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1、基因的转录调控,中英联合实验室,基因的转录调控中英联合实验室,原核生物与真核生物基因表达方式的主要区别原核生物：基因的转录与mRNA的翻译偶联，转录与翻译同步进行，不存在mRNA的加工问题；真核生物：转录与翻译在空间上是隔离的，转录在细胞核中进行，转录的产物加工后输出到细胞质，由游离在细胞质中或定位于内质网上的核糖体将mRNA译成蛋白质转录初级产物要经过许多加工与修饰才能成为成熟的mRNA ，未成熟的mRNA不能输出细胞核。,中英联合实验室,原核生物与真核生物基因表达方式的主要区别中英联合实验室,一.原核基因的转录调控,转录起始调控组成型调控，主要依赖于启动子的结构；调节型控制，主要依赖于调控
2、蛋白的活性。转录延伸与终止调控,中英联合实验室,一.原核基因的转录调控转录起始调控中英联合实验室,组成型调控：启动子决定基因转录起始的基准水平RNA聚合酶：核心酶与 因子-35盒框主要影响因子的识别以及聚合酶附着的速率-10盒框与转录起始复合物从封闭状态转向开放状态有关下游50bp内的核苷酸顺序,中英联合实验室,组成型调控：启动子决定基因转录起始的基准水平中英联合实验室,一.原核基因的转录调控,调节型控制负调控：阻遏物与DNA分子结合 阻碍RNA聚合酶转录 使基因处于关闭状态；正调控：诱导物通常与蛋白质结合 形成一种激活子复合物 与基因启动子DNA序列结合 激活基因起始转录 使基因处于表达状态
3、。,中英联合实验室,一.原核基因的转录调控调节型控制中英联合实验室,一.原核基因的转录调控,大肠杆菌乳糖操纵子模型 -结构基因(structural gene, SG) ：操纵元中被调控的编码蛋白质的基因 -启动子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 -操纵基因(operator，O)：是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。,中英联合实验室,一.原核基因的转录调控大肠杆菌乳糖操纵子模型 中英联合实验室,转录延伸转录延伸时RNA聚合酶沿模板链滑行，始终保持着一个向前移动的转录泡，12-20bpRNA聚合酶一边在前面解开双螺旋，同时又在后面
4、将双螺旋回复合成速率：RNA 40bp/s，氨基酸 12个/s转录终止：热力学最佳状态内终止子：大肠杆菌中促使转录终止的DNA位置有一段反向回文顺序，其后紧接一串腺嘌呤核苷酸（A-U配对，稳定性较差）。内终止子指导合成的RNA产物与模板结合不稳定Rho依赖型： Rho-解旋酶，使DNA与RNA之间的配对碱基分开。形成发夹结构，但不太稳定，其后也缺少一串腺嘌呤，借助Rho,中英联合实验室,转录延伸中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,转录延伸与终止调控抗终止antitermination：RNA聚合酶遇到终止信号时可无视其存在继续前进， 直至第二个终止信号出现。同一启动子下数个基因。R
5、NA聚合酶是否停止，需要借助一个抗终止子蛋白。衰减（attenuation） ，主要涉及与氨基酸合成有关的操纵基因。色氨酸操纵基因启动子下游有一段引导顺序（50-60bp有2个色氨酸密码子），终止信号位于100-140bp之间，可形成发夹结构，但取决于聚合酶与核糖体之间的相对位置。,中英联合实验室,转录延伸与终止调控中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,RNA聚合酶依赖于DNA的RNA聚合酶依赖于RNA的RNA聚合酶：与某些病毒基因组的复制与表达有关独立于模板的RNA聚合酶：poly（A）聚合酶RNA聚合酶、RNA聚合酶 、RN
6、A聚合酶,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控RNA聚合酶中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,转录因子真核RNA聚合酶不能直接接触启动子，必须依赖转录因子在启动子区构筑“平台”后，才可进入启动子区，参与转录起始复合物的组装原核RNA聚合酶与启动子亲和力强，几乎所有启动子的转录起始基准水平都相对较高；真核转录起始基准水平都很低普遍性转录因子：将RNA聚合酶定位在核心启动子，是转录起始复合物的组成成员激活转录因子：影响转录起始复合物的组装及转录速率，决定某一基因是否表达。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控转录因子中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,每一个真核生物基因组由成千
7、上万个基因构成看家基因始终处于活化状态大多数基因在时间上和空间上选择性表达，生物体才能够有条不紊生长发育时间：发育阶段空间：组织、器官,二.真核基因的转录调控,中英联合实验室,每一个真核生物基因组由成千上万个基因构成二.真核基因的转录调,二.真核基因的转录调控,真核基因表达调控的层次DNA和染色体水平的调控基因扩增、基因丢失、基因重排、基因修饰、基因封闭等。转录水平的调控转录的起始、延伸和终止等。转录后RNA前体加工及转运的调控 基因在核中转录而在胞浆中翻译，转录后需经剪切、拼接、编辑、修饰和转运等过程。翻译水平的调控。翻译后水平的调控。翻译产物剪切、修饰、构象形成、转运和装配等。mRNA降解
8、的调控细胞内有控制mRNA寿命的机制。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控真核基因表达调控的层次中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,1. DNA和染色体水平的调控DNA水平规律性变化也参与了生物体发育的调节。染色质结构与基因活化（基因封闭）核基质附着区与基因表达基因丢失基因扩增基因重排基因修饰,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控1. DNA和染色体水平的调控中英联合,二.真核基因的转录调控,染色质结构与基因活化染色质：间期细胞内遗传物质的存在形式，由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性结构染色质结构的变化与基因能否表达紧密联系，基因要得以表
9、达，就必须处在特定的染色质结构变化区。真核基因组DNA与组蛋白结合成核小体，进一步形成更高级的染色质结构，染色质中DNA和组蛋白的结构状态影响转录。在常染色质中表达的基因如移到异染色质则不表达；紧密的染色质结构阻止基因表达。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控染色质结构与基因活化中英联合实验室,组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而封闭了DNA分子，妨碍基因转录。活跃转录的染色质区段中H1水平降低。,中英联合实验室,组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA链上带负电荷的,活化染色质的结构染色体DNA凝缩程度比染色质高得多DNA的复制和转录发生于间期染色质间
10、期染色质按结构分为常染色质和异染色质，异染色质呈高度凝集状态，无转录活性间期染色质按功能分为活性染色质(active chromatin)和非活性染色质(in active chromatin活性染色质：具有转录活性的常染色质非活性染色质：不进行转录的染色质，包括异染色质和部分常染色质。,中英联合实验室,活化染色质的结构中英联合实验室,DNase I 超敏感位点活性染色质区，基因转录活性区或潜在的转录活性区，可通过检测染色质对DNase I的敏感度来决定DNase I超敏感位点即活跃基因的所在超敏感位点的变化性：不同发育阶段、不同组织中，超敏感位点是不同的，随发育阶段的变化，染色质结构发生改变
11、,中英联合实验室,DNase I 超敏感位点中英联合实验室,中英联合实验室,中英联合实验室,玉米Sh基因在转录起始点附近，即+150、-550及-1050位点处有DNase I超敏感位点，但在胚中出现了-350新位点，原有的-550和-1050位点消失当处于休眠时，所有的超敏感位点均消失,中英联合实验室,玉米Sh基因在转录起始点附近，即+150、-550及-105,蛋白质修饰与活性染色质结构形成高等真核生物染色质由蛋白质与DNA组成，蛋白质与DNA的比例为2:1蛋白质修饰：组蛋白和非组蛋白，构成染色质的蛋白质发生修饰时，改变染色质的构型，结构变化影响基因转录活性组蛋白修饰：包括乙酰化、磷酸化和
12、甲基化；活化染色质往往是高度乙酰化的非组蛋白中主要有多种参与核酸代谢和修饰的酶类，有些是具有重要调控作用的反式作用因子；高迁移率蛋白HMG，与活性染色质结合，与转录效率升高相关联；小麦中发现的HMG14、HMG17、HMG20和HMG24,中英联合实验室,蛋白质修饰与活性染色质结构形成中英联合实验室,核基质附着区与基因表达,染色质中由DNA和组蛋白形成的环式结构与核基质相连，形成放射环模式，这种相互作用影响着基因表达,中英联合实验室,核基质附着区与基因表达染色质中由DNA和组蛋白形成的环式结构,核基质(nuclear matrix)或称核骨架（nucleoskeleton） 真核细胞核内的网络
13、结构，指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。染色质用盐、中性去垢剂和DNase等化学方法和电泳等物理方法提取后残剩的结构核基质的组成较为复杂，主要组分有三类：非组蛋白性纤维蛋白，占96%以上，少量RNA和DNA， 少量磷脂（1.6%）和糖类（0.9%）。,中英联合实验室,核基质(nuclear matrix)或称核骨架（nucle,染色质结合在核骨架上,中英联合实验室,染色质结合在核骨架上 中英联合实验室,非组蛋白性纤维蛋白：分子量40-60KD，其中相当一部分是含硫蛋白，其二硫键具有维持核骨架结构完整性的作用；还有10多种次要蛋白质，包括肌动蛋白、波形蛋白、三种支架蛋白（SC、
14、SC、SC，SC是DNA拓朴异构酶）少量RNA和DNA：RNA对维持核骨架的三维结构是必需的，而DNA称为基质附着区（matrix associated regions, MARs），通常为富含AT的区域。,中英联合实验室,非组蛋白性纤维蛋白：分子量40-60KD，其中相当一部分是含,核骨架的功能为DNA的复制提供支架，DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。基因转录加工的场所，RNA的转录同样需要DNA锚定在核骨架上才能进行，核骨架上有RNA聚合酶的结合位
15、点，使之固定于核骨架上，RNA的合成是在核骨架上进行的。新合成的RNA也结合在核骨架上，并在这里进行加工和修饰。与染色体构建有关,中英联合实验室,核骨架的功能中英联合实验室,基质附着区MARs与核基质特异结合的DNA序列，非编码序列，富含AT。通过与核基质的结合，使染色质形成独立的环状结构，调控基因的转录和表达减少由于位置效应引起的转基因沉默，提高转基因表达水平、消除转基因个体间表达水平的差异,中英联合实验室,基质附着区MARs中英联合实验室,边界MARs：染色质环附着到处于两个固定边界之间的核基质，形成两个边界MARs调节MARs：染色质环通过第3个移动点即转录或复制位点附着到核基质部分，成
16、为调节MARs，它促使转录活化子接近基因启动子，形成由MAR、核基质和活化子三者组成的三元复合体，使转录处于一个稳定的环境中。边界MARs以外的染色质为关闭状态的染色质，阻碍基因表达，而处在两边界MARs之间的染色质为开放染色质区域，有利于基因表达,中英联合实验室,边界MARs：染色质环附着到处于两个固定边界之间的核基质，形,中英联合实验室,中英联合实验室,大豆,中英联合实验室,大豆中英联合实验室,MARs在基因表达中的作用边界元件作用(boundary-element role)，确定独立的基因调节区域；染色质调节作用(chromatin-regulation role)，作为刺激或阻遏基因
17、表达的顺式作用元件，促进调节蛋白的结合和作用；作为DNA复制起点的组成起作用；MAR对于有丝分裂中期染色体的组装并保持一定形状是重要的。,中英联合实验室,MARs在基因表达中的作用中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,基因丢失基因丢失是在有些低等真核生物的个体发育过程中，细胞分化时一些不需要的基因被消除的现象。例如马蛔虫受精卵中只有1对染色体，而其生殖细胞保持着完整基因组，在体细胞分化中，染色体破碎成很多片段的小染色体。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控基因丢失中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,基因扩增基因扩增使细胞在短期内产生大量专一基因产物以满足生长发育的需要。成熟红细胞可转
18、录出大量珠蛋白mRNA。这主要是由于红细胞的珠蛋白基因拷贝数增加的结果。非洲爪蟾卵母细胞rRNA的DNA水平调节。爪蟾在卵裂期和胚胎期需大量蛋白质，rDNA原有拷贝为500个，在卵母细胞发育过程中，由于rDNA的扩增使核仁数达几百个。rDNA的拷贝数可由原来单个核仁中的500个扩增到2106个。卵母细胞一旦成熟，多余的rDNA将逐步降解。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控基因扩增中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,基因重排非定向重排 如转座子在染色体上的移动，转座子的插入可激活或抑制某些基因。定向重排与变换 可使一个基因从远离其启动子的位置移到启动子附近位点而被启动。 小鼠免疫球蛋白
19、结构基因的表达。免疫球蛋白肽链由可变区（V区）、恒定区（C区）及两者之间上游连接区（J区）组成。V基因、C基因和J基因在小鼠胚胎细胞中相距较远。当免疫细胞分化时，通过染色体定向重排把3个远离的基因连在一起，从而使细胞分化成专化的免疫细胞。结果使多个基因经重组编码一条肽链。V、C、J基因的不同组合造成了抗体的多样性。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控基因重排中英联合实验室,二.真核基因的转录调控,基因修饰基因修饰发生在DNA水平，主要包括甲基化修饰及转座子插入等。真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytidine, m5C)，而活跃转录的DNA序列中胞嘧
20、啶甲基化程度常较低。甲基化最常发生在某些基因5侧区的CpG序列中。,中英联合实验室,二.真核基因的转录调控基因修饰中英联合实验室,影响蛋白质与DNA的相互作用：原核生物中，当DNA被甲基转移酶修饰时，防止了DNA为相关内切酶切割；高等真核生物中，胞嘧啶的甲基化能抑制调节蛋白与之结合；无论是在活体或离体状态下，基因启动子和编码区的甲基化可能抑制转录；DNA甲基化影响DNA复制；影响染色质的结构以及增加突变频率,DNA甲基化与基因表达,中英联合实验室,影响蛋白质与DNA的相互作用：原核生物中，当DNA被甲基转移,植物DNA甲基化特点甲基化不仅在CG二核苷酸的C上产生，还能在CpNpG的三核苷酸的C
21、上发生植物DNA甲基化主要存在于核基因组，较小的叶绿体和线粒体基因组不需要甲基化水平的基因调控。甲基化胞核苷在核基因组中不是随机分布的，而是较多地分布在重复序列中，很可能像哺乳动物基因组那样，植物基因组中大部分甲基化胞核苷定位于逆转座子,中英联合实验室,植物DNA甲基化特点中英联合实验室,DNA甲基化与基因表达DNA甲基化阻遏转录甲基化与基因组织特异表达及发育调节基因类型表达的变化相关联看家基因是持续表达的基因，其转录起始区很少发生甲基化。珠蛋白基因在红细胞中是低甲基化，在不表达珠蛋白的细胞中高度甲基化植物中DNA甲基化随组织特异性和发育阶段而有所不同，番茄和拟南芥中，幼苗DNA甲基化水平约比成熟叶低20,中英联合实验室,DNA甲基化与基因表达中英联合实验室,去甲基化有利于植物春化,中英联合实验室,去甲基化有利于植物春化中英联合实验室,转基因转录沉默(transcriptional silencing)：植物中转入的基因常常失活，其中一个原因是导入基因的RNA产生被阻抑，这种转录沉默与转入基因的甲基化相关联的，特别是启动子区的甲甚化。用5-氮胞苷作去甲基化处理时，可使沉默基因恢复转录。转录沉默可能表明正常细胞具有对外源入侵DNA进行防卫的机制,中英联合实验室,转基因转录沉默(transcriptional silenc,
