期胚胎表达基因；1个晚期胚胎表达基因，2 个成体表达基因，剩下2 个为假基因。鸡和兔的-珠蛋白基因簇有4 个成员。当前的珠蛋白基因簇是从一个当前的珠蛋白基因簇是从一个原祖珠蛋白基因进化而来的原祖珠蛋白基因进化而来的 植物的豆血红蛋白(Leghemoglobin)基因可代表此基因的原始结构 一些“原始鱼类仅有珠蛋白链 非洲爪蟾(X.laevis)珠蛋白基因的结构是一个连锁的-对的内部重复 和珠蛋白基因的分开一定是由于哺乳动物/鸟类祖先的基因发生转座的结果 我们可以把一个编码区的核苷酸序列分为潜在的置换位点(Replacement sites)和沉默位点(Silent sites)。置换位点上的突变应该引起相应氨基酸的趋异 基因的趋异基因的趋异 两个核酸或蛋白质之间的差异可以用趋异度(Divergence)表示，即差异的位点的百分比。人-珠蛋白基因置换位点的多样性使我们能够再现其进化历史，图中树状进化图解释了一系列珠蛋白基因逐渐别离过程。Sequence divergence is the basis for the evolutionary clock 假基因假基因 假基因：它们具有与功能基因非常类似的序列，但这些序列不能翻译成有功能的蛋白质。假基因与功能基因一样的结构：有相当于外显子和内含子的序列。基因表达过程中的突变，会使这些基因失去活性。突变几种形式：如消除起始转录的信号，阻止在外显子-内含子的连接点进行剪接或过早的终止翻译。假基因是进化的死角假基因是进化的死角 许多系统中(包括珠蛋白、免疫球蛋白和组织相容性抗原)有些假基因只当作活性基因的失活形式。在这些系统中，假基因位于基因簇附近，往往中间还夹杂着活性基因 突变成为新的功能基因或成为失去功能的假基因等过程，在基因簇中不断地进行。大多数基因家族都有一些假基因。通常假基因在总基因数目中只占一小局部。我们所看到的那些基因都是在目前种群中幸存下来的基因，其他一些假基因在过去可能早已被去除。假基因的去除可以通过突然发生的序列缺失，或通过某个位点上累积突变，只是假基因不再被认作原有序列家族的一员而发生的(这可能是一切不被去除掉的假基因的最终归宿)。2、真核基因的断裂结构、真核基因的断裂结构 在各级生物中都存在断裂基因(Interrupted genes)。在低等真核生物的基因中断裂基因仅占很小的一局部，但是在高等真核生物基因组中绝大局部都是断裂基因。剪接需要在内含子与外显子结合处产生断裂，然后将外显子末端相连。从图中的放大演示可以看到RNA加工的根本流程。外显子外显子 DNA序列中外显子局部可能还不到10 少数基因如组蛋白及型、型干扰素基因，根本没有内含子。不清楚内含子的功能。断裂基因的结构形式为编码区域提供了进行重组的潜在位点，有利于基因的进化。边界顺序边界顺序 连接区的保守序列几乎存在于所有高等生物基因中，说明可能存在共同的剪接加工机制。线粒体和酵母tRNA基因中不存在类似保守序列，还有其它加工剪接过程。外显子与内含子的可变调控外显子与内含子的可变调控 组成型剪接：一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的mRNA分子，编码一个多肽。选择性剪接：hnRNA通过不同的剪接方式，产生不同的mRNA，并翻译成不同的蛋白。选择性剪接 二、真核生物基因表达多层次的调控二、真核生物基因表达多层次的调控 染色体水平的调控染色体水平的调控 染色体丧失等染色体丧失等 染色质水平调控染色质水平调控 异染色质化异染色质化 组蛋白的影响组蛋白的影响 DNA水平的调控水平的调控 DNA的甲基化与去甲基化的甲基化与去甲基化 基因的扩增基因的扩增 基因的重排基因的重排 转录水平的调控转录水平的调控 转录起始和加工的调节转录起始和加工的调节 翻译的调控翻译的调控 细胞周期的调控细胞周期的调控 一一染色质水平调控染色质水平调控 染色质的丧失：不可逆 异染色质化 组蛋白的影响 1、异染色质化异染色质化 异染色质(Heterochromatin)是用以描述染色体区域的术语，这类区域永久性的卷曲并呈惰性，致密。与代表大多数基因组的常染色质不同。异染色质经常位于着丝粒和端粒上。哺乳动物细胞中50%的基因组是以异染色质形式存在 异染色质中也有少量基因，活性基因转移到异染色质区，该基因通常会被关闭。染色质结构对转录的影响染色质结构对转录的影响 遗传物质的结构状态与其活性是相对应的。在S 期晚期被复制；异染色质不被转录。这说明遗传物质的压缩状态是与其失活相关联的。活性基因包含在常染色质内，所以定位在常染色质上是基因表达的必要而非充分条件。染色质结构对转录的影响染色质结构对转录的影响 常染色质解旋，形成自由DNA，导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA结合，诱发基因转录。用DNA酶I处理各种组织的染色质时，处于活泼状态的基因比非活泼状态的DNA更容易被酶所降解。含有一个或几个DNA酶I超敏感位点，大多位于基因5端启动区。1灯刷染色体的伸展状态灯刷染色体的伸展状态 灯刷染色体在特别长的减数分裂期内形成，可能会存在几个月！此期间，染色体在光镜下可看到染色体呈现向外伸出的灯刷伸展状态存在。表达的染色体呈高度伸展状态 灯刷染色体是二价体，姐妹染色单体几乎完全别离，它们之间仅由几个交叉相连。染色体在某些位置上染色线以突环(Lateral loop)的形式伸出，形状很像灯刷。突环被核糖核蛋白围绕，包含一些新生RNA 链。一个转录单位能被定义为沿突环移动的RNP的长度。突环是被活泼转录突出的DNA片段。突环成对伸展，且都源于同一姊妹染色单体。在轴线上突环是连续的。转录时核小体伸展和压缩状态时可逆的。进行转录，遗传物质需要从其更加紧密的包装状态变为相对松散的开放状态。2转录破坏多线染色体的结构转录破坏多线染色体的结构 条带的线性排布代表基因的线性排布。果蝇基因的总数似乎多于带的数目，大多数带中可能有多个基因。这种染色体与间期染色质或分裂期染色体相比，遗传物质呈充分伸展状态。多线染色体的一个内在特征是活性位点能够直接观察。有些带暂时形成一个涨泡(称为Balbiani环)，染色体物质从轴上突出出来。涨泡(Buff)的本质是什么？在组成涨泡区域里，染色体纤维从其正常包装状态解螺旋，纤维连续地染色体轴伸出。涨泡经常从单个带里解放出来。昆虫昆虫(C.tentans 摇蚊摇蚊)唾腺唾腺的的IV 染色体有三个巴尔比亚尼染色体有三个巴尔比亚尼环。环。涨泡状态与基因表达相关。在组成涨泡区域里，染色体纤维从其正常包装状态解螺旋，纤维连续地染色体轴伸出。涨泡是RNA 合成的位置。灯刷和多线染色体这些性质说明了一个普遍的结论，为进行转录，遗传物质需要从其更加紧密的包装状态变为相对松散的开放状态。2 2、组蛋白的影响、组蛋白的影响 核小体的转录阻遏作用。组蛋白的转录阻遏作用。H1的转录阻遏作用：能稳定核小体的结构。竞