2023年真核基因表达调控（教学课件）.ppt

第七章第七章 基因的表达与调控基因的表达与调控(下下)真核基因表达调控的一般规律真核基因表达调控的一般规律 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DNA水平上的基因表达调控 真核生物转录水平上的基因表达调控 真核基因转录后水平上的调控 Contents 一、真核基因组结构特点 真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜、染色质、核膜 单顺反子单顺反子 基因不连续性基因不连续性 断裂基因断裂基因interrupted gene、内含子内含子(intron)、外显子外显子(exon)非编码区较多非编码区较多 多于编码序列多于编码序列(9:1)含有大量重复序列含有大量重复序列 第一节 真核生物的基因组 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元多顺反子 原核生物基因组结构特点 有重叠基因 二、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异 试说明真核细胞与原核细胞在基因转录，翻译及DNA的空间结构方面存在的主要差异，表现在哪些方面？武汉大学2003年分子生物学硕士入学试题 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。真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小局部DNA是裸露的。高等真核细胞DNA中很大局部是不转录的，大局部真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。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。在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它在真核生物中，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调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区上游区DNA构型来影响它与构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。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促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。聚合酶与它的结合。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。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。三、根本概念 一基因家族gene family)真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些基因称为基因家族。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇(gene cluster)。如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因家族 1、简单多基因家族 简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit 2、复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由复杂多基因家族一般由几个相关基因家族几个相关基因家族构成，基构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。Organization of histone genes in the animal genome 二断裂基因 基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非编码序列所隔开，其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。外显子(Exon)：真核细胞基因DNA中的编码序 列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子(Intron)：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。1、外显子与内含子的连接区 指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个重要特征：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性 连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列 5GTAG 3 2、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剪接只能产生一种成熟的mRNA。选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。PS 外显子 S PL 外显子 L 外显子 2 外显子 3 DNA 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初始转录本：在唾腺中转录 成熟 mRNA：1663nt 初始转录本：在肝中转录 成熟 mRNA：1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy)基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA(三)假基因 是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。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 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 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响。瞬时调控包括某种底对环境条件变化所做出的反响。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。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二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓局部，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部髓局部，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。进程。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控水平调控转录水平调控转录水平调控转录后水平调转录后水平调控控翻译水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控 二、真核生物基因表达调控的种类：第三节 真核生物DNA水平上的基因表达调控 基因丧失基因丧失 基因扩增基因扩增 基因重排基因重排 DNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控 染色体结构与调控染色体结构与调控 抗体分子的形成抗体分子的形成 Ti质粒质粒 转座子转座子 一、基因丧失：一、基因丧失：在细胞分化过程中，可以通过丧失掉某些基因而去除这些在细胞分化过程中，可以通过丧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，许多体细胞常常丧失掉整条或局部的染色体，个体发育中，许多体细胞常常丧失掉整条或局部的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保存着整套的只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保存着整套的染色体。染色体。目前，在高等真核生物包括动物、植物中尚未发现类目前，在高等真核生物包括动物、植物中尚未发现类似的基因丧失现象。似的基因丧失现象。二、基因扩增：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。要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。现的基因扩增现象。基因组拷贝数增加，即基因组拷贝数增加，即多倍性，多倍性，在植物中是非常普遍的现象。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。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 DNA含量的发育控制含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶段的组织中别离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的段的组织中别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。对于一给定的物种，含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍是单倍体基因组中的体基因组中的DNA质量。质量。将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位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，这种方式被称为点从而启动转录，这种方式被称为基因重排基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋免疫球蛋白白结构基因的表达。结构基因的表达。三、基因重排：三、基因重排：四、四、DNA的甲基化与基因调控：的甲基化与基因调控：1 1、DNADNA的甲基化的甲基化 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 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 2 2、DNADNA甲基化抑制基因转录的机理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。五、染色质结构与基因表达调控：五、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活性染色质和非活性染色质色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活，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。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合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。聚合酶在转录模板上滑动。活性染色质 真核细胞中真核细胞中基因转录的模板是染色质基因转录的模板是染色质而不是而不是裸露的裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结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构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合聚合酶能否有效行使转录功能的关键。酶能否有效行使转录功能的关键。活性染色质的主要特点 在结构上：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MAR序列 二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点 一一RNA聚合酶聚合酶 二活性染色体结构变化二活性染色体结构变化 1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点活化基因常有超敏位点，位于调节蛋位于调节蛋白结合位点附近白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后 RNA-pol 正超螺旋正超螺旋 负超螺旋负超螺旋 转录方向转录方向 3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4.组蛋白变化组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露 三正性调节占主导三正性调节占主导 四转录与翻译分隔进行四转录与翻译分隔进行 五转录后修饰、加工五转录后修饰、加工 活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。每个活泼表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大局部位于基因5端启动子区域。活性染色质上具有核基质结合区 matrix attachment region，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倍以10上，说明MAR在基因表达调控中有