第九章 真核生物基因表达调控

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第九章 真核生物的基因表达调控

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主要内容第一节 概述 第二节 DNA染色体水平的调控 染色体水平的调控 第三节 DNA水平上的调控 水平上的调控 第四节 转录水平上的调控

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第一节 概述

☆ 真核基因表达调控的特点 ☆ 真核细胞基因表达调控的不同层次

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☆ 真核基因表达调控的特点调控环节更多 调控环节更多 环节同原核一样,调控主要发生在转录水平 但无转录翻译偶连 同原核一样 调控主要发生在转录水平;但无转录翻译偶连 且 调控主要发生在转录水平 但无转录翻译偶连,且 转录翻译后有复杂的信息加工过程

转录与染色质的结构变化有关间期核染色质: 间期核染色质 组蛋白能非特异性的阻遏转录. 组蛋白能非特异性的阻遏转录 非组蛋白 短期调节(short- term regulation ): 转录活跃区DNaseⅠ高敏位点 转录活跃区 对环境条件的改变或者细胞的及组织的生理条 Ⅰ 件的改变作出反应，刺激因子是激素和生长因子。 件的改变作出反应，刺激因子是激素和生长因子。 DNA甲基化 甲基化 长期调节(long-term regulatiion): 以正性调控为主 是受到内在程序化的控制， 是受到内在程序化的控制，和外界环境的变化 真核启动子对RNA聚合酶亲和力低 需要多种激活蛋白的协 聚合酶亲和力低,需要多种激活蛋白的协 真核启动子对 关系不大。 聚合酶亲和力低 关系不大。 同作用.转录调控蛋白有激活 阻遏或二者兼有,但以激活为主 转录调控蛋白有激活,阻遏或二者兼有 同作用 转录调控蛋白有激活 阻遏或二者兼有 但以激活为主

具有时相调控适应环境的瞬时调空是可逆的,而发育控制调控是不可逆的 适应环境的瞬时调空是可逆的 而发育控制调控是不可逆的, 而发育控制调控是不可逆的 决定细胞生长,分化 分化,发育的全过程 决定细胞生长 分化 发育的全过程

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☆ 真核基因表达调控的环节DNA水平 基因数量, DNA水平:基因数量,结构 水平: 转录水平: 转录水平:顺式作用元件与反式作用因子 转录后水平:mRNA的加工成熟 转录后水平:mRNA的加工成熟 翻译水平:起始复合物及mRNA稳定性 翻译水平:起始复合物及mRNA稳定性 翻译后水平: 翻译后水平:蛋白质加工修饰

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原核生物操纵元调控

真核生物多样化调控， 多样化调控，更为复杂

基因组小，大肠杆菌： 基因组小，大肠杆菌：总长 基因组大，人类基因组全长3× 基因组大，人类基因组全长 ×109 bp, , 4.6×106bp, 编码 编码4288个基 × 个基 编码10万个基因 万个基因， 编码 万个基因，其余为重复序列 每个基因约1100bp 因, 每个基因约 基因分布在同一染色体上， 基因分布在同一染色体上， 操纵元控制 适应外界环境， 适应外界环境，操纵

元调控 表达 转录和翻译同时进行， 转录和翻译同时进行，大部 分为转录水平调控 DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的 与组蛋白结合成染色质， 与组蛋白结合成染色质 变化调控基因表达； 变化调控基因表达；基因分布在不同的 染色体上， 染色体上，存在不同染色体间基因的调 控问题 基因差别表达是细胞分化和功能的核心 转录和翻译在时间和空间上均不同， 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 到蛋白质的各层次上都有调控， 到蛋白质的各层次上都有调控 多数为转录水平调控

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☆ 染色质的结构 ☆ 异染色质化

第二节 DNA染色 染色 体水平的调控

☆活性染色质对DNase 的敏 活性染色质对 感性 ☆组蛋白对基因活性的影响 ☆ 非组蛋白 ☆ 核基质与基因活化 ☆ 基因的丢失 ☆ 基因的扩增 ☆ 染色体基因的重排

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☆染色质的结构： 染色质的结构：成分： DNA和蛋白质 形态： 细丝状

拓展 染色体与DNA的关系： 通常一条染色体上有 一个DNA分子

特点： 能被碱性染料染成深色 染色质与染色体 的关系：

同一物质在不同时期细胞中的两种形态 染色质 分裂间期) (分裂间期) 解开螺旋 变成细长丝状 染色体 分裂期) (分裂期) 高度螺旋化 缩短变粗

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间期(染色质)

中期(染色体)

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核仁 染色质 核液

核孔 粗面内质网

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☆ 异染色质化异染色质是包装成20-30nm,不具有转录活性的染色质。 ,不具有转录活性的染色质。 异染色质是包装成 组成性异染色质( 组成性异染色质(constitutire heterochromatin)是 ) 指在各种细胞中， 指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染 色质，如着丝粒，端粒，核仁形成区等。 色质，如着丝粒，端粒，核仁形成区等。 功能性异染色质(facultatire heterochromatin)指在 功能性异染色质( ) 某些特定的细胞中， 某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝 由常染色质变成异染色质， 聚，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一 种表达调控的途经。 种表达调控的途经。 如水蜡虫( )(2n=10)在体细胞 如水蜡虫(Pseudococcus nipae)( )( ) 里来自父本的5条染色体依次被异染色质化 条染色体依次被异染色质化， 里来自父本的 条染色体依次被异染色质化，在精子形成时 丢失，只保留来自母本的5条染色体 条染色体。 丢失，只保留来自母本的 条染色体。

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在正常女性的细胞核中有一团高度凝聚的染色质

在哺乳动物中，细胞质某些调节物质也能使两条 染 在哺乳动物中，细胞质某些调节物质也能使两条X染 色体中的一条异染色质化。只有一条X

染色体具有活性 染色体具有活性， 色体中的一条异染色质化。只有一条 染色体具有活性， 这些使得雌、雄动物之间虽X染色体的数量不同 染色体的数量不同， 这些使得雌、雄动物之间虽 染色体的数量不同，但X染 染 色体上基因产物的剂量是平衡的. 色体上基因产物的剂量是平衡的

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☆ 活性染色质对 活性染色质对DNase Ⅰ的敏感性当一个基因处于转录活性状态时， 当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基 因的染色质区域对DNaseⅠ降解的敏感性要比无转 Ⅰ 因的染色质区域对 录活性区域高得多。这是由于此区域染色质的 录活性区域高得多。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 蛋白质结构变得松散， Ⅰ易于接触到DNA。 。 超敏感位点( ) 超敏感位点(HS)

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基因活性区域对DNAase Ⅰ的敏感性有细胞组织特异 基因活性区域对 性，只有在活跃表达的细胞中，基因才具有这种敏感性。 只有在活跃表达的细胞中，基因才具有这种敏感性。 在染色质中的基因DNA对DNAase Ⅰ敏感性只能说明 对 在染色质中的基因 该基因具有被转录的潜在能力，并非一定就能转录。 该基因具有被转录的潜在能力，并非一定就能转录。 染色质上对DNAase Ⅰ敏感的区域有一定界限， 敏感的区域有一定界限， 染色质上对 在同一个基因内，各个区段对 在同一个基因内，各个区段对DNAase Ⅰ敏感程度也 不同组蛋白的乙酰化能使染色质对DNAase Ⅰ的敏感性 不同组蛋白的乙酰化能使染色质对 显著增强。 显著增强。

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☆ 组蛋白对基因活性的影响核小体组蛋白八聚体的N端都暴露在核小体外， 核小体组蛋白八聚体的 端都暴露在核小体外， 端都暴露在核小体外 某些特殊氨基酸的残基可能发生乙酰基化、甲基化、 某些特殊氨基酸的残基可能发生乙酰基化、甲基化、 磷酸化或核糖基化等修饰，结果一是改变染色质结 磷酸化或核糖基化等修饰，结果一是改变染色质结 一是 构，直接影响基因转录；二是核小体表面发生改变， 直接影响基因转录；二是核小体表面发生改变， 核小体表面发生改变 易于调控蛋白与染色质接触。 易于调控蛋白与染色质接触。

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核心组蛋白的乙酰化(acetylation) 核心组蛋白的乙酰化乙酰化作用由组蛋白乙酰基转移酶催化完成。 乙酰化作用由组蛋白乙酰基转移酶催化完成。 组蛋白H3和 是修饰的主要位点 是修饰的主要位点。 组蛋白 和H4是修饰的主要位点。 组蛋白的乙酰化作用能导致组蛋白正电荷减少， 组蛋白的乙酰化作用能导致组蛋白正电荷减少， 削弱与DNA结合的能力，引起核小体的解聚，从而使 结合的能力， 削弱与 结合

的能力 引起核小体的解聚， 转录因子和RNA聚合酶顺利结合到 聚合酶顺利结合到DNA上。 转录因子和 聚合酶顺利结合到 上 阻止核小体装配，使染色质处于比较松弛状态。 阻止核小体装配，使染色质处于比较松弛状态。

组蛋白乙酰化是活性染色质的标志之一

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辅激活子通过组蛋白乙酰基化在转录调控中作用的模型转录因子(如糖皮质激素受体， 结合并捕获辅激活子( 转录因子(如糖皮质激素受体，GR)与DNA结合并捕获辅激活子(CBP); ) 结合并捕获辅激活子 ); CBP具有组蛋白乙酰基转移酶活性。 具有组蛋白乙酰基转移酶活性。 具有组蛋白乙酰基转移酶活性 表示一段阻遏状态的染色体区域， 表示一段阻遏状态的染色体区域，其 DNA与去乙酰基组蛋白结合； 与去乙酰基组蛋白结合； 与去乙酰基组蛋白结合 糖皮质激素受体( ) 糖皮质激素受体(GR)和糖皮质激素 应答元件(GRE)结合，辅激活物CBP 应答元件( )结合，辅激活物 结合， 同GR结合，处于 结合 处于TATA盒的上游和下游 盒的上游和下游 的核心组蛋白被乙酰基化； 的核心组蛋白被乙酰基化； 被乙酰基化的组蛋白与DNA分离； 分离； 被乙酰基化的组蛋白与 分离 TFIID与DNA的开放区结合。 的开放区结合。 与 的开放区结合 TAFII250是TFIID的一个亚基，具有组 的一个亚基， 是 的一个亚基 蛋白乙酰基转移酶活性。同时， 蛋白乙酰基转移酶活性。同时，CBP和 和 TAFII250又解离相邻的核小体，以便容 又解离相邻的核小体， 又解离相邻的核小体 许转录起始； 许转录起始； 在启动子区剩下的核小体也被乙酰基 聚合酶与启动子结合， 化，RNA聚合酶与启动子结合，转录开 聚合酶与启动子结合 始。

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