真核基因表达调控模式.ppt
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1、第七章 真核生物基因表达的调控,教学目的: 掌握真核生物基因表达调控的层次及在不同水平调控的方式 教学重点: 1.真核生物转录调控的复杂性 2.真核生物DNA水平的调控 3.DNA 转录水平的调控 教学难点: DNA 转录水平的调控,真核生物基因表达的特点,基因组结构庞大 单顺反子 重复序列 断裂基因 染色体 转录调节区大 转录和翻译分别在不同的亚细胞区域 翻译后需要加工,多级调控,DNA水平,基因丢失 基因扩增 基因重排 甲基化修饰 染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控 RNA的转录后加工 mRNA向胞浆转运 mRNA稳定性,蛋白质 水 平,翻译过程 翻译后加工 蛋白质的稳定性,真核生
2、物调控的特征,基因表达以正调控为主 转录与翻译在不同的区域进行,无操纵子和衰减子 个体发育复杂 受环境影响较小,基因家族(gene family),定义: 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(ancestral gene)经重 复(duplication)和突变产生。 特点: 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,形成基 因簇(gene cluster) 有些成员不产生有功能的基因产物,这种基因称为 假基因(Pseudogene)a1:与a1相似的假基因,简单基因家族,特点: 家族成员串联排列在一起 组成一个转录单位 代表
3、: rRNA基因家族 (重复单元28S、18S、5.8s-rRNA),复杂基因家族,特点: 家族成员串联排列在一起 独立的转录单位 代表: 组蛋白基因家族,发育相关复杂基因家族,特点: 分布在不同的染色体上 独立的转录单位 基因顺序与表达顺序相关 代表: 珠蛋白基因家族,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 没有明确生理意义,可能是产生一种功能性非编码RNA, 调节来自其等位编码基因的mRNA的稳定性 根据其来源可分为 复制假基因 已加工假基因 完全缺失存在于功能基因中的间隔序列 无5端调控序列 3末
4、端紧接着有多聚腺嘌呤尾 两端常被721bp的正向重复序列包围,果蝇的sexlethal基因转移到小鼠体内,大多数小鼠表现正常,但有一个品系的小鼠在幼年期全部死亡。研究发现,sexlethal基因插入到makorin1p1假基因中部,破坏了该假基因的转录。如果将假基因makorin1p1敲除,makorin1基因将被关闭。,一、DNA水平调控,(一)染色质结构对基因表达的影响 染色体(chromosome):细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由 染色质聚缩而成的棒状结构。 染色质(chromatin):间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组 蛋白及少量RNA组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传 物质存
5、在的形式。 常染色质(euchromatin):压缩程度低,伸展状态,着色浅 异染色质(heterochromatin):压缩程度高,聚缩状态,着色深 结构异染色质(constitutive heterochromatin) 兼性异染色质(facultative heterochromatin),异染色质化 水蜡虫(Pseudococcus nipae)(2n=10) 雌性:10条都是常染色质 雄性:来自父本的5条染色体依次被异染色质化 哺乳动物的剂量补偿(dosage conpensation) 雌性哺乳动物X染色体的失活,巴尔小体(Barr body) L.Barr(1949年),1961
6、,Mary Lyon提出了莱昂假说(Lyon hypothesiis) 巴尔小体是一个失活的X染色体; 在哺乳动物中,雌性个体细胞中的两个X染色体中有一个X染 色体在受精后的第16天(受精卵增殖到5000-6000,植入子 宫壁时)失活; 两条X染色体中哪一条失活是随机的; X染色体失活后,细胞继续分裂形成的克隆中,此条染色体都 是失活的; 生殖细胞形成时失活的X染色体可得到恢复。 1974年Lyon又提出了新莱昂假说 认为X染色体的失活是部分片段的失活 实验证据: 无汗性外胚层发育不良(anhidrotic ectodermal dysplasia) 三色猫 G-6-PDH,anhidrot
7、ic ectodermal dysplasia 无汗性外胚层发育不良,毛发稀少 牙齿异常 无汗/少汗 表皮和附件 异常,X b X B b 橙色 B 黑色,三色猫,三色猫,6-磷酸葡糖脱氧酶(G-6-PD)的测定,(二)DNase的敏感性和基因表达 含有转录活性基因的染色质区域对DNase降解的敏感性要比 无转录活性区域高得多。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质 结构变得松散,DNase易于接触到DNA之故 鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统:,鸡胚红细胞,珠 蛋 白 基因 + -,卵清蛋白基 因 - +,鸡输卵管细胞,超敏感区域(hypersensitive region)或超敏感位点(hyperse
8、nsitive site)一般在转录起始点附近,即5端启动子区域,少部分位于其它部位如转录单元的下游。,(三)端粒位置效应(telomere position effect ,TPE) 端粒处核小体的堆积紧密,导致该处附近的基因不表达 基因在染色体的位置不同,表达的效果也不同,(四) DNA的甲基化与去甲基化 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,可能存在于所有高等生物 中,DNA甲基化能关闭某些基因的活性,去甲基化诱导了基因的重 新活化和表达 DNA甲基化的主要形式: CpG,用同裂酶((isoschizomers) )可检测CCGG上C的甲基化状态 MspI 可切割CmCGG或CCGG,H
9、apII可切割未甲基化CCGG,HapII,CG islands 高等真核生物中包含未甲基化CpG双核甘酸序列远低于其理论值.通常成串出现在随时准备好转录或转译的脱氧核糖核酸中 甲基化酶 日常型(mainteance): 从头合成型( de novo synthesis),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低。,去甲基化又可使基因恢复活性。 5-氮胞苷没有游离的5-H,因而不能接受甲基,若将它掺入DNA取代胞苷是可以改变基因的甲基化状态,而达到去甲基化。,5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP),次黄嘌呤核苷一磷酸(HMP),次黄嘌呤核苷(HR),G
10、MP,AMP,尿嘧啶核苷一磷酸(UMP),胸腺嘧啶核苷一磷酸(TMP),胸腺嘧啶核苷(TR),嘌呤核苷酸生物合成途径,嘧啶核苷酸生物合成途径,次黄嘌呤磷酸 核糖转移酶,(HPRT),(TK),胸腺嘧啶 核苷激酶,氨基喋呤(AP),氨基喋呤(AP),从头合成途径,补救合成途径,含有胸腺嘧啶核苷激酶(TK)编码基因缺陷的受体细胞(tk -),不能在含有次黄嘌呤核苷、氨基喋呤、胸腺嘧啶核苷的培养基上(HAT培养基)生长,载体上的标记基因tk能与之遗传互补,含有次黄嘌呤磷酸核糖转移酶(HPRT)编码基因缺陷的受体细胞 (hprt -),不能在含有次黄嘌呤核苷、氨基喋呤、胸腺嘧啶核苷的培养基上(HAT培
11、养基)生长,载体上的标记基因hprt与之遗传互补,DNA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 甲基化抑制转录的间接机制 MeCP1 (methylCpG-binding protein1) MeCP2 (methylCpG-binding protein1),DNA甲基化的生物学效应,X染色体失活 亲本印迹 肿瘤发生 个体发育,CpG甲基化,DNA甲基化与X染色体失活 X染色体失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic) X染色体上存在一个与X染色体失活有密切联系的核心部位, 定位在Xq13区(正好是Barr氏小体浓缩部位)。 Xi-s
12、pecific transcript (Xist)基因 只在失活的X染色体上表达 产物是一功能性RNA 没有ORF却含有大量的终止密码子 Xist RNA分子能可能与Xic位点相互作用,引起后者构象变化, 易于结合各种蛋白因子,最终导致X染色体失活,亲本印记(imprinting) 来源于父母本的一对等位基因表达不同。 如源于父本的IGF- (胰岛素样生长因子)基 因可表达,而源于母本的则不能表达。 选择性甲基化,目前在人类和鼠身上已辨明了20种印迹基因。,印记基因与疾病 印记丢失(loss of imprinting) 非印记基因失活,肿瘤发生 抑癌基因甲基化 不表达,(二)染色体(质)丢失
13、(chromosome diminution ) 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 马蛔虫(Parascaris equoorum),第一次卵裂是横裂,产生上下两个子细胞 第二次卵裂时下面的子细胞仍进行横裂,保持着原有的基因组,而上面的子细胞却进行纵裂,丢失了部分染色体 长此下去最下面的子细胞总是保持了全套的基因组,将发育成生殖细胞,其余丢失了部分染色体片段的细胞分化为体细胞。 此可能是由于在植物极中有特殊的物质的存在,这种物质具有保护染色体不受削减的功能。,小表瘿蚊(Mayetiole destructor)受精卵的细胞核分裂,而受精卵不分裂,形
14、成合胞体(syncytium)。当核第3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,在极细胞质中的核保持了全套的染色体(2n =40),将来分化为生殖细胞。而在一般的细胞质中,染色丢失了32条,只保留8条,将来分化为体细胞,(三)基因扩增,定义 细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加 作用 满足特定阶段生命活动的需要 例子: 组织中整个染色体组都进行扩增: 在双翅目昆虫如果蝇(D.melanogaster)的唾腺 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(polytenne chromosomes)(含多于1000条 染色单体) 发育中的编程扩增 特定的基因簇的
15、染色体外扩增 特定的基因簇原位扩增 哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增,polytenne chromosomes,特定的基因簇的染色体外扩增,两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增,非洲爪蟾的18S、5.8S 和28SrDNA的串联重复单位,它们成簇存在,形成核仁形成区。可是在卵母细胞中rDNA串联重复单位被剪切下来后环化,以滚环复制的形式进行扩增,使拷贝数扩大了1000倍以上。,特定的基因簇原位扩增,在黑腹果蝇的发育中,卵壳蛋白基因不被剪切,在表达之前,通过复制的重叠环而被扩增。,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,哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增,某些试剂可
16、使那些对其产生抗性的基因大量扩增 dhfr 基因 二氢叶酸还原酶(DHFR) 氨甲喋呤( methotrexate) 均染色区(homogeneously staining region, HSR) 双微体(double-minute chromosomes),均染色区(homogeneously staining region, HSR),在高抗性细胞的染色体中,可以观察到扩增区域形成一延伸的染色体带称均匀染色区(homogeneously staining region,HSR),双微体(double-minute chromosomes),染色体外的拷贝是怎样产生? 两种可能: 复制的附
17、加环可能在dhfr基因附近起始,然后通过dhfr拷贝之间的非同源重组而产生 或是等位基因之间的非同源重组来起始这个过程。额外的拷贝可能是通过类似于重组的事件将其从染色体释放出来,产生抗体 B细胞 体液免疫 经法氏囊(Barsa of Fabricius) 细胞分裂 骨髓 经胸腺 调节免疫应答 T细胞 细胞免疫 杀伤抗元,(Thymus),(四)基因重排,定义 改变基因组中有关基因序列结构 (片断水平的拼接),使相距很远的片断靠近 作用 调控基因差别表达 例子: B淋巴细胞基因重排,抗体有100万种以上,但一种淋巴细胞只产生一种抗体 指令学说:上世纪40年代由Pauling提出 克隆选择学说:1
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- 基因 表达 调控 模式
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