基因表达的概念及特点【教师助手】

概念：概念：基因表达就是基因转录及翻译的过程。基因表达就是基因转录及翻译的过程。真核生物表达调控与原核生物的不同：真核生物表达调控与原核生物的不同：（1）染色体结构不同；）染色体结构不同；（2）原核生物具有正调控和负调控并重的特点，）原核生物具有正调控和负调控并重的特点，真核生物目前已知的主要是正调控；真核生物目前已知的主要是正调控；（3）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核 生物的转录和翻译在时空上是分开的；生物的转录和翻译在时空上是分开的；（4）多细胞的真核生物，在其个体发育过程中它）多细胞的真核生物，在其个体发育过程中它们的基因表达在时间和空间上具有特异性，即细们的基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性或组织特异性表达。胞特异性或组织特异性表达。1学校教课真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点基因表达的时、空特异基因表达的时、空特异 性性 时间特异性时间特异性（temporal specificity，阶段特异性阶段特异性stage specificity）：按功能）：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性间特异性又称阶段特异性 空间特异性空间特异性（special specificity，细，细胞或组织特异性胞或组织特异性tissue specificity）：在）：在个体生长全过程，某种基因产物按不同组个体生长全过程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现。织空间顺序出现。2学校教课多多层层次次调调控控 DNA 转录调控转录调控 hnRNA 加工调控加工调控 mRNA 转运调控转运调控 mRNA mRNA降解调控降解调控 蛋白质蛋白质 失活失活mRNA 蛋白质活性调控蛋白质活性调控翻译调控翻译调控活性蛋白质活性蛋白质细胞核细胞核细胞质细胞质3学校教课真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控 染色体水平的调控染色体水平的调控 DNA水平的调控水平的调控 转录水平的调控转录水平的调控 转录后加工的调控转录后加工的调控 翻译水平的调控翻译水平的调控 翻译后水平的调控翻译后水平的调控4学校教课一一 染色体水平的调控染色体水平的调控染色质的结构：基本结构是核小体。在细胞中的状态：（1）紧密压缩（2）被阻遏状态（3）有活性状态（4）被激活状态异染色质化5学校教课6学校教课组蛋白对基因活性的影响组蛋白对基因活性的影响(1)占先模型（pre-emptive model）:认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。转录因子先结合在DNA的特定位点上，基因正常转录；反之，组蛋白先与DNA的特定位点结合，则形成核小体，转录停止。(2)动态模型（dynamic model）：认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即染色质重塑。在染色质重塑过程中，某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小体解体。7学校教课组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化去乙酰化 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色质结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的质结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的活性。组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某活性。组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某些基因，增强或抑制某些基因的表达。些基因，增强或抑制某些基因的表达。组蛋白的组蛋白的8个亚基上有个亚基上有32个潜在的乙酰化位点。个潜在的乙酰化位点。8学校教课（1）组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化导致组蛋白表面正电荷减少，组蛋白与导致组蛋白表面正电荷减少，组蛋白与DNA结结合能力下降，合能力下降，引起核小体解聚并阻止核小体装配引起核小体解聚并阻止核小体装配，使得，使得染色体处于染色体处于松弛状态松弛状态，从而，从而使转录因子和使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在聚合酶顺利结合在DNA上上，促，促进基因转录；进基因转录；（2）组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信识别信号号”，如，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应到相应的启动子上，促进转录前起始复合物的装配；的启动子上，促进转录前起始复合物的装配；（3）细胞分裂期，组蛋白乙酰化）细胞分裂期，组蛋白乙酰化参与细胞周期和细胞分裂的调控；参与细胞周期和细胞分裂的调控；（4）组蛋白）组蛋白去乙酰化引起或维持基因沉默去乙酰化引起或维持基因沉默。组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化-去乙酰化的生物功能去乙酰化的生物功能9学校教课非组蛋白（非组蛋白（NHP)非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞的代谢、生长、增殖和变异等，并能在核内接受外来信号，构成核内信息转导系统，形成一条调节基因表达的重要途径。10学校教课核基质核基质(nuclea matrix)特点：特点：（1）限定）限定DNA环状结构域的大小；环状结构域的大小；（2）各种核基质蛋白之间相互作用，）各种核基质蛋白之间相互作用，控制染色体组装的程度，调节控制染色体组装的程度，调节DNA的的复制与转录；复制与转录；（3）可能存在着基因的某种增强元件；）可能存在着基因的某种增强元件；（4）可能有）可能有DNA复制的起始位点复制的起始位点定义：核基质是由定义：核基质是由3-30nm的微纤丝构成的网络状骨架蛋白，主的微纤丝构成的网络状骨架蛋白，主要成分包括要成分包括DNA拓扑异构酶、核基质蛋白以及多种拓扑异构酶、核基质蛋白以及多种DNA结合蛋白，结合蛋白，并含有少量并含有少量RNA。11学校教课染色质丢失染色质丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排其他染色体水平上的基因表其他染色体水平上的基因表达调控方式达调控方式12学校教课染色质丢失染色质丢失 典例：马蛔虫不带着丝粒的片段在子代中将丢失体细胞 染色体断裂生殖细胞 染色体不断裂染色质丢失染色质丢失：是细胞分化过程中，消除某个基因活性的方式：是细胞分化过程中，消除某个基因活性的方式之一之一,就是从细胞中除去这个基因。某些原生动物、昆虫及就是从细胞中除去这个基因。某些原生动物、昆虫及甲壳纲动物细胞分化过程中就会有部分染色体丢失。甲壳纲动物细胞分化过程中就会有部分染色体丢失。受精卵 213学校教课基因扩增基因扩增时期rDNA 核仁数卵母细胞约500拷贝单个减数分裂前期I数量猛增数百减数分裂双线期约200万拷贝很多典例：非洲爪蟾蜍基因扩增基因扩增：是指某些基因的拷贝数特异性增加的现象，：是指某些基因的拷贝数特异性增加的现象，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要。育的需要。14学校教课基因重排基因重排 典例：哺乳动物免疫球蛋白免疫球蛋白基因定位基因重排基因重排：基因组中不同位置的：基因组中不同位置的DNA可以通过剪接重组而连接在可以通过剪接重组而连接在一起，产生具有新功能的基因。一起，产生具有新功能的基因。15学校教课基因重排基因重排人Ig基因结构注：（1）L：先导序列基因片段V：可变区基因片段D：多样性区基因片段J：连接区基因片段C：恒定区基因片*：假基因（2）内含子区域所标数字表示DNA长度（kb)（3）每个CH基因用一个方框表示，实际上包括几个外显子16学校教课二二 DNA水平上的调控水平上的调控DNA甲基化（甲基化（DNA Methylation)哺乳动物基因中的哺乳动物基因中的5-CG-3序列中序列中C5的甲基化称为的甲基化称为CpG 甲基化。甲基化。5-CG-3序列是使处于表达状态的基因位点处的染色序列是使处于表达状态的基因位点处的染色体保持适当包装水平的重要化学修饰序列。当基因序列中的体保持适当包装水平的重要化学修饰序列。当基因序列中的CpG 密度达到密度达到10/100bp时称为时称为CpG 岛岛。图：持家基因的CpG岛及其启动子17学校教课DNA甲基化与转录抑制甲基化与转录抑制p甲基化甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的程度高，对基因转录抑制的调控能力越强。调控能力越强。p去甲基化去甲基化(undermethylated)：基因转录激活：基因转录激活18学校教课n雌性胎生哺乳动物细胞中两条雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体染色体之一在发育早期随机失活（异染色质之一在发育早期随机失活（异染色质化）；化）；n异染色质中的异染色质中的CpG被高度甲基化，基被高度甲基化，基因不转录。因不转录。pDNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活19学校教课甲基化以两种方式调控基因的表达甲基化以两种方式调控基因的表达（1）甲基化增强或减弱）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白与调节蛋白之间的相互作用；之间的相互作用；（2）甲基化改变）甲基化改变DNA的正常构型。的正常构型。20学校教课三三 真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element）反式作用因子反式作用因子(trans-acting Factor)21学校教课顺式作用元件顺式作用元件是指具有调节功能的特定是指具有调节功能的特定DNA序列或影响序列或影响自身基因自身基因表达活性的表达活性的DNA序列，在基因的同一条序列，在基因的同一条DNA分分子上；子上；顺式作用元件类型：顺式作用元件类型：（1）启动子）启动子(promoter):3种类型；种类型；（2）增强子）增强子(enhancer)：（3）沉默子）沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用。：负性调节元件，起阻遏作用。（4）绝缘子）绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因在真核基因及其调控区的一段及其调控区的一段DNA序列序列。顺式作用元件顺式作用元件22学校教课顺式作用元件顺式作用元件启动子启动子 真核生物的启动子分为3类，分别被三类RNA聚合酶所识别 I 类启动子 II 类启动子 III类启动子23学校教课hnRNA是mRNA的前体，snRNA参与hnRNA到mRNA的过程24学校教课顺式作用元件顺式作用元件起始密码起始密码(Inr)下游启动元件下游启动元件(DPE)TFIIB 识别元件识别元件(BRE)II类启动子类启动子25学校教课顺式作用元件顺式作用元件 I类启动子：不同物种之间，I类启动子的序列不保守，但其基本结构是很保守的。I类启动子包括两个部分：围绕转录起始为点的核心元件和-100bp处的上游调控元件26学校教课顺式作用元件顺式作用元件 III类启动子位于基因的内部27学校教课增强子增强子Enhancer 在远离转录起始点（上游或下游）的一段可增强启动子活性的调控元件，大小为100-200bp。最初在DNA病毒SV40的基因组中发现。特性：（1）加强相连基因从正确起始位点的转录活性（2）增强子无论是在下游或在上游均可激活转录（3）无论是在下游或在上游，可在远离起始位点1Kb以上发挥作用（4）两个启动子串联在一起时，增强子优先激活距离最近的那一个顺式作用元件顺式作用元件28学校教课增强子增强子核心序列核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)顺式作用元件顺式作用元件29学校教课增强子增强子的作用机理：的作用机理：（1）为转录因子提供进入启动子区的位点（2）改变染色体的构像沉默子沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用。：负性调节元件，起阻遏作用。绝缘子绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因及其调控区的一段DNA序列。功能是阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性限定于结构域之内。顺式作用元件顺式作用元件30学校教课反式作用因子反式作用因子反式作用因子：反式作用因子：能够识别能够识别DNA上的顺式作用元件并与之上的顺式作用元件并与之结合的结合的蛋白质因子或复合物蛋白质因子或复合物。通用或基本转录因子通用或基本转录因子RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。如：组蛋白因子。如：TFA、TFB、TFD、TFE等。等。特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)个别基个别基因转录所必需的转录因子因转录所必需的转录因子.如：如：OCT-2：在淋巴细胞中特异：在淋巴细胞中特异性表达，识别性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。基因的启动子和增强子。31学校教课转录水平的调控转录水平的调控基因转录的调控需要基因转录的调控需要 顺反因子、蛋白质之间的相互作用顺反因子、蛋白质之间的相互作用32学校教课顺式作用元件与反式作顺式作用元件与反式作用因子的相互作用用因子的相互作用1 调控蛋白以多聚体调控蛋白以多聚体（2,4）结合）结合转录水平的调控转录水平的调控33学校教课基因转录的调控基因转录的调控顺式元件与反式作用因子的顺式元件与反式作用因子的相互作用相互作用2 cis-factor 互作互作 Looping hypothesis：位于位于2个不同的个不同的 DNA结合位结合位点上的点上的2个蛋白质，可以通过个蛋白质，可以通过2个结合位点之间的个结合位点之间的DNA形成形成loop得以相互作用，影响基得以相互作用，影响基因转录因转录34学校教课顺式作用元件和反式作顺式作用元件和反式作用元件之间的相互作用用元件之间的相互作用35学校教课四四 真核基因转录后水平的调控真核基因转录后水平的调控 RNA 剪接36学校教课人Ig基因结构注：（1）L：先导序列基因片段V：可变区基因片段D：多样性区基因片段J：连接区基因片段C：恒定区基因片*：假基因（2）内含子区域所标数字表示DNA长度（kb)（3）每个CH基因用一个方框表示，实际上包括几个外显子四四 真核基因转录后水平的调控真核基因转录后水平的调控 37学校教课7-methylguanosine(m7G)38学校教课5端帽子至少有以下四项功能端帽子至少有以下四项功能 (1)防止防止 mRNA 降解降解;(2)加强加强 mRNAs 翻译的能力翻译的能力;(3)与与mRNA 运输到核外有关运输到核外有关;(4)与与pre-mRNA的正确剪接有关的正确剪接有关.四四 真核基因转录后水平的调控真核基因转录后水平的调控 39学校教课40学校教课五五 翻译水平的调控翻译水平的调控5 5端端UTR(UTR(非翻译区）结构与翻译起始的调节非翻译区）结构与翻译起始的调节 5帽子结构的甲基化：1）保护mRNA免遭5外切酶的降解。2）为mRNA的从核中输出提供转运信号。3）提高翻译模板的稳定性和翻译效率。翻译起始因子的调控：翻译起始因子的调控：eIF-2-4F的磷酸化能提高翻译速度的磷酸化能提高翻译速度eIF-2的磷酸化能抑制翻译起始的磷酸化能抑制翻译起始41学校教课3UTR（非翻译区）结构与（非翻译区）结构与mRNA稳定性稳定性多聚腺苷酸尾的调节作用多聚腺苷酸尾的调节作用poly A尾巴的功能：尾巴的功能：1）稳定）稳定mRNA分子，抵抗分子，抵抗3-端外切酶攻击的作用。端外切酶攻击的作用。2）有助于细胞质中成熟）有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。的翻译。3）3 UTR区域具有保护区域具有保护5端帽子结构的作用。端帽子结构的作用。42学校教课3UTR序列及结构对序列及结构对mRNA稳定性的调节稳定性的调节球蛋白mRNA的3UTR序列含有许多CCUCC重复蛋白序列，这些序列发生突变将降低mRNA的稳定性。某些不稳定的mRNA起3UTR含有50nt的共有序列AUUUA，称为ARE。ARE结合蛋白可以聚集外切多聚腺苷酸酶和内切酶，加速mRNA的降解。43学校教课 新生肽链的水解：酶解新生肽链的水解：酶解肽链肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）与去稳定氨基酸）与去稳定氨基酸 肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、酰基化酰基化 通过信号肽通过信号肽(signal peptide)分拣、运输、定位分拣、运输、定位六六 翻译后水平的调控翻译后水平的调控44学校教课在真核生物中在真核生物中，真核生物通常用改变基因的转录水，真核生物通常用改变基因的转录水平和平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量，的加工来控制特定的蛋白质的合成量，但也有一些调控发生在细胞质中，如：但也有一些调控发生在细胞质中，如：（1）蛋白质结合掩盖了）蛋白质结合掩盖了mRNA，阻碍了翻译，阻碍了翻译（2）mRNA的的3非编码区存在非编码区存在5 AUUUA3的重复序的重复序 列，使得列，使得mRNA不稳定，降低翻译效率。不稳定，降低翻译效率。45学校教课真核生物中基因表达的调控46学校教课