5真核生物基因表达与调控-课件·ppt

Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是 不同的。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。

酸性激活域 (D/E-rich) 谷氨酰胺(Q)富含域 脯氨酸(P)富含域
蛋白质-蛋白质结合域 （dimerization, co-factors）
1） TF最常见的DNA binding domain
Zinc Finger
bZIP
Homeodomain
bHLH
(1) 锌指(zinc finger)
2. The pri5’ capping 3’ formation / polyA splicing
3. Mature transcripts are transported to the cytoplasm for translation
Chromatin
epigenetic control
Protein degradation RNA silencing
一般而言的基因表达调控范畴
二、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性
按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性(temporal specificity)。
Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His C-terminal: α-helix binding DNA
常结合GC box
(2) 碱性亮氨酸拉链 bZIP
(3) 碱性螺旋-环-螺旋bHLH
bHLH蛋白(basic Helix-Loop-Helix)
2） TF常见的trans-activation domain
– usually expressed at high level – the level of their gene expression may vary

在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础转录因 子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有：增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件；参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录 因子，它们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达，而阻遏蛋白与沉默子结合 ，抑制基因的表达，某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为 阻遏蛋白其作用，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作 用而行使功能，作用方式包括：招募其它转录因子和携带修饰酶（ 如激酶或乙酰基转移酶）到转录复合物而刺激激活蛋白的活性；辅 阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点，但同样通过蛋白质与蛋白质的相互 作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的激活位点、作为负 别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶（如磷酸酶或组蛋白去乙 酰基酶）的活性。
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更有效 和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真核生物基 因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要在不同的生长 时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 ，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平 上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层次是真核生物特有 的，比如染色质水平、RNA后加工水平和mRNA运输等；
调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子，但真核 生物一般无操纵子结构。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核生物 DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转录的“默认 状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控，而真核生 物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控机制主要是通过激活蛋白进行 的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响到基因 的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所在位置的染色 质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位是核小体，因此，染 色质结构的改变是从核小体的变化开始的，而核小体的变化是从组蛋白 的共价修饰和去修饰开始的。

第三节
真核基因表达的调控
基因表达的多级调控
基因数目 基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
一、DNA和染色体结构对转录的调控
1. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,降低转录 活性；甲基化范围与基因表达程度呈反比。 2. 组蛋白变化
5. 沉默子
• 概念：能抑制启动子活性的DNA序列。
• 特点：与增强子相似；沉默子与增强子的角色可因 调控基因而转换。
二、反式作用因子(trans-acting factor)
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作 用，调节其表达。 这种调节作用称为反式作用。 还有个别蛋白质因子可特异识别、结合 自身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用。
（二）转录调节因子分类
（按功能特性） * 基本转录因子
是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组
蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及
rRNA)转录的类别。TF I；TF II；TF III
TFⅡ（转录因子）参与RNA-pol Ⅱ转录
转录因子 TF ⅡD TF ⅡA
TF ⅡB TF ⅡF TF ⅡE
真核基因表达与调 控
第二节 真核基因表达调控的分子机制
一、顺式作用元件(cis-acting element)
概念: 真核生物中能够被基因调控蛋白特异性识别和结 合，并对自身基因转录起始有调节作用的DNA序列。 转录起始点 DNA B A
编码序列
• 真核生物的顺式作用元件包括三类：
Ⅰ类顺式作用元件——Ⅰ类启动子——RNA pol Ⅰ
蛋白质-蛋白质结合域 （二聚化结构域）

基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
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原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
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酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物
如果某种物质 能够促使细菌产生 酶来分解它，这种 物质就是诱导物。
合时，结构基因不转录。
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在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
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三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白

y Y
z Z
第十一章 真核生物基因表达的调控
3.3 反式作用因子 为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或 关闭（负调控）。 转录因子
－基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必需
的一组蛋白因子,主要包括TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ 。
－特异转录因子：个别基因转录所必需的转录因
子，如OCT-2在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig 基因的启动子和增强子。
3.2 顺式作用元件 ⑴ 启动子（Promoter） 启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段 DNA序列。它还包括一些调节蛋白因子的结合位点 。 ① 核心启动子成分，如 TATA 框 ； ② 起始子序列； ③ 上游启动子成分，如CAAT框 ,GC框 。
影响基因转录的效率和频率！
第十一章 真核生物基因表达的调控
真核与原核生物转录调控的区别
第十一章 真核生物基因表达的调控
3 转录水平的调控 3.2 顺式作用元件
启动子、增强子、沉默子、绝缘子等！ 结构基因 -GCGC---CAAT---TATA
转录起始 增强子 TATA 盒 CAAT 盒
GC 盒
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
2.3 基因重排
如免疫球蛋白基因重排，多样性。
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
2 DNA水平的调控 2.4 染色质结构的改变 染色质是真核基因组DNA的主要存在形式，核小 体是构成染色质的基本单位。DNA结合组蛋白核心 形成核小体，妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠 近和结合，使基因的活性受到抑制。可通过改变染 色质的结构来调节基因的活性。 ☆ 常染色质:结构松散，基因表达 ☆ 异染色质:结构紧密，基因不表达 ☆ 有基因表达活性的染色质DNA对 DNaseⅠ更敏 感，即DnaseⅠ的敏感性,可作为该基因的转录活 性的标志 ☆ 染色质改变模型：占先模型和动态模型。 第十一章 真核生物基因表达的调控