現(xiàn)代分子生物學第八章

現(xiàn)代分子生物學第八章演示文稿本文檔共62頁；當前第1頁；編輯于星期一\17點42分8.1真核基因表達調控相關概念和一般規(guī)律

基因表達的基本概念基因組：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?；颍褐改墚a生一條肽鏈或功能RNA所必需的DNA片段。它包括編碼區(qū)和其上下游區(qū)域。以及在編碼片段間(外顯子)的間斷切割序列（內含子)基因表達：基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋自質分子或RNA分子的過程?；虮磉_調控：受內源及外源信號調控的這個調控的過程。2本文檔共62頁；當前第2頁；編輯于星期一\17點42分8.1.2真核基因的斷裂結構

1.外顯子與內含子現(xiàn)已證明大多數(shù)真核基因都是蛋白質編碼序列和非蛋自質編碼序列兩部分組成的（表8-1）。編碼序列稱為外顯子，非編碼序列稱為內含子。在一個結構基因中，編碼某一蛋自質不同區(qū)域的各個外顯子并不連續(xù)排列在一起，而常常被長度不等的內含子所隔離，形成鑲嵌排列的斷裂方式。所以真核基因有時被稱為斷裂基因。3本文檔共62頁；當前第3頁；編輯于星期一\17點42分許多情況下,高等真核基因核DNA序列中對應于外顯子的部分可能還不到10%

圖8-1是哺乳動物二氫葉酸還原酶基因，全長25一31kb,但6個外顯子總長只有2kb。少數(shù)基因根本不帶內含子。前尚不清楚內含子的生理功能。某些基因完全除去內含子以后，照樣可以產生有活性的mRNA;另一些基因，如SV40T抗原基因，一旦除去內含子，成熟mRNA運人細胞質基質的過程就完全被阻斷。

4本文檔共62頁；當前第4頁；編輯于星期一\17點42分研究發(fā)現(xiàn)，只有真核生物具有切除基閃中內含子，產生功能型mRNA和蛋內質的能力，原核生物一般不具有這種本領。如果要在原核細胞里表達真核基因,必須首先構建切除內含子的重組基因，才有可能得到所研究的蛋白質。5本文檔共62頁；當前第5頁；編輯于星期一\17點42分2.外顯子與內含子的連接區(qū)真核基因斷裂結構的另一個重要特點是外顯子-內含子連接區(qū)的高度保守性和特異性堿基序列。外外顯子-內含子連接區(qū)就是指兩者的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：內含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性，因此內含子兩端序列不能互補,說明在剪接加工之前，內含子上游序列和下游序列不可能通過堿基配對形成發(fā)夾式二級結構。外顯子-內含子連接區(qū)序列雖然很短，但卻是高度保守的，因此，該序列可能與剪接機制密切相關，是RNA剪接的信號序列。6本文檔共62頁；當前第6頁；編輯于星期一\17點42分序列分析表明，幾乎每個內含子5’端起始的兩個堿基都是GT,而3’端最后兩個堿基總是AG,由于這兩個堿基的高度保守性和廣泛性,把它稱為GT-AG法則，由于內含子兩末端的序列不同，可定向標明內含子的兩個末端,根據(jù)剪接加工過程沿內含子自左向古進行的原則，一般將內含子5‘端接頭序列稱為左剪接位點，3’端接頭序列稱為右剪接位點,故將前者稱為供體位點，后者為受體位點。外顯子-內含子連接區(qū)的保守序列幾乎存在于所有高等真核生物基閃中，表明可能存在著共同的剪接加工機制。但是在線粒體基因和酵母tRNA基因中不存在這類保守序列，暗示存在不同類型的剪接過程。7本文檔共62頁；當前第7頁；編輯于星期一\17點42分3.外顯子與內含子的可變調控在基因轉錄，加工產生成熟mRNA分子時，內含子通過剪接加工被去掉，保留在成熟MRNA分子中的外顯子被拼接在一起，最終被翻譯成蛋白質。因此通過反轉錄酶的作用，該cDNA分子只含有外顯子，沒有內含子。有些真核基因，如肌紅蛋白重鏈基因卻能精確地剪接成一個成熟的mRNA，我們稱這種方式為組成型剪接。一個轉錄產物組成型剪接只能產生一種成熟的mRNA，編碼一個多膚。但是，有不少真核基因的初級轉錄產物可通過不同的剪接方式，產生不同的mRNA并翻譯成不同的蛋白質。

另外一些核基因在轉錄時選擇了不同的啟動子，或者在轉錄產物上選擇不同的多(A〕位點而使初級轉錄物具有不同的二級結構.因而影響剪接過程，最終產生不同的mRNA分子。

8本文檔共62頁；當前第8頁；編輯于星期一\17點42分選擇性剪接：同一基因的轉錄產物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的過程。選擇性剪接的典刑例子：小鼠淀粉酶基因表達的組織特異性變化9本文檔共62頁；當前第9頁；編輯于星期一\17點42分在小鼠肝和唾液腺這兩種組織中，淀粉酶mRNA的編碼序列完全相同，但5‘端起始部分長度不同。事實上,L外顯子只是唾液腺淀粉酶基因中內含子序列的一部分，將在mRNA成熟過程中被切除。有實驗證明，由S外顯子起始的轉錄產物是由L外顯子起始轉錄產物的100倍以上。由于一個基因的內含子成為另一個基因的外顯子，形成基因的差異表達，這是真核基因斷裂結構的一個重要特點。10本文檔共62頁；當前第10頁；編輯于星期一\17點42分基因家族真核細胞的DNA是單順反子結構，很少出現(xiàn)置于一個啟動子控制之下的操縱子。真核細胞中許多相關的基因常按功能成套組合，被稱為基因家族。同一家族的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇;但更多的時候，它們分散在同一染色體的不同部位.甚至位于不同的染色體上。具有各自不同的表達調控模式。11本文檔共62頁；當前第11頁；編輯于星期一\17點42分

1.簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯(lián)方式相連?；蚪M分析表明，大腸桿菌中共有7個這樣的拷貝，每一個拷貝中只有tRNA基因的種類、數(shù)量和存在部位有些變化。12本文檔共62頁；當前第12頁；編輯于星期一\17點42分在真核生物中，前rRNA轉錄產物的沉降系數(shù)為45S(約有1400個核苷酸)，包括18s、28s和5.8S三個主要分子。前rRNA分子中至少有100處被甲基化（主要是核糖的2-OH甲基化)，初級轉錄產物也被特異性RN4酶切割降解。產生成熟rRVA分子。這個過程需要snoRNA的參與(圖8-4)5SrRNA作為一個獨認的轉錄單位，由RNA聚合酶3（而不是聚合酶I)完成轉錄。13本文檔共62頁；當前第13頁；編輯于星期一\17點42分果蠅tRNA基因家族具有兩個海膽組蛋白家族所沒有的特點：

在基因家族中含有3個tRNAlys

基因，而基因家族中的每個基因都單獨按各自的方向進行轉錄。

2.復雜多基因家族復雜多基因家族一般由幾個相關基因家族構成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位。海膽基因家族和果蠅tRNA基因家族（下圖）：14本文檔共62頁；當前第14頁；編輯于星期一\17點42分3.發(fā)育調控的復雜多基因家族血紅蛋白是動物體內輸送分子氧的住要載體，由2a2b組成的四聚體加血紅素輔基(結合鐵原子)后形成功能性血紅蛋白。已知所有動物物種中血紅蛋白基因的基本結構都相同（圖8-6）.然而，在生物個體發(fā)育的不同階段，卻出現(xiàn)幾種不同形式的a和b亞基。15本文檔共62頁；當前第15頁；編輯于星期一\17點42分人a一珠蛋白基因簇位于16號染色體短臂上，占30kb左右.其中ξ為胚胎期基因（表8-2）。β一珠蛋自基因簇位于11號染色體短臂上.占50-60kb。（圖8-7）16本文檔共62頁；當前第16頁；編輯于星期一\17點42分不同發(fā)育階段血紅蛋白亞型17本文檔共62頁；當前第17頁；編輯于星期一\17點42分胚胎期類α-珠蛋自，最先以ξ2型出現(xiàn)。以后逐漸被ξ1型所取代。在胎兒期有兩類等分子數(shù)β型鏈。因此，胚胎型血紅蛋白中含有兩個ξ2型α鏈和兩個ξ2型β鏈。新生兒出生后,98%的血紅蛋白中含有兩個儀α2單位和兩個β亞單位，2%的血紅蛋白含兩個α2單位和兩個β亞單位。在每個基因家族中，基因排列的順序就是它們在發(fā)育階段的表達順序（圖8-8）。18本文檔共62頁；當前第18頁；編輯于星期一\17點42分8.1.4基因表達的方式和特點

1.基因表達的方式根據(jù)對刺激的反應模式,可分為組成性表達和選擇性表達兩大類。某些基因在個體的所有細胞中持續(xù)表達，這些基因即為管家基因.其表達模式又被稱為組成性基因表達。管家基因通常具備以下特點:①細胞結構和代謝過程中所必需的基因,例如編碼rRNA、肌動蛋白、微管蛋白等的基因;②通常能夠保持較高的表達量。根據(jù)這些特點，實驗研究中常把rRNA、肌動蛋白或微管蛋白基因作為RT-PCR的對照。在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。而如果基因被環(huán)境信號所被抑制，這種基因就是可阻遏基因(repmssihlegene)?；虮磉_調控大多數(shù)是對這些基因的轉錄和翻譯速率的調節(jié)，從而導致其編碼產物的水平發(fā)生改變并影響其功能。19本文檔共62頁；當前第19頁；編輯于星期一\17點42分2.基因表達的時空特異性基因表達的時間特異性（temporalspecificity),即按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時M順序發(fā)生。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性?；虮磉_的空間特異性,是指在個體生長過程中，某種基因產物按不同組織空間順序出現(xiàn)，基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在不同器官的分布所決定的。所以，空間特異性又稱細胞或組織特異性?？臻g特異性的基因表達也普遍存在于動、植物生長發(fā)育的各個階段，如果蠅胚胎發(fā)育中許多調節(jié)體節(jié)形成的基因表達均呈現(xiàn)出顯著的組織特異性?；虮磉_調控能夠維持細胞的增殖、分化，維持個體的生長、發(fā)育，有助于生物體更好地適應外界環(huán)境變化。20本文檔共62頁；當前第20頁；編輯于星期一\17點42分真核基因表達調控一般規(guī)律真核生物和原核生物在基因表達調控上的巨大差別是由兩者基本生活方式不同所決定的。原核生物一般為自由生活的單細胞，只要環(huán)境條件合適，養(yǎng)料供應充分，它們就能無限生長、分裂，因此，它們的調控系統(tǒng)就是要在一個特定的環(huán)境中為細胞創(chuàng)造高速生長的基礎，或使細胞在受到損傷時，盡快得到修復。它們主要是通過轉錄調控，以開啟或關閉某些基因的表達來適應環(huán)境條件（主要是營養(yǎng)水平的變化)。環(huán)境因子往往是調控的誘導物，群體中每個細胞對環(huán)境變化的反應都是直接和基本一致的。21本文檔共62頁；當前第21頁；編輯于星期一\17點42分主要步驟22本文檔共62頁；當前第22頁；編輯于星期一\17點42分真核生物(除酵母、藻類和原生動物等單細胞類之外）主要由多細胞組成，每個真核細胞所攜帶的基因數(shù)a及總基因組中蘊藏的遺傳信息最都大大高于原核生物，如人類細胞單倍體基因組就包含有3x10^9bP總DNA,約為大腸桿菌總DNA的800倍，是噬菌體總DNA的10萬倍左右！真核生物基因組DNA中有許多重復序列，基因內部還常插入不翻譯成蛋白質的序列，都影響了真核基因的表達。真核生物的DNA還常與蛋白質(包括組蛋白和非組蛋白）結合,形成十分復雜的染色質結構。染色質構象的變化、染色質中蛋白質的變化及染色質對DNA酶敏感程度的變化等都會對基因表達產生重要影響。23本文檔共62頁；當前第23頁；編輯于星期一\17點42分此外，真核生物染色質被包裹在細胞核內，基因的轉錄(核內）和翻譯(細胞質基質內）被核膜所隔開，核內RNA的合成與轉運,細胞質基質中RNA的剪接和加工等無不擴大了真核生物基因調控的范圍，使真核生物基因調控達到了原核生物所不可能擁有的深度和廣度。對大多數(shù)真核細胞來說，基因表達調控的最明顯特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn)“預定”的、有序的、不可逆轉的分化、發(fā)育過程,并使生物的組織和器官保持正常功能。24本文檔共62頁；當前第24頁；編輯于星期一\17點42分真核生物基因調控可分為兩大類：第一類是瞬時調控或稱可逆性調控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應，包括某種底物或激索水平升降時,或細胞周期不同階段中梅活性的調節(jié);第二類是發(fā)育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。25本文檔共62頁；當前第25頁；編輯于星期一\17點42分根據(jù)基因調控在同一事件中發(fā)生的先后次序，又可將其分為轉錄水平調控及轉錄后水平調控,前者可以分為遺傳水平的DNA調控和表觀遺傳水平的染色質調控，后者又進一步分為RNA加工成熟過程的調控、翻譯水平的調控及蛋白質加工水平的調控等。

26本文檔共62頁；當前第26頁；編輯于星期一\17點42分8.2真核基因表達的轉錄水平調控

真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻澤及DNA的空間結構方面存在如下差異:1.在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯一條多膚鏈，原核生物中常見的多基因操縱子形式在真核細胞中比較少見.2.真核細胞的DNA與組蛋白和大量非組蛋白結合.只有一小部分DNA是裸露的。3.高等真核細胞DNA中大部分不轉錄；大部分真核細胞還存在不被翻譯的內含子4.真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數(shù)、這種能力在原核生物中也是極為鮮見的。27本文檔共62頁；當前第27頁；編輯于星期一\17點42分5.真核生物基因轉錄的調控區(qū)大，它們可能遠離核心啟動子幾百個甚至上千個堿基對。雖然這些凋節(jié)區(qū)也能與蛋白質結合.但是并不直接影響啟動子區(qū)對于RNA聚合酶的接受程度，而是通過改變整個所控制基因5’上游區(qū)DNA構型來影響它與RNA聚合酶的結合能力。6.真核牛物的RNA在細胞核中合成，只有經轉運穿過核膜，到達細胞質基質后，才能被解譯成蛋白質.原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。7.許多真核生物的叢因只有經過復雜的成熟和剪接過程，才能被順利地翻譯成蛋白質。28本文檔共62頁；當前第28頁；編輯于星期一\17點42分真核基因的一般結構特征一個完整的真核基因，包括編碼區(qū)，5’和3’端長度不等的特異性序列，它們雖然不編碼氨基酸，卻在基因表達的過程中起重要作用。（如下圖）所以，基因的分子生物學定義是：產生一條多肽鏈或功能RNA所必須的全部核苷酸序列。29本文檔共62頁；當前第29頁；編輯于星期一\17點42分基因轉錄調節(jié)的基本要素包括：

順式作用原件、反式作用因子和RNA聚合酶。

30本文檔共62頁；當前第30頁；編輯于星期一\17點42分順式作用原件是指啟動子和基因的調節(jié)序列。主要包括啟動子、增強子、沉默子等。反式作用因子是指能夠結合在順式作用元件上調控基因表達的蛋自質或者RNA。RNA聚合酶是催化基因轉錄最主要的酶。31本文檔共62頁；當前第31頁；編輯于星期一\17點42分32本文檔共62頁；當前第32頁；編輯于星期一\17點42分33本文檔共62頁；當前第33頁；編輯于星期一\17點42分34本文檔共62頁；當前第34頁；編輯于星期一\17點42分35本文檔共62頁；當前第35頁；編輯于星期一\17點42分36本文檔共62頁；當前第36頁；編輯于星期一\17點42分37本文檔共62頁；當前第37頁；編輯于星期一\17點42分8.2.2增強子及其對轉錄的影響

增強子是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列，最早發(fā)現(xiàn)于SV40早期基因的上游，有兩個長72bp的正向重復序列。

增強子特性（1）增強效應十分明顯。(2)增強效應與其位置和取向無關。(3）大多為重復序列（50bp）。(4）其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性。(5)沒有基因專一性，可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應。(6)許多增強子還受外部信號的調控。38本文檔共62頁；當前第38頁；編輯于星期一\17點42分增強子的作用原理增強子可能有如下3種作用機制:①影響模板附近的DNA雙螺旋結構，導致DNA雙螺旋彎折或在反式作用因子的參與下，以蛋白質之間的相互作用為媒介形成增強子與之間“成環(huán)”連接，活化基因轉錄;②將模板固定在細胞核內特定位置，如連接在核基質上，有利子DNA拓撲異構酶改變DNA雙螺旋結構的張力，促進RNA聚合酶II在DNA鏈上的結合和滑動;③增強子區(qū)可以作為反式作用因子或RNA聚合酶II進人染色質結構的“入口”。39本文檔共62頁；當前第39頁；編輯于星期一\17點42分8.2.3反式作用因子真核生物啟動子和增強子是由若干DNA序列元件組成的.由于它們常與特定的功能基因連鎖在一起，因此被稱為順式作用元件。這些序列組成基因轉錄的調控區(qū)，影響基因的表達。在轉錄調控過程中，除了需要調控區(qū)外，還需要反式作用因子。40本文檔共62頁；當前第40頁；編輯于星期一\17點42分41本文檔共62頁；當前第41頁；編輯于星期一\17點42分根據(jù)不同功能，常將反式作用因子分為以下三類:1.貝有識別啟動子元件功能的基本轉錄因子;2能識別增強子或沉默子的轉錄調節(jié)因子3.不需要通過DNA-蛋白質相互作用就參與轉錄調控的共調節(jié)因子。實驗中，常將前兩類反式作用因子統(tǒng)稱為轉錄因子,包括轉錄激活因子和轉錄阻遏因子。常將與轉錄激活因子有協(xié)同作用的那一類共調節(jié)因子稱為共激活因子，將與轉錄阻遏因子有協(xié)同的作用的那一類共調節(jié)因子稱為共阻遏因子