分子生物學(xué)基因表達(dá)調(diào)控

分子生物學(xué)基因表達(dá)調(diào)控第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第七章基因的表達(dá)與調(diào)控(下)

—真核基因表達(dá)調(diào)控真核生物的基因組真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類真核生物的不同水平的基因表達(dá)調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與基因表達(dá)調(diào)控第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)真核生物的基因組一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(略)二、真核細(xì)胞與原核細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面的差異①在真核細(xì)胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。②真核細(xì)胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，只有一小部分DNA是裸露的。第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四③高等真核細(xì)胞DNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，大部分真核細(xì)胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。④真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進(jìn)行DNA片段重排，還能在需要時(shí)增加細(xì)胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。⑤在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對(duì)較大，它們可能遠(yuǎn)離啟動(dòng)子達(dá)幾百個(gè)甚至上千個(gè)堿基對(duì)，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個(gè)所控制基因5’上游區(qū)DNA構(gòu)型來影響它與RNA聚合酶的結(jié)合能力。在原核生物中，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動(dòng)子上游不遠(yuǎn)處，調(diào)控蛋白結(jié)合到調(diào)節(jié)位點(diǎn)上可直接促進(jìn)或抑制RNA聚合酶與它的結(jié)合。第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四⑥真核生物的RNA在細(xì)胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)穿過核膜，到達(dá)細(xì)胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴(yán)格的空間間隔。

⑦許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。

第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四(三)真核生物的基因結(jié)構(gòu)真核生物的結(jié)構(gòu)基因?yàn)閿嗔鸦颉?/p>

1、外顯子與內(nèi)含子2、外顯子與內(nèi)含子接頭，

GT—AG法則

3、前導(dǎo)區(qū)（5/斷非翻譯區(qū)）

轉(zhuǎn)錄后此序列維持RNA穩(wěn)定。

4、調(diào)控序列（側(cè)翼序列）啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、終止子、沉默子等調(diào)控序列基因---產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)和種類一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)(一)真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多(多層次)(二)真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。對(duì)核酸酶敏感、DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化(三)真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

真核基因表達(dá)調(diào)控的最顯著特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的種類第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時(shí)，及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長、分化、發(fā)育的全部進(jìn)程。第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)真核生物的不同水平的基因表達(dá)調(diào)控一、真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控(一）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄

按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)，所謂活性染色質(zhì)是指具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)是指沒有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)由于核小體構(gòu)型發(fā)生構(gòu)象的改變，往往具有疏松的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng)。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四3.轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)2.對(duì)核酸酶作用敏感度增加。

活躍進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNaseⅠ消化常出現(xiàn)100－200bp的DNA片段，且長短均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化不一，出現(xiàn)了對(duì)DNaseⅠ高敏感點(diǎn)。這種高敏感點(diǎn)多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。1、組蛋白變化組蛋白的修飾，非組蛋白與之結(jié)合。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（二）基因丟失

在細(xì)胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動(dòng)物、線蟲、昆蟲和甲殼類動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中，許多體細(xì)胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞一直保留著整套的染色體。目前，在高等真核生物（包括動(dòng)物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（三）基因擴(kuò)增

基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾體細(xì)胞中rDNA的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)的基因擴(kuò)增現(xiàn)象。第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四(四）基因重排

將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的地方移到距它很近的位點(diǎn)從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。人類體內(nèi)的抗體類型109-1011第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（五）DNA的甲基化

真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側(cè)區(qū)的CG序列中，實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄。

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發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控是重要的。第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四1、DNA的甲基化甲基轉(zhuǎn)移酶CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，CpG島第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。甲基化對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用與甲基化密度成正相關(guān)。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四二、真核生物轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)調(diào)控

通過反式作用元件與相應(yīng)的順式作用元件共同作用調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。

不同的DNA結(jié)合蛋白（反式作用因子）與不同的識(shí)別序列（順式作用元件）之間在空間結(jié)構(gòu)上的相互作用，以及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（一）順式作用元件

能被反式因子識(shí)別結(jié)合，控制調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列。啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、終止子等調(diào)控序列。第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（二）反式作用因子

能識(shí)別和結(jié)合順式作用元件，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白因子。

通過與順式作用元件形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中的反式作用因子可分為三部分：①參與所有或某些轉(zhuǎn)錄階段的RNA聚合酶亞基，不具有基因特異性。

②與轉(zhuǎn)錄的起始或終止有關(guān)的輔助因子，也不具有基因特異性。

③與特異調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。它們是起始某個(gè)（類）基因轉(zhuǎn)錄所必需的。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域連接區(qū)反式作用元件一般由三部分（結(jié)構(gòu)域）組成：第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四1、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（4）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH（1）螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）（2）鋅指結(jié)構(gòu)（zincfinger）（3）堿性-亮氨酸拉鏈（basic-leucinezipper）（5）同源域（Homeodomain）第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（transcriptionactivationdomains）

轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域一般由30-100個(gè)氨基酸殘基組成，與其它蛋白質(zhì)作用形成復(fù)合物，調(diào)控基因的表達(dá)。

在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間相互作用的調(diào)節(jié)變得精密、復(fù)雜，完整的轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能通常以復(fù)合物的方式來完成，因此，是否具有轉(zhuǎn)錄活化域就成為反式作用因子中唯一的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

該結(jié)構(gòu)域含有由酸性氨基酸殘基組成的保守序列，多呈帶負(fù)電荷的親脂性α-螺旋，可能是通過非特異性的相互作用與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上的TFIID等因子結(jié)合生成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。（1）酸性α-螺旋(acidicα-helix)

第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（2）谷氨酰胺豐富區(qū)

如：SP1的N末端含有2個(gè)主要的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，氨基酸組成中有25%的谷氨酰胺，很少有帶電荷的氨基酸殘基。

酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳動(dòng)物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有這種結(jié)構(gòu)域。（3）脯氨酸豐富區(qū)

如轉(zhuǎn)錄因子CTF的C末端與其轉(zhuǎn)錄激活功能有關(guān)，含有20%-30%的脯氨酸殘基。第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四三、真核生物轉(zhuǎn)錄后水平上的基因表達(dá)調(diào)控1、不同剪接方式可產(chǎn)生不同的mRNA

大多數(shù)前體mRNA都含有多個(gè)內(nèi)含子，他們常被有序的逐一切除，形成一個(gè)由各外顯子連接而成的成熟mRNA，這種剪接方式稱~。這類基因稱為簡單轉(zhuǎn)錄單位。mRNA加工水平上的調(diào)控。組成型剪接第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

來自同一個(gè)基因的前體mRNA中某個(gè)內(nèi)含子5’端供點(diǎn)又可在特定條件下與另一個(gè)內(nèi)含子的3’端受點(diǎn)進(jìn)行剪接，從而刪除這兩個(gè)內(nèi)含子及其中間的全部外顯子和內(nèi)含子。這樣，一個(gè)前體mRNA就可因剪接方式不同產(chǎn)生多種mRNA，轉(zhuǎn)譯出多個(gè)不同蛋白質(zhì)，這樣的剪接方式稱為交替剪接。這種基因稱為復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位。交替剪接

通過選擇性的剪接和剪接效率調(diào)控mRNA的水平。第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2、RNA編輯

糾正某些移碼突變；構(gòu)建或刪除起始密碼子、終止密碼子；增減核苷酸、擴(kuò)充遺傳信息。3、mRNA有效性控制增加mRNA的穩(wěn)定性，延長其壽命，提高利用率。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4、RNA干擾（RNAinterferenceRNAi)

2003年10大科學(xué)進(jìn)展--第四(Science)

正常生物體內(nèi)一些小的雙鏈RNA可以抑制特定基因表達(dá)的一種現(xiàn)象。當(dāng)細(xì)胞中導(dǎo)入與內(nèi)源性mRNA編碼區(qū)同源的小雙鏈RNA(doublestrandedRNA，dsRNA)時(shí)，可以通過促使該mRNA降解來高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致基因表達(dá)沉默的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默(post-transcriptionalgenesilencing，PTGS)。這些小的雙鏈RNA稱為siRNA(Small/shortinterferingRNA，siRNA)。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四RISC:RNA-inducedsilencingcomplexRNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四四、真核生物翻譯水平的基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控

通過控制mRNA的活性調(diào)節(jié)翻譯。真核生物的許多組織或細(xì)胞中，經(jīng)轉(zhuǎn)錄mRNA受抑制不能翻譯成多肽，以失活的狀態(tài)貯存。在必要時(shí)才進(jìn)行翻譯。

通過調(diào)節(jié)核糖體的數(shù)量、相關(guān)的蛋白因子（如起始、延伸、終止）因子和酶的活性，影響翻譯。第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四五、真核生物翻譯后水平的基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控蛋白質(zhì)加工過程中的調(diào)控。1、蛋白質(zhì)的折疊

蛋白質(zhì)在一定的條件下（分子伴侶)，才能折疊成一定的空間構(gòu)型并具有生物學(xué)功能。2、蛋白酶的切割3、化學(xué)修飾有些蛋白質(zhì)經(jīng)化學(xué)修飾后才具有活性；有的修飾后則影響其功能。第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)P1P2P3En起始密碼5/UTRE1E2E3終止密碼子3/UTR終止子轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)TATACAATGC5/3/結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)上游下游第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四抗體的表達(dá)調(diào)控2條輕鏈（有K和λ兩類）2條重鏈（5類）抗體第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四如K基因：V-J-C抗體的表達(dá)經(jīng)歷了基因重排。V150種，J5種，VJ接頭10種，C1種，可產(chǎn)生7500種K鏈。重鏈基因：4類可變片段(VDJC)，V65種，D30種，J6種，C9種，以及VD、DJ、JC接頭的變化，形成360萬種重鏈。兩者組合可形成的抗體：7500×3600000抗體。

如再考慮λ鏈與重鏈的組合形成的抗體類型就更多。第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四弱啟動(dòng)子：稀少的甲基化使其喪失活性，強(qiáng)啟動(dòng)子：高密度時(shí)才能被失活。第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋:至少兩個(gè)α-螺旋區(qū)和將其隔開的β轉(zhuǎn)角。其中的一個(gè)被稱為識(shí)別螺旋區(qū)，因?yàn)樗３в袛?shù)個(gè)直接與DNA序列相識(shí)別的氨基酸，與DNA的大溝結(jié)合。第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四鋅指結(jié)構(gòu)一種常出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元。是由一個(gè)含有大約30個(gè)氨基酸的環(huán)和一個(gè)與環(huán)上的4個(gè)Cys或2個(gè)Cys和2個(gè)His配位的Zn構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四Cys2/Cys2鋅指Cys2/His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1，TFⅢA等第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄因子SP1（GC盒）、連續(xù)的3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。

不同的鋅指蛋白鋅指的數(shù)量不同，鋅指是這些蛋白質(zhì)與靶序列結(jié)合所必需的。第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四堿性-亮氨酸拉鏈二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。肽鏈氨基端20～30個(gè)富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。

當(dāng)來自不同多肽鏈的兩個(gè)α-螺旋的疏水面（常常含