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基因的表达与调控（下） 真核生物基因表达的调控

基因的表达与调控（下） 真核生物基因表达的调控. ☻ 真核基因表达调控的最显著特征是能在 特定时间 和 特定的细胞 中激活 特定的基因 ，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。. ☻ 真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：

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基因的表达与调控（下） 真核生物基因表达的调控

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  1. 基因的表达与调控（下）真核生物基因表达的调控基因的表达与调控（下）真核生物基因表达的调控

  2. ☻ 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。

  3. ☻ 真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类： 第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。  第二类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。

  4. 根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：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（DNA regulation）; 转录水平调控（transcriptional regulation）； 转录后水平调控（post transcriptional regulation）； 翻译水平调控（translational regulation）； 蛋白质加工水平的调控（regulation of protein maturation）等。

  5. 真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂， 真核基因组比原核基因组大得多； 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体DNA等)； 二倍体； 单顺贩子；真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。 大量的重复序列；不连续基因； 增加了基因表达调控的层次和复杂性。 

  6. 原核生物 真核生物 操纵元调控。 多样化调控，更为复杂。 基因组小，大肠杆菌：总长4.6×106bp, 编码4288个基因, 每个基因约1100bp。 基因组大，人类基因组全长3×109 bp，编码10万个基因，其余为重复序列。 基因分布在同一染色体上，操纵元控制。 DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的变化调控基因表达；基因分布在不同的染色体上，存在不同染色体间基因的调控问题。 适应外界环境，操纵元调控表达。 基因差别表达是细胞分化和功能的核心。 转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控。 转录和翻译在时间和空间上均不同，从DNA到蛋白质的各层次上都有调控，但多数为转录水平调控 • 真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多

  7. 一、真核生物调控的特点 ◆多级调控 基因丢失 基因扩增 基因重排 甲基化修饰 染色质的结构状态 DNA水平 转录水平调控 RNA的转录后加工 mRNA向胞浆转运 mRNA稳定性 RNA水平 翻译过程 翻译后加工 蛋白质的稳定性 蛋白质 水 平

  8. 1、基因家族（gene family） 一）DNA水平上的调控 A 定义： 真核基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。可能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复(duplication)和突变产生。 B 特点： ◆家族成员可以分布于不同染色体上 ◆可集中于一条染色体上，串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster) ◆有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因即为假基因(Pseudogene)

  9. 1）简单基因家族 ◆ 特点： 家族成员串联排列在一起 组成一个转录单位 ◆ 代表: rRNA基因家族 (重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)

  10. 2）复杂基因家族 ◆ 特点： 相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列， 独立的转录单位 ◆ 代表: 组蛋白基因家族 间隔区

  11. 3）发育相关复杂基因家族 ◆特点： 分布在不同的染色体上 独立的转录单位 基因顺序与表达顺序相关 ◆代表:珠蛋白基因家族

  12. 2、DNA水平调控 1）染色质结构对基因表达的影响 A常染色质(euchromatin):压缩程度低，伸展状态，着色浅 常染色质是进行活跃转录的部位。 异染色质(heterochromatin)：压缩程度高，聚缩状态，着色深 没有基因转录表达。 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。

  13. 常染色质（活性染色质）结构上的特点： 具有DNaseI超敏感位点 具有基因座控制区 具有核基质结合区（MAR序列） ▲DNase的敏感性和基因表达 含有转录活性基因的染色质区域对DNaseⅠ降解的敏感性要比无转录活性区域高得多(超敏感位点)。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质结构变得松散，DNaseⅠ易于接触到DNA之故。

  14. 鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统 鸡胚红细胞 鸡输卵管细胞 珠 蛋 白 基因 + - 卵清蛋白基 因 - + 超敏感区域（hypersensitive region）或超敏感位点（hypersensitive site): 一般在转录起始点附近，即5′端启动子区域，少部分位于其它部位如转录单元的下游。 反映出染色体DNA的有效性。

  15. ▲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作用。是一种新的基因调控元件。

  16. 2)基因扩增 ◆定义 细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加 ◆作用 满足特定阶段生命活动的需要

  17. ①组织中整个染色体组都进行扩增： •     在双翅目昆虫[如果蝇（D.melanogaster）]的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体（polytenne chromosomes）（含多于1000条染色单体）。

  18. ♣果蝇的多线染色体polytenne chromosomes George Rudkm 早在1960年就指出：果蝇唾腺的多线染色体其常染色质DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次。

  19. ②发育中的编程扩增　 A 特定的基因簇的染色体外扩增 非洲爪蟾的18S、5.8S 和28SrDNA的串联重复单位，它们成簇存在，形成核仁形成区。可是在卵母细胞中rDNA串联重复单位被剪切下来后环化，以滚环复制的形式进行扩增，使拷贝数扩大了4000倍以上，到双线期拷贝数达到200万个,形成灯刷染色体。 满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。

  20. ♣B 特定的基因簇原位扩增：在黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋白基因不被剪切，但在基因组中通过复制的重叠环而被扩增。 卵泡细胞中选择性扩增来满足在短期中对卵壳蛋白的大量需要

  21. 3)基因重排 ◆定义 改变基因组中有关基因序列结构 (片断水平的拼接)，使相距很远的片断靠近 ◆作用 调控基因差别表达

  22. ♣免疫球蛋白

  23. 用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码Ｖ区和Ｃ区的DNA顺序相隔较远。但在成熟的抗体细胞中（淋巴瘤细胞）这两个区域却紧密相连；表明在淋巴细胞分化过程中，免疫球蛋白基因曾发生过体细胞重组。用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码Ｖ区和Ｃ区的DNA顺序相隔较远。但在成熟的抗体细胞中（淋巴瘤细胞）这两个区域却紧密相连；表明在淋巴细胞分化过程中，免疫球蛋白基因曾发生过体细胞重组。 在任何动物中每家族的V基因和C基因都隔开一段距离。

  24. 多样性是由于：①V、D和J-片段随机性重组；②重组过程中不精确的连接 ；③可变区的随机突变(体细胞超突变)。 • 有很多基因编码V区，而只有少数几个基因编码C区。V基因编码可变区 ，C基因编码稳定区，它们都作为一种独立表达的单位。

  25. 当B细胞发育时，一个特殊的L-VK片段和其中一个JK连接，再和CK连接，然后转录，切除内含子，成为成熟的mRNA当B细胞发育时，一个特殊的L-VK片段和其中一个JK连接，再和CK连接，然后转录，切除内含子，成为成熟的mRNA

  26. 在小鼠中约有1000个L- VK基因片段，4个有功能的JK片段和1个CK基因片段。这样就可能产生1000×4 = 4000个不同的κ链。 • 同样的机制也存在于小鼠λ轻链的基因中。但L-Vλ基因片段只有2个，而有4个Cλ基因，每个Cλ基因都带有自己的Jλ片段，这样产生的λ链的可变区产生要比κ链少得多。 • VK和JK基因的不同连接产生了κ链的多样化。

  27. ♣酵母的变配型的转变 ◆酵母的交配型（mating-type） 不同交配型（mating-type）的菌株相互接合才能产生二倍体的合子。相同的交配型之间是不能接合的。细胞的交配型是由MAT（mating）座的遗传信息决定的。在此座位上带有MATa等位基因的细胞就叫做a型细胞；同样带有MATα等位基因的细胞就称为α型细胞。

  28. ◆交配型的转换 某些品系的酵母具有转换（switch）交配型的能力，即从a型变成为α型，或从α型转变为a型。这些品系带有显性等位基因HO，并频繁地改变它们的交配型（常常每代改变一次）。 转换的存在表明所有的细胞都含有MATa和 MATα型的潜在信息， MATα和MATa同在一条染色体上，MAT样基因HML位于MAT的左边，MHR位于MAT的右边。

  29. ◆暗箱模型（cassette model） MAT是活性暗盒（active cassette），可以是α型，也可以是a型。HML和HMR是沉默暗盒（silent cassettes），都不能表达，通常HML带有α暗盒，而HMR带有a暗盒，所有的暗盒都带有编码交配型的信息，但只有MAT可以表达。当活性暗盒信息被沉默暗盒信息所取代时就发生了交配型转换。新“装进”活性暗盒的信息就可以表达。

  30. 图18-11 MATα MAT a 每种暗盒都有共同的序列，侧翼序列W，X和Z夹着一个中心区Y。在a和α型暗盒中仅Y区域是不同的，分别称之为Ya和Yα。中心区的两侧区域本质上都是相同的，仅HMRa缺少了W和Z区。

  31. E沉默子和I沉默子，或EL（near HML）和ER（near HMR）。具有2个特点：① 它们具有负的增强子的作用，它们能对远隔2～5Kb的启动子发挥作用，而且没有方向性，所以它们被称为沉默子（silencers）；② 它们和可能具有复制起点作用的ASR序列相联。 4个不连锁的沉默信息调节基因SIR（silent information regulator）1、2、3和4，这些基因产物共同起反式作用阻止沉默暗盒中的基因表达。

  32. ♣转换按DNA链断裂重组的模式进行 重组的起始需要HO酶的切割。MAT的Y区被降解直到Y区左侧的同源区。MAT的左、右两侧是可以和HML或HMR配对的。以HML或HMR的Y区为摸板拷贝出新的序列取代了MAT被降解的区域，配对座位再彼此分离。

  33. 4) DNA的甲基化与去甲基化 A 甲基化 ◆ DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,可能存在于所有高等生物中，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化诱导了基因的重新活化和表达 ◆ DNA甲基化的主要形式：CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC

  34. ▲ CG islands 高等真核生物中包含未甲基化CpG双核甘酸序列通常成串出现在随时准备好转录或转译的脱氧核糖核酸中，这段序列称为CG岛。

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