1、11.1 DNA水平的調控11.2 染色質結構與基因活化11.3 核基質附著區與基因表達11.4 DNA甲基化在調節基因表達中的作用11 轉錄前的基因活化基因表達調控的層次 基因表達受發育階段及環境因素的影響。生物體對基因表達的調控有許多的層次，如轉錄前的基因活化、轉錄過程、轉錄后的RNA加工成熟過程、翻譯過程、翻譯后的多肽加工過程。這些過程對于生物生長發育是非常重要的。 DNA 水平的調控 某些原生動物、線蟲和甲殼類動物在個體發育中，體細胞會發生染色體丟失現象，只有將來分化形成生殖細胞的那些細胞才保持完整的基因組。 目前在高等真核生物（包括動、植物）中尚未發現類似的基因丟失現象。 基因丟失基

2、因丟失 馬蛔蟲受精卵里只有一對染色體（2n = 2），當個體發育到一定階段后，在將分化為體細胞的那些細胞中，這對染色體破碎成許多小染色體。有的小染色體具有著絲粒，在細胞分裂中得到保留，不具有著絲粒的小染色體因為在以后的細胞分裂中不能分配到下一代細胞中而丟失，在將形成生殖細胞的那些細胞里卻沒有染色體破碎和丟失現象。這些基因的丟失決定了細胞的命運。 基因丟失（續） 許多原生動物細胞中（纖毛蟲綱的草履蟲、鐘蟲等）含有兩種類型的核，小核和大核。通常在它們的生殖細胞中只具有一個小核，當細胞分化時，小核經歷各種變化，最終結果是產生擁有一個大核和一個小核的雙核細胞。小核中含有無活性的DNA，僅僅為將來產生生

3、殖細胞貯藏遺傳信息；大核中的DNA則是具有轉錄活性的模板。 DNA 水平的調控 基因擴增 基因擴增是指細胞內某些特定基因的拷貝數專一性地大量增加的現象，它是通過改變基因的數量而調節基因表達的一種調控方式。當發育分化或環境條件改變，使對某種基因產物的需要量劇增，單靠調節表達活性不足以滿足需要時，依靠基因擴增可迅速增加基因表達產物的量。 基因擴增（續） 在兩棲類和昆蟲的卵母細胞中，為貯備大量核糖體以供胚胎早期發育的需要，通常專一性地擴增rRNA基因。非洲爪蟾體細胞rDNA拷貝數約500個，而卵母細胞中rDNA的拷貝數可達2百萬個，以染色體外環狀DNA分子的形式存在，每個環狀DNA分子含24個甚至多

4、達16個rRNA基因。這些rDNA約占整個卵母細胞DNA的75%。當胚胎期開始時，這些染色體外擴增的環狀rDNA拷貝即失去功能并逐漸消失。 基因擴增（續） 穩定系中擴增的 dhfr 基因成簇串聯在一起，位于一條染色體原來的 dhfr 基因位置上，而其同源染色體的 dhfr 基因通常不擴增。不穩定系中擴增的 dhfr 基因以雙小染色體（double-minute chromosomes）的形式存在，每個雙小染色體含有24個 dhfr 基因，雙小染色體可以自主復制，但無著絲點，在有絲分裂中不能均等地分配到子細胞中去，并常常因此而丟失。DNA 水平的調控基因重排 基因重排是改變基因組中有關基因序列結

5、構的一種基因表達調控方式。一個最典型的例子是人和哺乳動物在B淋巴細胞分化期間發生基因組重建，從而產生抗體的多樣性，以識別和區分不同結構的抗原。 基因重排 抗體分子中最主要的IgG是由兩條輕鏈和兩條重鏈組成。輕鏈和重鏈由3個獨立的多基因家族編碼，其中兩個編碼輕鏈（和），一個編碼重鏈。基因重排 小鼠的重鏈和鏈基因族各有V片段約200個，鏈的V片段有5個；J片段有5個；D片段有12個。人的抗體基因族結構大體相似，但分布在不同染色體上。當淋巴細胞受到抗原刺激而分化為漿細胞時，胚原型DNA將發生基因重排而形成表達型DNA。重鏈取一個V、D、J與L、C重排成表達型DNA，而將其它的V、D、J切除；同樣輕鏈

6、也取一個V、J與L、C重排。這樣每一種淋巴細胞能且僅能產生一種抗體。 鼠胚系Ig基因的構成小鼠Ig重鏈的基因重排、轉錄與合成的順序小鼠Ig重鏈的基因重排、轉錄與合成的順序（續）小鼠Ig輕鏈的基因重排、轉錄與合成的順序小鼠Ig重鏈的基因重排、轉錄與合成的順序（續）圖111 真核生物染色體的組裝模式常染色質和異染色質 常染色質是間期核內凝縮程度相對較低的染色質區，異染色質是凝縮程度相對較高的染色質區。按其功能來分，根據其是否轉錄區域，還可以將染色質分為活性染色質和非活性染色質，異染色質中都是非活性染色質。常染色質中一部分是活性染色質，一部分是非活性染色質。活性染色質伸展成念珠狀，有些地方還與組蛋白

7、分離。 常染色質，示活性染色質和非活性染色質及DNase超敏感位點非活性染色質活性染色質極低濃度DNase能夠切割的位點稱為DNase超敏感位點。成串的非甲基化的CpG序列稱為CpG島H1組蛋白的修飾 H1組蛋白結合在核小體DNA進出口處，并在形成二級結構30nm螺線管時起重要作用。當在H1組蛋白特異的氨基酸殘基上發生磷酸化時，染色質凝縮，使該區域成為異染色質。關閉該區段的基因表達。 非組蛋白修飾 非組蛋白中包括各種轉錄因子（反式作用因子），它們的活性也會受到修飾調節。在非組蛋白中有一類，由于其在電泳中的高遷移率，故稱為高遷移率蛋白（high mobility group, HMG），它們常與

8、活性染色質結合，并與轉錄效率升高相聯系。 核基質 染色質可用鹽、中性去垢劑和Dnase等化學方法和電泳等物理方法來提取。提取后殘留的結構，即為核基質（nuclear matrix），也稱核骨架（nuclear scaffold）。核基質的主要成分是蛋白質。 間期染色質提取后殘留的核基質是一種有著不同密度的纖維狀網。 基質附著區 真核生物的染色體是由周期性緊密結合在核基質上的DNA環組成的。DNA上與核基質結合的那段序列稱為基質附著區（matrix attachment regions，MARs），或稱為基質結合區（matrix association regions，MARs）。MARs之間的

9、環約為5200kb左右。如果以間期染色質平均85kb有一個環來計算，具有109核苷酸對的二倍體細胞應有23,000個MARs。 基質附著區（續） 現有的研究表明，MARs序列缺少保守性，它們通常含有約 70% 的 A + T ，除此之外缺少共有序列。不同來源的MARs之間不能相互雜交，但可以與不同來源的核基質結合，說明其序列同源性雖差，但在功能進化上卻是保守的。圖113 MAR與核基質的相互作用圖114 活體或離體兩種方法檢測MAR（1）與核基質結合活體方法離體方法圖114 活體或離體兩種方法檢測MAR（2） 提取的DNA跑兩個泳道，用特異的DNA探針檢測其中一個泳道，看是否有特異的MAR片段

10、活體方法離體方法 MARs在基因表達中的作用 MARs在基因表達中可能有4種作用： 邊界元件作用，它確定了獨立的基因調節區域。 染色質調節作用，MARs作為刺激或阻遏基因表 達的順式作用元件，可促進調節蛋白的結合和 作用。 作為DNA復制起點的組成起作用。 對于有絲分裂中期染色體的組裝并保持一定形狀 是重要的。 圖117 側向構建有MAR的轉基因形成獨立活性結構區MARs的邊界作用 圖116 基質附著區（MARs）功能分析1kb DNA云扁豆蛋白基因增強子不能促進表達增強子激活了表達MARs的邊界作用 MARs 的調節作用 當用一個異源的酵母ARS1 MAR作為側翼的GUS（葡糖苷酸酶）報告基

11、因轉入煙草細胞，使報告基因的表達水平提高了12倍，最高達24倍。而改用來自煙草內源的與核基質結合較強的R67 MAR替換上述與核基質結合較弱的酵母ARS1 MAR時，GUS的表達水平提高了60倍，最高達140倍。這說明與核基質結合力較強的MAR比結合力較弱的MAR對基因表達的影響較大。 MARs 的調節作用（續） 在對番茄熱激蛋白基因表達的研究中發現，只有在3MAR、5MAR及內含子均存在的情況下基因正常表達，缺少其中一個將大大降低基因表達。這說明基因側翼的MARs和內含子對于基因表達的調控有關。 DNA甲基化 在真核生物DNA中，甲基化發生在胞苷酸殘基胞嘧啶環的5位碳原子上。甲基化位點通常在

12、CG序列上。對于植物來說，甲基化還能在CNG序列的C上發生。 CG CNG GC GNC 在上述序列中，如果一個位點上只有一條鏈的C被甲基化，稱為半甲基化；如果一個位點兩條鏈的C都被甲基化，稱為完全甲基化。 一般認為，高度甲基化的區域是不轉錄區域。 DNA甲基化的作用 甲基化能防止相關限制酶的切割作用，還能阻礙調節蛋白與之結合，在基因啟動子和編碼區的甲基化可能抑制轉錄。 植物DNA甲基化主要存在于核基因組。 限制性內切酶對甲基化和非甲基化CCGG的切割 圖119 DNA復制時甲基化類型的傳遞不對稱序列的甲基化，新合成的子鏈不甲基化。 DNA甲基化與基因表達 高度甲基化基因的表達受到抑制。由于不

13、同的基因在不同的器官或不同的發育階段表達，其甲基化狀況也發生相應的變化。如雌性哺乳動物的一條X染色體高度甲基化，而以非活性狀態存在；珠蛋白基因在紅細胞中是低甲基化的，而在不表達珠蛋白的其他細胞中則高度甲基化；管家（看家、持家）基因（housekeeping gene）是持續表達的，其轉錄起始區很少發生甲基化。實驗表明，低甲基化區域與DNase超敏感區域是十分吻合的。 甲基化對基因表達的影響機理 甲基化對基因表達的影響機理可能與反式作用因子與DNA的結合有關。有些蛋白可以與甲基化的CpG位點結合，起到阻遏蛋白的作用；有些轉錄因子不能與甲基化的CpG位點結合，甲基化后轉錄不能進行。一些看家基因的啟動子區常富含CpG島，所以可以保持轉錄。 圖1111 看家基因的CpG島和啟動子 成串的非甲基化的CpG序列稱為CpG島