第八章-真核生物基因表达的调控-分子生物学ppt课件

1第八章第八章真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控1第八章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真核基因表达调控的最显著特征是能在特特定时间定时间和和特定的细胞特定的细胞中激活中激活特定的基因特定的基因，从而实，从而实现现“预定预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育的、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。范围内保持正常功能。2真核基因表达调控的最显著特征是能在特3真核生物基因调控，根据其性质可分为两真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：大类：第一类是第一类是瞬时调控瞬时调控或称或称可逆性调控可逆性调控，它相当于，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。度的调节。第二类是第二类是发育调控发育调控或称或称不可逆调控不可逆调控，是真核基因，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。育的全部进程。3真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：4DNA水平调控（水平调控（DNAregulation）;转录水平调控（转录水平调控（transcriptionalregulation）；）；转录后水平调控（转录后水平调控（posttranscriptionalregulation）；）；翻译水平调控（翻译水平调控（translationalregulation）；）；蛋白质加工水平的调控（蛋白质加工水平的调控（regulationofproteinmaturation）等。）等。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：4DNA水平调控（DNAregulation）;5v真核基因组的复杂性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，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，核外还有遗传成分膜内，核外还有遗传成分(如线粒体如线粒体DNA等等)；二倍体；二倍体；单顺反子；单顺反子；真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形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。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；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。增加了基因表达调控的层次和复杂性。5真核基因组的复杂性6原核生物真核生物操纵子调控。多样化调控，更为复杂。基因组小，大肠杆菌：总长4.6106bp,编码4288个基因,每个基因约1100bp。基因组大，人类基因组全长3109 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，操纵子控制。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，操纵子调控表达。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v真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多6原核生物真核生物操纵子调控。多样化调控，更为复杂。7多级调控多级调控DNA水平水平基因丢失基因丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排甲基化修饰甲基化修饰染色质的结构状态染色质的结构状态RNA水平水平转录转录水平调控水平调控RNARNA的转录后加工的转录后加工mRNAmRNA向胞浆转运向胞浆转运mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质蛋白质水水平平翻译过程翻译过程翻译后加工翻译后加工蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性 一、真核生物调控的特点一、真核生物调控的特点7多级调控DNA水平基因丢失RNA水平转录水平调控蛋白质翻889基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主转录与翻译在不同的区域进行转录与翻译在不同的区域进行转录与翻译在不同的区域进行转录与翻译在不同的区域进行无操纵子和衰减子无操纵子和衰减子个体发育复杂个体发育复杂受环境影响较小受环境影响较小9基因表达以正调控为主101、基因家族（、基因家族（gene family）A 定义：定义：真核基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一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组基因。可能由某一共同祖先基因(ancestralgene)经重经重复复(duplication)和突变产生。和突变产生。B 特点：特点：家族成员可以分布于不同染色体上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，形成可集中于一条染色体上，串联排列在一起，形成基基因簇因簇(genecluster)有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因假基因(Pseudogene)一）一）DNA水平上的调控水平上的调控101、基因家族（genefamily）A定义111 1）简单基因家族）简单基因家族 特点：特点：家族成员串联排列在一起家族成员串联排列在一起 组成一个转录单位组成一个转录单位 代表代表:rRNA基因家族基因家族(重复单元重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)111）简单基因家族特点：1212132 2）复杂基因家族）复杂基因家族 特点：特点：相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，独立的转录单位独立的转录单位 代表代表:组蛋白基因家族组蛋白基因家族间隔区间隔区132）复杂基因家族特点：间隔区143 3）发育相关复杂基因家族）发育相关复杂基因家族特点：特点：分布在不同的染色体上分布在不同的染色体上 独立的转录单位独立的转录单位 基因顺序与表达顺序相关基因顺序与表达顺序相关代表代表:珠蛋白基因家族珠蛋白基因家族143）发育相关复杂基因家族特点：15151616174）假基因）假基因(Pseudogene)核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因。一般都不被转录合成出功能蛋白质的失活基因。一般都不被转录,且没有明确且没有明确生理意义生理意义,可能是产生一种功能性非编码可能是产生一种功能性非编码RNA,调节来自其等调节来自其等位编码基因的位编码基因的mRNA的稳定性的稳定性 根据其来源可分为根据其来源可分为复制假基因复制假基因 已加工假基因已加工假基因 完全缺失存在于功能基因中的间隔序列完全缺失存在于功能基因中的间隔序列无无5端调控序列端调控序列3末端紧接着有多聚腺嘌呤尾末端紧接着有多聚腺嘌呤尾两端常被两端常被721bp的正向重复序列包围的正向重复序列包围174）假基因(Pseudogene)核苷酸序列同其相应的181819果果蝇蝇的的sexlethal基基因因转转移移到到小小鼠鼠体体内内，大大多多数数小小鼠鼠表表现现正正常常，但但有有一一个个品品系系的的小小鼠鼠在在幼幼年年期期全全部部死死亡亡。研研究究发发现现，sexlethal基基因因插插入入到到makorin1p1假假基基因因中中部部，破破坏坏了了该该假假基基因因的的转转录录。如如果将假基因果将假基因makorin1p1敲除，敲除，makorin1基因将被关闭。基因将被关闭。导致多种畸形，包括多囊肾和骨变形。这种老鼠无法正常产生导致多种畸形，包括多囊肾和骨变形。这种老鼠无法正常产生Makorin-1（这是一种在分裂的细胞中与（这是一种在分裂的细胞中与beta-catenin存在于同一位存在于同一位置的蛋白），不是因为置的蛋白），不是因为makorin-1基因的某个缺陷，而是因为它所基因的某个缺陷，而是因为它所产生的产生的mRNA在一个相关假基因中的一个突变的影响下失去了稳定在一个相关假基因中的一个突变的影响下失去了稳定性。性。19果蝇的sexlethal基因转移到小鼠体内202、DNA水平调控水平调控 1）染色质结构对基因表达的影响）染色质结构对基因表达的影响A常染色质常染色质(euchromatin):压缩程度低，伸展状态，压缩程度低，伸展状态，着色浅着色浅常染色质是进行活跃转录的部位。常染色质是进行活跃转录的部位。异染色质异染色质(heterochromatin)：压缩程度高，聚缩状态，着：压缩程度高，聚缩状态，着色深色深结构异染色质结构异染色质(constitutiveheterochromatin)兼性异染色质兼性异染色质(facultativeheterochromatin)没有基因转录表达。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。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。202、DNA水平调控1）染色质结构对基因表达的影响2121222223DNase的敏感性和基因表达的敏感性和基因表达含含有有转转录录活活性性基基因因的的染染色色质质区区域域对对DNase降降解解的的敏敏感感性性要要比比无无转转录录活活性性区区域域高高得得多多(超超敏敏感感位位点点)。这这是是由由于于此此区区域域染染色色质质的的DNA蛋蛋白白质质结结构构变变得得松松散散，DNase易易于接触到于接触到DNA之故。之故。常染色质（活性染色质）结构上的特点：常染色质（活性染色质）结构上的特点：具有具有DNaseI超敏感位点超敏感位点具有具有基因座控制区基因座控制区具有具有核基质结合区（核基质结合区（MAR序列）序列）23DNase的敏感性和基因表达常染色质（活性染色质）结构242425鸡胚红细胞鸡胚红细胞珠珠 蛋蛋 白白 基因基因 +-+-卵清蛋白基卵清蛋白基 因因 -+-+鸡输卵管细胞鸡输卵管细胞超超敏敏感感区区域域（hypersensitive region）或或超超敏敏感感位位点点（hypersensitive site):一一般般在在转转录录起起始始点点附附近近，即即5端端启启动动子子区区域域，少少部部分分位位于于其它部位如转录单元的下游其它部位如转录单元的下游。反映出染色体反映出染色体DNA的有效性。的有效性。鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统25鸡胚红细胞珠蛋白基因+26核基质结合区（核基质结合区（matrixattachmentregion，MAR）MAR一般位于一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平，可增加基因表达水平10倍倍以上，说明以上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。的基因调控元件。26核基质结合区（matrixattachmentr272728B组蛋白的变化组蛋白的变化v富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低,H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加v组蛋白修饰组蛋白修饰vH3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露28B组蛋白的变化富含Lys组蛋白水平降低,H2A292930C端粒位置效应（端粒位置效应（telomerepositioneffect，TPE）端粒处核小体的堆积紧密，导致该处附近的基端粒处核小体的堆积紧密，导致该处附近的基因不表达；基因不表达；基因在染色体的位置不同，表达的效果因在染色体的位置不同，表达的效果也不同。也不同。30C端粒位置效应（telomerepositione3131322)DNA的甲基化与去甲基化的甲基化与去甲基化A甲基化甲基化DNA甲甲基基化化是是最最早早发发现现的的修修饰饰途途径径之之一一,可可能能存存在在于于所所有有高高等等生生物物中中，DNA甲甲基基化化能能关关闭闭某某些些基基因因的的活活性性，去去甲甲基基化化诱诱导导了了基基因因的的重新活化和表达重新活化和表达DNA甲甲基基化化的的主主要要形形式式：CpG、CpXpG、CCA/TGG和和GATC322)DNA的甲基化与去甲基化333334CGislands高高等等真真核核生生物物中中包包含含未未甲甲基基化化CpG双双核核甘甘酸酸序序列列通通常常成成串串出出现现在在随随时时准准备备好好转转录录或或转转译译的的脱脱氧氧核核糖核酸中，这段序列称为糖核酸中，这段序列称为CG岛岛。34CGislands353536甲基化酶甲基化酶日常型日常型（mainteance）从头合成型从头合成型（denovosynthesis）3637 在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度较很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度较低低.去甲基化又可使基因恢复活性。去甲基化又可使基因恢复活性。卵黄原蛋白卵黄原蛋白基因基因5调节区调节区雌激素结合位点雌激素结合位点37在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度卵黄原蛋白38BDNA甲基化抑制基因转录的机制甲基化抑制基因转录的机制甲基化抑制基因转录的直接机制甲基化抑制基因转录的直接机制38BDNA甲基化抑制基因转录的机制39甲基化抑制转录的间接机制甲基化抑制转录的间接机制v甲基化以后改变甲基化以后改变染色质的构象染色质的构象或者通过与甲基化或者通过与甲基化CpG结合结合的蛋白因子（的蛋白因子（MeCP1、MeCP2）间接影响转录因子与）间接影响转录因子与DNA结合。结合。v甲基化达到一定程度会发生从常规的甲基化达到一定程度会发生从常规的BDNA向向ZDNA的转变。的转变。39甲基化抑制转录的间接机制甲基化以后改变染色质的构象或404041甲基化提高了突变频率甲基化提高了突变频率 41甲基化提高了突变频率42CDNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活 X染染 色色 体体 失失 活活 中中 心心(X-chromosome inactivationcenter,Xic)：X染染色色体体上上存存在在一一个个与与X染染色色体体失失活活有有密密切切联系的核心部位，定位在联系的核心部位，定位在Xq13区。区。Xi-specifictranscript(Xist)基基因因：只只在在失失活活的的X染染色色体体上上表表达达，产产物物是是一一功功能能性性RNA，没没有有ORF却却含含有有大大量量的的终止密码子。终止密码子。XistRNA分分子子可可能能与与Xic位位点点相相互互作作用用，引引起起后后者者构构象象变变化化，易易于于结结合合各各种种蛋蛋白白因因子子，最最终终导导致致X染染色色体体失失活。活。42CDNA甲基化与X染色体失活4343444445遗传印迹遗传印迹(geneticimprinting)或亲本印迹或亲本印迹(parentalimprinting)：是指一对等位基因由于来源不同（父源是指一对等位基因由于来源不同（父源或母源）而有不同表现（表达或不表达活性），使个或母源）而有不同表现（表达或不表达活性），使个体出现不同性状的遗传现象。体出现不同性状的遗传现象。如源于父本的如源于父本的IGF-(胰岛素样生长因子胰岛素样生长因子)基因基因可表达，而源于母本的则不能表达。可表达，而源于母本的则不能表达。选择性甲基化选择性甲基化 45遗传印迹(geneticimprinting)或464647 在在生生殖殖细细胞胞形形成成或或胚胚胎胎发发育育过过程程中中DNA的的甲甲基基化修饰是引起父源和母源基因活性差异的关键。化修饰是引起父源和母源基因活性差异的关键。高高度度甲甲基基化化的的等等位位基基因因常常不不被被表表达达或或表表达达活活性性减减低低，称称为为被被印印迹迹的的基基因因。如如果果在在卵卵子子形形成成过过程程中中被被印印迹迹，就就会会在在后后代代细细胞胞中中表表现现出出来来自自母母方方的的该该基基因因“沉沉默默”，称称为为母母源源印印迹迹；若若在在精精子子形形成成过过程程中中被被印印迹迹，则则来来自自父父方方的的该该基基因因表表现现“沉沉默默”,称称为为父父源印迹源印迹。47在生殖细胞形成或胚胎发育过程中DN48目前在人类和鼠身上已辨明了目前在人类和鼠身上已辨明了2020种印迹基因。种印迹基因。48目前在人类和鼠身上已辨明了20种印迹基因。49印记基因与疾病印记基因与疾病印记丢失（印记丢失（lossofimprinting）在许多遗传性疾病中存在遗传印迹的现象。如亨廷顿在许多遗传性疾病中存在遗传印迹的现象。如亨廷顿舞蹈病属于常染色体显性遗传病，若由父源传递，则子女舞蹈病属于常染色体显性遗传病，若由父源传递，则子女的发病年龄提前，临床症状加重，除舞蹈动作外，还出现的发病年龄提前，临床症状加重，除舞蹈动作外，还出现神经系统功能紊乱。神经系统功能紊乱。近年提出，近年提出，IGF2或或H19 的印迹丢失的印迹丢失(lossofimprinting,LOI),即被印迹的非活性等位基因重新激活，即被印迹的非活性等位基因重新激活，是是肿瘤肿瘤发生的一种新机制。发生的一种新机制。49印记基因与疾病印记丢失（lossofim50肿瘤发生肿瘤发生 抑癌基因甲基化抑癌基因甲基化 不表达不表达50肿瘤发生抑癌基因甲基化不表达513)染色体染色体(质质)丢失丢失(chromosomediminution)有的生物个体发育早期在体细胞中要丢失部分染有的生物个体发育早期在体细胞中要丢失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组。色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组。马蛔虫（马蛔虫（Parascarisequoorum）此可能是由于在此可能是由于在植物极中有特殊植物极中有特殊的物质的存在，的物质的存在，这种物质具有保这种物质具有保护染色体不受削护染色体不受削减的功能。减的功能。513)染色体(质)丢失(chromosomediminu525253小表瘿蚊（小表瘿蚊（Mayetiole destructor）受精卵的细）受精卵的细胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞体胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞体（syncytium）。当核第）。当核第3次分裂后，有两核移向卵次分裂后，有两核移向卵后端的一个特殊区域，叫做极细胞质，在极细胞质后端的一个特殊区域，叫做极细胞质，在极细胞质中的核保持了全套的染色体（中的核保持了全套的染色体（2n=40），将来分化），将来分化为生殖细胞。而在一般的细胞质中，染色丢失了为生殖细胞。而在一般的细胞质中，染色丢失了32条，只保留条，只保留8条，将来分化为体细胞。条，将来分化为体细胞。53小表瘿蚊（Mayetioledestr5454554)基因扩增基因扩增定义定义 细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加大量增加作用作用 满足特定阶段生命活动的需要满足特定阶段生命活动的需要554)基因扩增定义56组织中整个染色体组都进行扩增组织中整个染色体组都进行扩增：v 在哺乳动物肝细胞扩增为四倍体；在哺乳动物肝细胞扩增为四倍体；v在双翅目昆虫在双翅目昆虫如果蝇（如果蝇（D.melanogaster）的唾的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体多线染色体（polytennechromosomes）（含多于）（含多于1000条染色单体）。条染色单体）。56组织中整个染色体组都进行扩增：57果蝇的多线染色体果蝇的多线染色体polytennechromosomesGeorgeRudkm早早在在1960年年就指出：就指出：果蝇唾腺果蝇唾腺的多线染的多线染色体其常色体其常染色质染色质DNA可以可以特异扩增特异扩增上千倍上千倍，而在异染而在异染区附近只区附近只可复制几可复制几次。次。57果蝇的多线染色体polytennechromoso58发育中的编程扩增发育中的编程扩增A特定的基因簇的染色体外扩增特定的基因簇的染色体外扩增非洲爪蟾的非洲爪蟾的18S、5.8S和和28SrDNA的串联重复单位，的串联重复单位，它们成簇存在，形成它们成簇存在，形成核仁形成区核仁形成区。可是在卵母细胞中。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，使拷贝数扩大了的形式进行扩增，使拷贝数扩大了4000倍以上，到双倍以上，到双线期拷贝数达到线期拷贝数达到200万个万个,形成形成灯刷染色体灯刷染色体。满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。58发育中的编程扩增非洲爪蟾的18S、5.859 B特定的基因簇原位扩增特定的基因簇原位扩增：在黑腹果蝇的发育中，卵壳：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。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59B特定的基因簇原位扩增：在黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋606061C哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增某些试剂可使那些对其产生抗性的基因大量扩增。某些试剂可使那些对其产生抗性的基因大量扩增。氨甲蝶呤（氨甲蝶呤（methotrexate）是二氢叶酸还原酶）是二氢叶酸还原酶（DHFR）的竞争性抑制剂，可阻断叶酸盐的代谢。）的竞争性抑制剂，可阻断叶酸盐的代谢。突变体突变体dhfr基因可能扩增上千倍。在这种高抗性的细基因可能扩增上千倍。在这种高抗性的细胞染色体中，可以观察到扩增区域形成一延伸的染色体带胞染色体中，可以观察到扩增区域形成一延伸的染色体带称称均匀染色区均匀染色区（homogeneouslystainingregion,HSR）或形成小的点状染色体被称为或形成小的点状染色体被称为双微体双微体(doubleminutechromosomes)。61C哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增6262636364以染色体外的方式（双微体）存在。双微体可以复制；但它们没有着丝粒，结果它们不能附着在有丝分裂的纺锤丝上，因此不能均等分离进入子细胞。虽然它的名字叫双微体，实际上可看作为染色体外的微小染色体微小染色体。64以染色体外的方式（双微体）存在。双微体可以复制；但它们没655)5)基因重排基因重排定义定义 改变基因组中有关基因序列结构改变基因组中有关基因序列结构 (片断水片断水平的拼接平的拼接)，使相距很远的片断靠近，使相距很远的片断靠近作用作用 调控基因调控基因差别差别表达表达655)基因重排定义66 免疫球蛋白免疫球蛋白66免疫球蛋白67用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码区和用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码区和区的区的DNA顺序相隔较远。但在成熟的抗体细胞中顺序相隔较远。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（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细胞分化过程中，免疫球蛋白基因曾发生过体细胞重重组组。在任何动物中每家族的在任何动物中每家族的V基因和基因和C基因都隔开一段基因都隔开一段距离。距离。67用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码区和686869v多样性是由于：多样性是由于：V、D和和J-片段片段随机性重组随机性重组；重组过重组过程中程中不精确的连接不精确的连接；可变区的可变区的随机突变随机突变(体细胞超突体细胞超突变变)。v有很多基因编码有很多基因编码V区，而只有少数几个基因编码区，而只有少数几个基因编码C区。区。V基因编码可变区基因编码可变区，C基因编码稳定区，它们都作为一种基因编码稳定区，它们都作为一种独立表达的单位。独立表达的单位。69多样性是由于：V、D和J-片段随机性重组；重组过程中70v体细胞重组是发生在前前B淋巴细胞淋巴细胞中B细胞的分化过程细胞的分化过程分化时期分化时期分化途径及特点分化途径及特点组织组织抗原非依赖期抗原非依赖期或克隆扩或克隆扩增期增期干细胞干细胞前前B细胞细胞完成选择性重排，完成选择性重排，IgM产产生生未成熟未成熟B细胞细胞膜表面有膜表面有IgM成熟的成熟的B细胞细胞膜表面有膜表面有IgM,IgG,IgA等作为抗原受体等作为抗原受体骨髓骨髓抗原依赖期或抗原依赖期或克隆选择克隆选择期期浆细胞膜表面浆细胞膜表面Ig消失（受体功能消消失（受体功能消失）胞质内合成大量失）胞质内合成大量Ig，并分，并分泌泌外围淋巴外围淋巴细胞细胞70体细胞重组是发生在前B淋巴细胞中71当当B细胞发育时，一个特殊的细胞发育时，一个特殊的L-VK片段和其中一个片段和其中一个JK连接，再和连接，再和CK连接，然连接，然后转录，切除内含子，成为成熟的后转录，切除内含子，成为成熟的mRNA71当B细胞发育时，一个特殊的L-VK片段和其中72v在小鼠中约有在小鼠中约有1000个个L-VK 基因片段，基因片段，4个有功能的个有功能的JK片段和片段和1个个CK基因片段。这样就可能产生基因片段。这样就可能产生10004=4000个不同的个不同的链。链。v同样的机制也存在于小鼠同样的机制也存在于小鼠轻链的基因中。但轻链的基因中。但L-V基因基因片段只有片段只有2个，而有个，而有4个个C基因，每个基因，每个C基因都带有自基因都带有自己的己的J片段，这样产生的片段，这样产生的链的可变区产生要比链的可变区产生要比链少链少得多。得多。vVK和和JK基因的不同连接产生了基因的不同连接产生了链的链的多样化多样化。72在小鼠中约有1000个L-VK基因片段，4个有功能的737374轻链和重链的组装涉轻链和重链的组装涉及到相同的机制。及到相同的机制。每个每个B细胞只表达一细胞只表达一种类型的轻链和重链，因种类型的轻链和重链，因在特定的的淋巴细胞内各在特定的的淋巴细胞内各种类型的链只有单个的有种类型的链只有单个的有效重排，产生一个轻链基效重排，产生一个轻链基因和一个重链基因。因和一个重链基因。当两条染色体都发生当两条染色体都发生过重排时，通常其中只有过重排时，通常其中只有一条是一条是有效重排有效重排（productiverearrangement），可产），可产生有功能的基因；而另一生有功能的基因；而另一条是条是无效重排无效重排（nonproductiverearrangement）74轻链和重链的组装涉及到相同的机制。75酵母的变配型的转变酵母的变配型的转变酵母的交配型（酵母的交配型（mating-type）不不同同交交配配型型（mating-type）的的菌菌株株相相互互接接合合才才能能产产生生二二倍倍体体的的合合子子。相相同同的的交交配配型型之之间间是是不不能能接接合合的的。细细胞胞的的交交配配型型是是由由MAT（mating）座座的的遗遗传传信信息息决决定定的的。在在此此座座位位上上带带有有MATa等等位位基基因因的的细细胞胞就就叫叫做做a型型细细胞胞；同同样样带带有有MAT等等位位基基因因的细胞就称为的细胞就称为型型细胞。细胞。75酵母的变配型的转变767677交配型的转换交配型的转换某些品系的酵母具有转换（某些品系的酵母具有转换（switch）交配型的）交配型的能力，即从能力，即从a型变成为型变成为型，或从型，或从型转变为型转变为a型。这型。这些品系带有显性等位些品系带有显性等位基因基因HO，并频繁地改变它们，并频繁地改变它们的交配型（常常每代改变一次）。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转换的存在表明所有的细胞都含有MATa和和MAT型的潜在信息，型的潜在信息，MAT和和MATa同在一条染同在一条染色体上，色体上，MAT样基因样基因HML位于位于MAT的左边，的左边，MHR位于位于MAT的右边。的右边。77交配型的转换78暗箱模型（暗箱模型（cassettemodel）MAT是活性暗盒（是活性暗盒（activecassette），可以是），可以是型，型，也可以是也可以是a型。型。HML和和HMR是沉默暗盒（是沉默暗盒（silentcassettes），都不能表达，通常），都不能表达，通常HML带有带有暗盒，而暗盒，而HMR带有带有a暗盒，所有的暗盒都带有编码交配型的信暗盒，所有的暗盒都带有编码交配型的信息，但只有息，但只有MAT可以表达。当活性暗盒信息被沉默暗可以表达。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。新盒信息所取代时就发生了交配型转换。新“装进装进”活活性暗盒的信息就可以表达。性暗盒的信息就可以表达。78暗箱模型（cassettemodel）7979808081图18-11 MATMAT a 每种暗盒都有共同的序列，侧翼序列每种暗盒都有共同的序列，侧翼序列W，X和和Z夹着一个中心区夹着一个中心区Y。在。在a和和型型暗盒中仅暗盒中仅Y区域是不同的，分别称之为区域是不同的，分别称之为Ya和和Y。中心区的两侧区域本质上都是。中心区的两侧区域本质上都是相同的，仅相同的，仅HMRa缺少了缺少了W区区。81图18-11MATMATa 每种暗盒都82E沉默子和沉默子和I沉默子，或沉默子，或EL（near HML）和）和ER（near HMR）。具有）。具有2个特点：个特点：它们具有负的增强子的作它们具有负的增强子的作用，它们能对远隔用，它们能对远隔25Kb的启动子发挥作用，而且没的启动子发挥作用，而且没有方向性，所以它们被称为沉默子（有方向性，所以它们被称为沉默子（silencers）；）；它们和可能具有复制起点作用的它们和可能具有复制起点作用的ASR序列相联。序列相联。4个不连锁的沉默信息调节基因个不连锁的沉默信息调节基因SIR（silentinformationregulator）1、2、3和和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。，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。82E沉默子和I沉默子，或EL（nearHML）和ER（n83Y交界处周围的交界处周围的24bp的全部序列或大部分序列对于体外剪切是十分必要的。的全部序列或大部分序列对于体外剪切是十分必要的。沉默暗盒不转录的机制可能与它们不受沉默暗盒不转录的机制可能与它们不受HO作用有关。作用有关。83Y交界处周围的24bp的全部序列或大部分序列对于体外剪切84二）转录水平上的调控二）转录水平上的调控真核生物的调控也真核生物的调控也主要主要发生在转录水平发生在转录水平上，受大量特定的顺式作用元件（上，受大量特定的顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（）和反式作用因子（trans-actingfactor）的调控，大多数真核生物的转录调控）的调控，大多数真核生物的转录调控是通过是通过两者的相互作用两者的相互作用来实现的。来实现的。84二）转录水平上的调控真核生物的调85 （一）一）顺式作用元件顺式作用元件真核生物真核生物DNA序列（非编码序列）和被转录的序列（非编码序列）和被转录的结构基因距离较近，和转录调控有关。结构基因距离较近，和转录调控有关。A启动子启动子（启动子上游近侧序列）（启动子上游近侧序列）B增强子增强子C沉默子沉默子85（一）顺式作用元件868687A启动子（启动子（promoter）包括包括核心启动子和上游启动子核心启动子和上游启动子，在转录起始点，在转录起始点上游约上游约100200bp以内，每个元件长度约为以内，每个元件长度约为720bp，决定，决定RNA聚合酶聚合酶转录起始点和转录频率的转录起始点和转录频率的关键元件关键元件。87A启动子（promoter）88a核心启动子（核心启动子（corepromoter）保证保证RNA聚合酶聚合酶转录正常起始所必须，转录正常起始所必须，包括包括转录起始位点和转录起始位点和TATA盒盒。核心启动子单独起作用时，只能确定转核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。录起始位点并产生基础水平的转录。88a核心启动子（corepromoter）89b上游启动子元件（上游启动子元件（upstreampromoterelement，UPE）包括包括CAAT盒和盒和GC盒盒等，能通过等，能通过TFD符合物符合物调节转录起始的频率，提高调节转录起始的频率，提高转录效率转录效率。89b上游启动子元件（upstreampro909091B增强子增强子增强子增强子(enhancer)(enhancer)能使和它连锁的基因转录频率明显增加的能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，序列，顺式作用元件（顺式作用元件（顺式作用元件（顺式作用元件（DNADNA序列）。序列）。序列）。序列）。没有增强子没有增强子没有增强子没有增强子启动子不表现活性启动子不表现活性启动子不表现活性启动子不表现活性没有启动子没有启动子没有启动子没有启动子增强子无法发挥作用增强子无法发挥作用增强子无法发挥作用增强子无法发挥作用特点：特点：特点：特点：增强效应十分明显增强效应十分明显；不受序列方向和距离的；不受序列方向和距离的；不受序列方向和距离的；不受序列方向和距离的制约；有细胞和组织特异性；制约；有细胞和组织特异性；制约；有细胞和组织特异性；制约；有细胞和组织特异性；大多为重复序列大多为重复序列；无基因特异性；无基因特异性；无基因特异性；无基因特异性；许多增强子还受外部信号的调控。许多增强子还受外部信号的调控。91B增强子(enhancer)929293939494959596C沉默子沉默子沉默子沉默子(silencer)(silencer)负性调节元件，与相应的反式因子结合后，负性调节元件，与相应的反式因子结合后，负性调节元件，与相应的反式因子结合后，负性调节元件，与相应的反式因子结合后，可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。这类特定序列不受距离和方向的限制，但机这类特定序列不受距离和方向的限制，但机这类特定序列不受距离和方向的限制，但机这类特定序列不受距离和方向的限制，但机理目前尚不清楚。理目前尚不清楚。理目前尚不清楚。理目前尚不清楚。96C沉默子(silencer)97哺乳动物哺乳动物RNA聚合酶聚合酶启动子上游转录因子结合的序列元件启动子上游转录因子结合的序列元件组件组件保守顺序保守顺序DNA长度长度结合因子结合因子大小（大小（Da）丰度（丰度（/细胞）细胞）分布分布TATAboxTATAAAA10bpTBP27,000?普遍普遍CAATboxGGCCAATCT22bpCTF/NF160,000300,000普遍普遍GCboxGGGCGG20bpSP1165,00060,000普遍普遍OctamerATTTGCAT20bpOct-176,000?普遍普遍OctamerATTTGCAT23bpOct-252,000?淋巴细胞淋巴细胞BGGGACTTTCC10bpNFB44,000?淋巴细胞淋巴细胞BGGGACTTTCC10bpH2TH1?普遍普遍ATFGTGACGT20bpATF?普遍普遍97哺乳动物98（二）反式作用因子（二）反式作用因子能直接或间接识别或结合在各类顺式作用元能直接或间接识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。质。98（二）反式作用因子能直接或间接识别99真核生物的真核生物的RNA聚合酶不能识别聚合酶不能识别DNA上的上的结合位点，识别这些序列的是调节转录的反结合位点，识别这些序列的是调节转录的反式式作用因子作用因子，即转录因子。，即转录因子。但有些转录因子是识别并结合其它转录因但有些转录因子是识别并结合其它转录因子以形成转录装置的必需蛋白。子以形成转录装置的必需蛋白。99真核生物的RNA聚合酶不100100101101102按功能特性分按功能特性分基本转录因子基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种转录的类别。如：决定三种转录的类别。如：TFA、TFB、TFD、TFE等等特异转录因子特异转录因子(specialtranscriptionfactors)个别基因转录所必需，决定该基因的时间，空间特个别基因转录所必需，决定该基因的时间，空间特异性。如异性。如:OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基基因的启动子和增强子。因的启动子和增强子。A类型类型102按功能特性分A类型103和反应性元件（和反应性元件（responseelements）相结合的反式作用）相结合的反式作用因子因子反应性元件如热休克反应元件（反应性元件如热休克反应元件（heatshockresponseelement，HSE），糖皮质激素反应元件），糖皮质激素反应元件（glucocorticoidresponseelement，GRE），金属反应），金属反应元件（元件（metalresponseelement，MRE），肿瘤诱导剂反），肿瘤诱导剂反应元件（应元件（tumorgenicagentresponseelement，TRE），），血清反应元件（血清反应元件（serumresponseelement，SRE）。）。103和反应性元件（responseelements）104104105结合于反应元件的特殊转录因子结合于反应元件的特殊转录因子调节剂调节剂组件组件保守顺序保守顺序DNA长度长度因子因子大小（大小（kDa）热休克热休克HSECNNGAANNTCCNNG27bpHSTF93糖皮质激素糖皮质激素GRETGGTACAAATGTTCT20bp受体受体94弗波酯弗波酯TREGACTCA22bpAP139血清血清SRECCATATTAGG20bpSRF52105结合于反应元件的特殊转录因子调节剂组件保守顺序DNA长106B反式作用因子结构反式作用因子结构三个功能结构域三个功能结构域：DNA识别结合域识别结合域(DNA-bindingdomain)；转录活性域转录活性域(transcriptionalactivationdomain)；结合其他蛋白的结合域结合其他蛋白的结合域106B反式作用因子结构三个功能结构域：107v反式作用因子通过以下不同的途经发挥调控作用：反式作用因子通过以下不同的途经发挥调控作用：蛋白质和蛋白质和DNA相互作用；相互作用；蛋白质和配体结合；蛋白质和配体结合；蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的修饰蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的修饰正调控与负调控正调控与负调控107反式作用因子通过以下不同的途经发挥调控作用：108108109109110DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域110DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化111C反式作用因子反式作用因子DNA结合域结构模式结合域结构模式Helix-turn-helixHelix-turn-helix螺旋螺旋螺旋螺旋-转角转角转角转角-螺旋螺旋螺旋螺旋第一个被确立的第一个被确立的DNA-结结合结构合结构最常见最常见DNA结合域之一结合域之一常结合常结合CAAT盒盒例：例：例：例：Lac阻遏蛋白阻遏蛋白,Trp阻遏蛋白、分解代谢激活阻遏蛋白、分解代谢激活蛋白蛋白(CAP)等等111C反式作用因子DNA结合域结构模式112112113113114Zinc-fingersZinc-fingers锌指锌指锌指锌指最常见最常见最常见最常见DNADNA结合域之一结合域之一结合域之一结合域之一约有约有约有约有3030个个个个AAAA残基残基残基残基其中其中其中其中4 4个个个个AAAA残基残基残基残基（2 2个个个个CysCys，2 2个个个个HisHis或或或或4 4个个个个CysCys）配位键配位键配位键配位键Zn2+Zn2+锌锌锌锌 指指指指与与与与DNADNA双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。常结合常结合常结合常结合GCGC盒盒盒盒CysCysCysCysHisHisHisHis114Zinc-fingers锌指最常见DNA结合域之115115116116117117118不同蛋白质的锌指数不同，如两栖类不同蛋白质的锌指数不同，如两栖类5SrDNA转录转录因子因子TFA有有9个锌指。结构也有些差异。个锌指。结构也有些差异。118不同蛋白质的锌指数不同，如两栖类119123456789蛋白质蛋白质119123456789蛋白质120有两种类型的有两种类型的DNA结合蛋白：锌指蛋白和甾类受体具结合蛋白：锌指蛋白和甾类受体具有这种结构。根据锌结合位点的氨基酸分为有这种结构。根据锌结合位点的氨基酸分为型和型和型。型。120有两种类型的DNA结合蛋白：锌指蛋白和甾121 一段肽链中每隔一段肽链中每隔一段肽链中每隔一段肽链中每隔7 7个个个个AAAA即有一个即有一个即有一个即有一个LeuLeu螺旋螺旋螺旋螺旋亲水面：亲水亲水面：亲水亲水面：亲水亲水面：亲水AAAA组成组成组成组成疏水面：疏水面：疏水面：疏水面：LeuLeu组成组成组成组成（亮氨酸拉链条）（亮氨酸拉链条）（亮氨酸拉链条）（亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）可形成二聚体（发挥作用）可形成二聚体（发挥作用）可形成二聚体（发挥作用）（同二聚体（同二聚体（同二聚体（同二聚体/异二聚体）异二聚体）异二聚体）异二聚体）DNADNA的结合域：的结合域：的结合域：的结合域：拉链区以外结构拉链区以外结构拉链区以外结构拉链区以外结构Leucine-zippersLeucine-zippers亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链亮氨酸拉链121一段肽链中每隔7个AALeucine-zippe122122123123124124125helix-loop-helixhelix-loop-helix 螺旋螺旋螺旋螺旋-环环环环-螺旋螺旋螺旋螺旋两个两个两个两个-螺螺螺螺旋：由很长旋：由很长旋：由很长旋：由很长的连（环）的连（环）的连（环）的连（环）相连相连相连相连形成二聚体形成二聚体形成二聚体形成二聚体有利于其与有利于其与有利于其与有利于其与DNADNA结合结合结合结合二聚体二聚体125helix-loop-helix两个-螺二聚体126碱性螺旋环碱性螺旋环螺旋螺旋basic-helix/loop/helixbHLH只有形成只有形成二聚体时，才具二聚体时，才具有活性。当一方有活性。当一方不含有碱性区，不含有碱性区，失去与失去与DNA结合结合的能力的能力126碱性螺旋环螺旋127v分为两类：分为两类：A类类：广泛表达的蛋白。如哺乳动物的：广泛表达的蛋白。如哺乳动物的E12E47（和（和免疫球蛋白基因增强子结合）；免疫球蛋白基因增强子结合）；B类类：组织特异性表达的蛋白。如哺乳动物的：组织特异性表达的蛋白。如哺乳动物的MyoD（肌浆蛋白基因的转录因子），果蝇的（肌浆蛋白基因的转录因子），果蝇的ACS（无刚毛基（无刚毛基因的产物）。因的产物）。一种转录调控蛋白。一种转录调控蛋白。127分为两类：128128129同源异形结构域（同源异形结构域（Homeodomains，HD）是是一一种种编编码码60aa的的序序列列，长长180bp，它它存存在在于于很很多多控控制制果果蝇蝇早早期期发发育育基基因因中中，在在高高等等生生物中也发现了相关基序。物中也发现了相关基序。129同源异形结构域（Homeodomains，HD）130HD的的C-端端区区域域和和原原核核阻阻遏遏蛋蛋白白的的HTH同同源，但也有不同源，但也有不同:HD的的C端端由由3个个-螺螺旋旋构构成成，螺螺旋旋3结结合合于于大大沟沟，长长17aa；而而阻阻遏遏蛋蛋白白由由5个个-螺螺旋旋构构成成，螺螺旋旋3长长仅仅9个个aa；原原核核的的HTH的的以以二二聚聚体体形形式式与与DNA结结合合，靶靶序序列列是是回回文文结结构构，而而HD是是以以单单体体形形式式与与DNA结结合合，靶靶序序列列不是回文结构不是回文结构；HDN-端端的的臂臂位位于于小小沟沟，而而HTH螺螺旋旋1的的末末端端与与DNA的背面接触。的背面接触。130HD的C-端区域和原核阻遏蛋白的H131131132132133133134D转录活化结构域转录活化结构域一般由一般由20-100个氨基酸残基组成。如个氨基酸残基组成。如GAL4分子中有分子中有2个这种结构域，分别位于多个这种结构域，分别位于多肽链的第肽链的第147-196位和第位和第768-881位；位；GCN4的的转录激活结构域位于多肽链的第转录激活结构域位于多肽链的第106-125位。位。134D转录活化结构域一般由20-100135a.酸性酸性-螺旋螺旋(acidic-helix)该结构域含有由该结构域含有由酸性酸性氨基酸残基组成的保守序列，氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性多呈带负电荷的亲脂性-螺旋，包含这种结构域的转螺旋，包含这种结构域的转录因子有录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的的TFIID等因子结合生成等因子结合生成稳定的转录复合物稳定的转录复合物而促进转录。而促进转录。135a.酸性-螺旋(acidic-heli136136137b.谷氨酰胺丰富区谷氨酰胺丰富区(glutamine-richdomain)SP1的的N末端含有末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成个主要的转录激活区，氨基酸组成中有中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的的HAP1、HAP2和和GAL2及哺乳动物的及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和和SRF也含有这种结构域。也含有这种结构域。c.脯氨酸丰富区脯氨酸丰富区(proline-richdomain)CTF家族（包括家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的）的C末端与末端与其转录激活功能有关，含有其转录激活功能有关，含有20%-30%的的脯氨酸残基。脯氨酸残基。137b.谷氨酰胺丰富区(glutamine-r138138139真核基因转录调节是复杂的、多样的真核基因转录调节是复杂的、多样的*不不同同的的DNA元元件件组组合合可可产产生生多多种种类类型型的的转转录录调节方式；调节方式；*多多种种转转录录因因子子又又可可结结合合相相同同或或不不同同的的DNA元元件。件。*转转录录因因子子与与DNA元元件件结结合合后后，对对转转录录激激活活过过程程所所产产生生的的效效果果各各异异，有有正正性性调调节节或或负负性性调调节之分。节之分。139真核基因转录调节是复杂的、多样的*不同的DN1401401411411422、转录起始和加工的调节、转录起始和加工的调节（1）转录起始的调节转录起始的调节A转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成关键：关键：v转录因子转录因子(transcriptionfactor,TF)；v启动子与启动子与TF结合后，才能被结合后，才能被RNApol识别识别与结合；与结合；v-25-30区：区：TATA盒盒1422、转录起始和加工的调节（1）转录起始的调节143143144TBP:TATA-bindingproteinTAFs:TBPassociatedfactors144TBP:145B反式作用因子的活性调节反式作用因子的活性调节合成后即有活性：需要时合成，可迅速降合成后即有活性：需要时合成，可迅