【正文】 基因的表達(dá)與調(diào)控（下） —— 真核基因表達(dá)調(diào)控的一般規(guī)律 張建勇 山東理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 《 分子生物學(xué) 》 真核基因表達(dá)調(diào)控 ? 特征 ：在特定的時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)程，使生物的組織和器官保持正常功能。 ? 什么是調(diào)控基因表達(dá)的信號(hào)？ ? 基因的調(diào)控主要是在哪一步？（轉(zhuǎn)錄、 mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成） ? 不同水平基因調(diào)控的分子機(jī)制是什么？ ? 核小體： ，基因表達(dá)減少。 變核小體，讓 DNA結(jié)合蛋白與 DNA的結(jié)合易于進(jìn)行。 ? 重復(fù)序列和內(nèi)含子。 ? DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)象的變化，調(diào)節(jié)序列的增多。 ? 轉(zhuǎn)錄和翻譯的間隔， RNA的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)， RNA的剪接和加工。 影響真核基因表達(dá)調(diào)控的因素 真核基因表達(dá)的調(diào)節(jié)特點(diǎn) ? （ 1） 多層次 ? （ 2） 無(wú)操縱子和衰減子 ? （ 3） 個(gè)體發(fā)育復(fù)雜 ? （ 4） 受環(huán)境影響較小 染色體 ↓ 基因結(jié)構(gòu)的激活 ↓ 轉(zhuǎn)錄起始 ↓ 轉(zhuǎn)錄物加工 ↓ 向胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) ↓ mRNA 的翻譯（產(chǎn)物加工） 分兩大類 ： ? 相當(dāng)于原核生物對(duì)環(huán)境的變化作出的反應(yīng)，象某種底物或激素水平升降時(shí)，或細(xì)胞周期不同階段酶活性的調(diào)節(jié)。 ： 調(diào)控發(fā)生的主要水平： ? 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 ? 轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控： RNA加工成熟過(guò)程的調(diào)控 翻譯水平的調(diào)控 蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控 一、真核生物的基因結(jié)構(gòu)與表達(dá)活性 ? 單順?lè)醋? ? 結(jié)合組蛋白和非組蛋白 ? 重復(fù)序列和內(nèi)含子 ? DNA片段重排和增加基因拷貝數(shù) ? 基因調(diào)節(jié)區(qū)的位置和大小 ? 空間間隔 ? 有剪接成熟的過(guò)程 基因家族 ? 真核細(xì)胞中許多相關(guān)的基因常按功能成套組合，被稱為 基因家族 （ gene family） ? 家族成員可以成簇存在，或者分散在不同的染色體中 (或兩者都有 )。 ? 基因簇 (Gene cluster) 少則可以是由重復(fù)產(chǎn)生的兩個(gè)相鄰相關(guān)基因所組成，多則可以是幾百個(gè)相同基因串聯(lián)排列而成。 基因簇通過(guò)重復(fù)和變異形成 ? 多數(shù)重復(fù)都在基因第一個(gè)拷貝附近產(chǎn)生第二個(gè)拷貝。有時(shí)這些拷貝保持聯(lián)系，進(jìn)一步重復(fù)可以產(chǎn)生相關(guān)基因的一個(gè)基因簇。 ? 突變可以在一個(gè)拷貝中積累而不會(huì)使自然選擇向不利的方向進(jìn)行。然后這個(gè)突變的拷貝可以進(jìn)化形成一種新功能，也許和第一個(gè)拷貝在不同時(shí)期或地點(diǎn)表達(dá)，也許獲得不同的活性。 （ 1）簡(jiǎn)單多基因家族 ? 串連方式前后相連。 ，每個(gè)拷貝中 tRNA基因的種類、數(shù)量和部位發(fā)生變化。 原核生物 真核生物 ? 前體為 45S ? 100處被甲基化（ 2OH） ? 需要 snoRNAs的參與 (核仁小 RNA，研究熱點(diǎn)，由內(nèi)含子編碼。反義 snoRNA指導(dǎo) rRNA核糖甲基化。 ) snRNA ? snRNA(核小 RNA)：指任何一個(gè)限制在核內(nèi)的小分子 RNA，一些 snRNA在涉及剪接過(guò)程，另一些涉及RNA 合成反應(yīng)。 ? 核內(nèi) RNA （ U1， U2， U4， U5， U6 ） 與核蛋白組成 snRNPs ? 剪接裝置中的 snRNPs和大量的附加蛋白，常稱為剪接因子 非編碼 RNA: noncoding RNA(ncRNA) 能被轉(zhuǎn)錄但不編碼蛋白質(zhì)且具有特定功能的 RNA分子。 DNA序列中專門(mén)轉(zhuǎn)錄成非編碼 RNA的部分稱為 RNA基因 或 非編碼RNA基因 。 ncRNA tRNA、 rRNA siRNAs、 microRNAs、 piRNAs 小分子 ncRNA 大分子 ncRNA： Xist、 Evf、 Air、 CTN、 PINK lincRNAs （大型插入性非編碼 RNA） snoRNA、 snRNA、 scRNA、 gRNA、 pRNA、 tmRNA、 RNase P RNA、 Signal recognition particle RNA （ guide RNA） （ small cytoplasmic RNA） （ small nuclear RNA） （ transfermessenger RNA） （ small nucleolar RNA） （ packaging RNA） （核酶） （ 2）復(fù)雜多基因家族 ? 復(fù)雜多基因家族一般由幾個(gè)相關(guān)基因家族構(gòu)成，基因家族之間由間隔序列隔開(kāi)，作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位。 （ 3）發(fā)育調(diào)控的多基因家族 ? 血紅蛋白基因基本結(jié)構(gòu) ? 但在生物個(gè)體發(fā)育的不同階段，卻出現(xiàn)不同形式的 α和 β亞基。 ? 哺乳動(dòng)物血紅蛋白類 α珠蛋白基因家族、類 β珠蛋白基因家族都是由功能基因和假基因 形成的一個(gè)基因簇。 ? α： 16chr ? β： 11chr ? 人類中， δ和 α是兩條 α類似鏈， ε、 γ、 δ和 β是 β類似鏈。這些鏈在不同的發(fā)育階段表達(dá)。 ? 在基因家族中，基因的排列順序是它們?cè)诎l(fā)育階段的表達(dá)順序。 ? 無(wú)功能基因是指沒(méi)有編碼蛋白質(zhì)能力的基因，沒(méi)有活性的原因很多，可能是由于在轉(zhuǎn)錄或翻譯 (或兩種中都有 )過(guò)程中有缺失。它們被稱為 假基因(Pseudogenes)，用符號(hào) ψ表示。 ? 在脊椎動(dòng)物 β珠蛋白的基因簇中普遍存在基因和假基因，小鼠的基因簇有 7 個(gè)基因： 2個(gè)早期胚胎表達(dá)基因； 1個(gè)晚期胚胎表達(dá)基因， 2 個(gè)成體表達(dá)基因，剩下 2 個(gè)為假基因。雞和兔的 β珠蛋白基因簇有 4 個(gè)成員。 當(dāng)前的珠蛋白基因簇是從一個(gè)原祖珠蛋白基因進(jìn)化而來(lái)的 ? 植物的豆血紅蛋白(Leghemoglobin)基因可代表此基因的原始結(jié)構(gòu) ? 一些“原始”魚(yú)類僅有珠蛋白鏈 ? 非洲爪蟾 (X. laevis) 珠蛋白基因的結(jié)構(gòu)是一個(gè)連鎖的 α β對(duì)的內(nèi)部重復(fù) ? α 和 β珠蛋白基因的分開(kāi)一定是由于哺乳動(dòng)物 /鳥(niǎo)類祖先的基因發(fā)生轉(zhuǎn)座的結(jié)果 ? 我們可以把一個(gè)編碼區(qū)的核苷酸序列分為潛在的置換位點(diǎn) (Replacement sites) 和沉默位點(diǎn) (Silent sites)。 ? 置換位點(diǎn)上的突變應(yīng)該引起相應(yīng)氨基酸的趨異 基因的趨異 兩個(gè)核酸或蛋白質(zhì)之間的差異可以用 趨異度 (Divergence) 表示，即差異的位點(diǎn)的百分比。 人 β 珠蛋白基因置換位點(diǎn)的多樣性使我們能夠再現(xiàn)其進(jìn)化歷史，圖中樹(shù)狀進(jìn)化圖解釋了一系列珠蛋白基因逐漸分離過(guò)程。 Sequence divergence is the basis for the evolutionary clock 假基因 ? 假基因：它們具有與功能基因非常類似的序列，但這些序列不能翻譯成有功能的蛋白質(zhì)。 ? 假基因與功能基因一樣的結(jié)構(gòu)：有相當(dāng)于外顯子和內(nèi)含子的序列。 ? 基因表達(dá)過(guò)程中的突變，會(huì)使這些基因失去活性。 ? 突變幾種形式 ：如消除起始轉(zhuǎn)錄的信號(hào)，阻止在外顯子 內(nèi)含子的連接點(diǎn)進(jìn)行剪接或過(guò)早的終止翻譯。 假基因是進(jìn)化的死角 ? 許多系統(tǒng)中 (包括珠蛋白、免疫球蛋白和組織相容性抗原 )有些假基因只當(dāng)作活性基因的失活形式。在這些系統(tǒng)中，假基因位于基因簇附近，往往中間還夾雜著活性基因 突變成為新的功能基因或成為失去功能的假基因等過(guò)程，在基因簇中不斷地進(jìn)行 。 ? 大多數(shù)基因家族都有一些 假基因 。通常假基因在總基因數(shù)目中 只占一 小部分 。 ? 我們所看到的那些基因都是在目前種群中幸存下來(lái)的基因，其他一些假基因在過(guò)去可能早已被清除。 ? 假基因的清除可以通過(guò)突然發(fā)生的 序列缺失 ，或通過(guò)某個(gè)位點(diǎn)上 累積突變 ，只是假基因不再被認(rèn)作原有序列家族的一員而發(fā)生的 (這可能是一切不被清除掉的假基因的最終歸宿 )。 真核基因的斷裂結(jié)構(gòu) ? 在各級(jí)生物中都存在斷裂基因(Interrupted genes)。在低等真核生物的基因中斷裂基因僅占很小的一部分，但是在高等真核生物基因組中絕大部分都是斷裂基因。 ? 剪接需要在內(nèi)含子與外顯子結(jié)合處產(chǎn)生斷裂，然后將外顯子末端相連。從圖中的放大演示可以看到 RNA加工的基本流程。 外顯子 ? DNA序列中外顯子部分可能還不到 10％ ? 少數(shù)基因如組蛋白及 α型、 β型干擾素基因，根本沒(méi)有內(nèi)含子。 ? 不清楚內(nèi)含子的功能。 ? 斷裂基因的結(jié)構(gòu)形式為編碼區(qū)域提供了進(jìn)行重組的潛在位點(diǎn)，有利于基因的進(jìn)化。 邊界順序 ? 連接區(qū)的保守序列幾乎存在于所有高等生物基因中，表明可能存在共同的剪接加工機(jī)制。 ? 線粒體和酵母 tRNA基因中不存在類似保守序列，還有其它加工剪接過(guò)程。 外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控 ? 組成型剪接：一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過(guò)組成型剪接只能產(chǎn)生一種成熟的 mRNA分子，編碼一個(gè)多肽。 ? 選擇性剪接： hnRNA通過(guò)不同的剪接方式，產(chǎn)生不同的 mRNA，并翻譯成不同的蛋白。 ? 選擇性剪接 二、真核生物基因表達(dá)多層次的調(diào)控 ? 染色體水平的調(diào)控 ? 染色體丟失等 ? 染色質(zhì)水平調(diào)控 ? 異染色質(zhì)化 ? 組蛋白的影響 ? DNA水平的調(diào)控 ? DNA的甲基化與去甲基化 ? 基因的擴(kuò)增 ? 基因的重排 ? 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 ? 轉(zhuǎn)錄起始和加工的調(diào)節(jié) ? 翻譯的調(diào)控 ? 細(xì)胞周期的調(diào)控 （一）染色質(zhì)水平調(diào)控 ? 染色質(zhì)的丟失：不可逆 ? 異染色質(zhì)化 ? 組蛋白的影響 異染色質(zhì)化 ? 異染色質(zhì) (Heterochromatin)是用以描述染色體區(qū)域的術(shù)語(yǔ)，這類區(qū)域永久性的卷曲并呈惰性，致密。與代表大多數(shù)基因組的常染色質(zhì)不同。 ? 異染色質(zhì)經(jīng)常位于著絲粒和端粒上。 ? 哺乳動(dòng)物細(xì)胞中 50%的基因組是以異染色質(zhì)形式存在 ? 異染色質(zhì)中也有少量基因，活性基因轉(zhuǎn)移到異染色質(zhì)區(qū)，該基因通常會(huì)被關(guān)閉。 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響 ? 遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與其活性是相對(duì)應(yīng)的。 在 S 期晚期被復(fù)制；異染色質(zhì)不被轉(zhuǎn)錄。這表明遺傳物質(zhì)的壓縮狀態(tài)是與其失活相關(guān)聯(lián)的。 ? 活性基因包含在常染色質(zhì)內(nèi) ，所以定位在常染色質(zhì)上是基因表達(dá)的必要而非充分條件。 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響 ? 常染色質(zhì)解旋，形成自由 DNA，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū) DNA結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。 ? 用 DNA酶 I處理各種組織的染色質(zhì)時(shí)，處于活躍狀態(tài)的基因比非活躍狀態(tài)的 DNA更容易被酶所降解。 ? 含有一個(gè)或幾個(gè) DNA酶 I超敏感位點(diǎn)，大多位于基因5端啟動(dòng)區(qū)。 （ 1）燈刷染色體的伸展?fàn)顟B(tài) ? 燈刷染色體在特別長(zhǎng)的減數(shù)分裂期內(nèi)形成，可能會(huì)存在幾個(gè)月！此期間，染色體在光鏡下可看到染色體呈現(xiàn)向外伸出的燈刷伸展?fàn)顟B(tài)存