真核生物與原核生物在

調控機制上的主要差異調控的原因：原核生物基因表達調節的目的是為了更有效和更經濟地對環境的變化做出反應，而多細胞真核生物基因表達調節的主要目的是細胞分化，它需要在不同的生長時期和不同的發育階段具有不同的基因表達樣式；調控的層次：原核生物基因表達調控主要集中在轉錄水平，但真核生物基因表達的轉錄后水平調節與其在轉錄水平上的調節各占“半壁江山”，而某些調控層次是真核生物特有的，比如染色質水平、RNA后加工水平和mRNA運輸等；調控的手段：原核生物絕大多數的基因組織成操縱子，但真核生物一般無操縱子結構。現在是1頁\一共有59頁\編輯于星期二在染色質水平上的基因調控

原核生物的DNA絕大多數處于完全暴露和可接近的狀態，而真核生物DNA大部分被遮擋并組織成染色質。因此，原核生物DNA轉錄的“默認狀態”是開放，其調控機制主要是通過阻遏蛋白進行的負調控，而真核生物DNA轉錄的“默認狀態”是關閉，其調控機制主要是通過激活蛋白進行的正調控。染色質的結構是一種動態可變的結構，其結構的變化能直接影響到基因的表達。已有眾多證據表明，一個基因在表達前后，其所在位置的染色質結構會發生重塑或重建。由于染色質的組成單位是核小體，因此，染色質結構的改變是從核小體的變化開始的，而核小體的變化是從組蛋白的共價修飾和去修飾開始的。組蛋白能夠經歷的共價修飾包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛酰化和ADP-核糖基化等，其中乙酰化對染色質結構的影響最大。組蛋白的乙酰化修飾至少具有三個功能：（1）中和Lys殘基上的正電荷而減弱組蛋白與DNA的親和力；（2）招募其它刺激轉錄的激活蛋白和輔激活蛋白；（3）啟動染色質重塑。以上三個方面均有利于基因轉錄的發生。現在是2頁\一共有59頁\編輯于星期二組蛋白乙酰化或去乙酰化與染色質轉錄活性的關系

現在是3頁\一共有59頁\編輯于星期二組蛋白乙酰化與染色質重塑的關系

現在是4頁\一共有59頁\編輯于星期二組蛋白的修飾與染色質構象變化的關系

現在是5頁\一共有59頁\編輯于星期二在DNA水平上的基因表達調控DNA擴增DNA重排DNA甲基化基因丟失DNA印記啟動子的選擇使用現在是6頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA擴增是通過增加基因的拷貝數來提高基因表達效率的一種手段，使用這種手段來進行調控的基因通常是細胞在較短的時間內或在特定的發育階段大量需要的基因。當其它調控手段已到達極限的時候，DNA擴增就顯得尤為重要。實例：果蠅的絨毛膜基因；兩棲動物的成熟卵細胞的rRNA基因；哺乳動物細胞的DHFR基因。現在是7頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA重排B淋巴細胞在成熟過程Ig基因經歷的重排錐體蟲主要的表面抗原基因發生的重排釀酒酵母在交配類型轉換過程中發生的基因重排

現在是8頁\一共有59頁\編輯于星期二抗體基因多樣性產生的分子機制VJ和VDJ的重組連接連接的多樣性，重排過程中的連接是不精確的，這種“故意”的不精確連接可導致氨基酸的變化或缺失，從而影響到抗原結合位點的結構，實際上它是抗體上出現高變區的原因插入的多樣性，TdT作用導致DJ連接或V-DJ連接中隨機插入若干個核苷酸到V基因、D基因或J基因的末端體細胞超突變，主要發生在V基因選擇性剪接和選擇性加尾現在是9頁\一共有59頁\編輯于星期二抗體輕鏈基因的重排機制現在是10頁\一共有59頁\編輯于星期二胚性細胞內輕鏈基因的結構現在是11頁\一共有59頁\編輯于星期二抗體重鏈基因重排、轉錄、后加工和翻譯現在是12頁\一共有59頁\編輯于星期二D基因和J基因連接的多樣性現在是13頁\一共有59頁\編輯于星期二錐體蟲主要表面抗原基因的重排錐體蟲是由一種叫采采蠅的吸血蠅傳播的血液寄生性原生動物，它是非洲昏睡病的病原體。在應付宿主細胞的免疫系統方面，錐體蟲可謂是魔高一丈，它會不斷而有序地改變其表面抗原，以逃避免疫系統對它的攻擊，因此，一旦人被感染錐體蟲，患者極容易進入慢性感染狀態，最后可能發展到嚴重的神經損傷、昏迷或死亡。錐體蟲的表面抗原性質與其可變的表面糖蛋白（VSG），由它形成一種保護性的外被。錐體蟲基因組約有1000拷貝的VSG基因，但并不是所有的VSG基因都能表達。只有處于表達偶聯位點的拷貝（ELC）才有可能被轉錄，其它位點上的VSG被稱為基本拷貝（BC），無轉錄活性。

現在是14頁\一共有59頁\編輯于星期二錐體蟲主要表面抗原基因的重排現在是15頁\一共有59頁\編輯于星期二釀酒酵母在交配類型轉換過程中發生的基因重排現在是16頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA甲基化與基因表達DNA甲基化是一種復制后加工反應。真核生物和原核生物的甲基化位點和甲基化的功能完全不同。真核生物DNA的甲基化位點主要是CpG二核苷酸（少數是CpNpG三核苷酸序列）之中的C，甲基供體為SAM，由DNA甲基化酶催化，C甲基化后成為5-甲基胞嘧啶。CpG序列在基因組中的分布并不均一，它們通常成簇存在，形成所謂的CpG島。每一個CpG島長度在1kb~2kb左右，通常位于基因的啟動子附近或內部，并有可能延伸到基因的第一個外顯子。甲基化樣式與基因表達有關：活性基因的CpG島處于去甲基化狀態，非活性基因的CpG島處于甲基化狀態。管家基因的CpG島在所有的細胞都呈去甲基化狀態，而組織特異性基因的CpG島只是在表達它的細胞才處于去甲基化狀態。現在是17頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA甲基化導致基因轉錄活性喪失的三種可能機制現在是18頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA印記就許多真核生物的某些基因而言，在一個發育的個體之中，兩個等位基因中只有一個才表達，而哪一個被表達是由親代決定的：有的是來自父本的基因才能表達，如IGF-2基因，有的是來自母本的基因才表達。這種由親代決定的等位基因的選擇性表達的機制被稱為印記。印記的手段是甲基化，不表達的等位基因的CpG島上的C被甲基化，表達的等位基因的CpG島上的C沒有被甲基化。在配子形成時期，許多基因就開始以性別特異性的方式進行甲基化反應，性別特異性的甲基化導致胚胎內來自不同親本的等位基因的區別表達。盡管在胚胎發育的早期，其胚性細胞內的甲基化樣式重新設定，需要經歷一波又一波的去甲基化和新甲基化反應，但這并不影響到印記基因的甲基化。在個體發育的整個階段，由于組織特異性甲基化酶的作用，不同類型的細胞其甲基化樣式會發生改變，但被印記的基因始終得到維持，這要歸功于細胞內一種維持甲基化酶的作用。現在是19頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA甲基化與印記現在是20頁\一共有59頁\編輯于星期二多個啟動子的選擇性使用某些真核生物的基因不止一個啟動子，例如，抗肌營養不良蛋白有8個啟動子，通過使用不同的啟動子可轉錄出不同長度的mRNA，它們經過翻譯可產生不同性質或功能的蛋白質產物。人谷胱甘肽還原酶的基因具有兩個啟動子，這兩個啟動子分別指導定位于細胞質和線粒體的谷胱甘肽還原酶的合成。指導線粒體谷胱甘肽還原酶的啟動子在指導細胞質谷胱甘肽還原酶啟動子的上游。顯然，上游啟動子轉錄出來的mRNA要比下游啟動子轉錄出來的mRNA要長。分析它們的核苷酸序列以后發現，長mRNA的起始密碼子位置前移，因而會多翻譯一段指導進入線粒體的信號肽序列。現在是21頁\一共有59頁\編輯于星期二在轉錄水平上的基因表達調控真核生物的蛋白質基因的轉錄除了啟動子、RNA聚合酶II和基礎轉錄因子以外，還需要其它順式作用元件和反式作用因子的參與。參與基因表達調控的主要順式作用元件有：增強子、沉默子、絕緣子和各種反應元件；參與基因表達調控的反式作用因子也稱為轉錄因子，它們包括激活蛋白、輔激活蛋白、阻遏蛋白和輔阻遏蛋白。激活蛋白與增強子結合激活基因的表達，而阻遏蛋白與沉默子結合，抑制基因的表達，某些轉錄因子既可以作為激活蛋白也可以作為阻遏蛋白其作用，究竟是起何種作用取決于被調節的基因。輔激活蛋白缺乏DNA結合位點，但它們能夠通過蛋白質與蛋白質的相互作用而行使功能，作用方式包括：招募其它轉錄因子和攜帶修飾酶（如激酶或乙酰基轉移酶）到轉錄復合物而刺激激活蛋白的活性；輔阻遏蛋白也缺乏DNA結合位點，但同樣通過蛋白質與蛋白質的相互作用而起作用，作用機理包括：掩蓋激活蛋白的激活位點、作為負別構效應物和攜帶去修飾酶去中和修飾酶（如磷酸酶或組蛋白去乙酰基酶）的活性。現在是22頁\一共有59頁\編輯于星期二真核生物在轉錄水平進行基因表達調控的主要方式現在是23頁\一共有59頁\編輯于星期二激活蛋白激活基因表達的可能機制現在是24頁\一共有59頁\編輯于星期二絕緣子作用的分子模型現在是25頁\一共有59頁\編輯于星期二ICR絕緣子對小鼠Igf2和H19基因表達的控制現在是26頁\一共有59頁\編輯于星期二轉錄因子轉錄因子是泛指除RNA聚合酶以外的一系列參與DNA轉錄和轉錄調節的蛋白質因子，分為基礎轉錄因子和調節轉錄因子，其中前者又稱為一般轉錄因子或普遍轉錄因子，專指從核心啟動子開始進行精確轉錄所必需的一組最低數量的蛋白質的總稱，其它轉錄因子參與轉錄的調節，激活或阻遏基因的轉錄，因此屬于調控轉錄因子。并不是所有的轉錄因子都能夠與DNA結合，也不是所有的轉錄因子都是激活基因的轉錄。現在是27頁\一共有59頁\編輯于星期二轉錄因子的結構絕大多數轉錄因子至少具有以下三種不同的結構域的一種：（1）DNA結合結構域，直接與順式作用元件結合的轉錄因子都具有此結構域。轉錄因子通常使用此結構域之中的特殊α-螺旋與順式作用元件內的大溝接觸，通過螺旋上的特殊氨基酸殘基的側鏈基團與大溝中的特殊堿基對之間的次級健（主要是氫鍵）相互識別而產生特異性。許多轉錄因子在此結構域上富含堿性氨基酸，這可能有利于它和DNA骨架上帶負電荷的磷酸根發生作用；（2）效應器結構域，這是轉錄因子調節轉錄效率（激活或阻遏）、產生效應的結構域；（3）多聚化結構域，此結構域的存在使得轉錄因子之間能夠組裝成二聚體或多聚體（同源或異源）。下面將集中介紹前兩種結構域，特別是DNA結合結構域。現在是28頁\一共有59頁\編輯于星期二DNA結合結構域DNA結合結構域一般會含有以下幾種結構基序中的一種：（1）α-螺旋-轉角-α-螺旋（2）鋅指結構（3）堿性拉鏈（4）α-螺旋-環-α-螺旋（5）與小溝接觸的β-支架因子現在是29頁\一共有59頁\編輯于星期二轉錄因子四種DNA結合結構域現在是30頁\一共有59頁\編輯于星期二堿性拉鏈結構域與DNA的結合含有α-螺旋-突環-α-螺旋結構域的MyoD與DNA的結合

現在是31頁\一共有59頁\編輯于星期二激活蛋白的效應器結構域激活蛋白的效應器結構域即是激活基因轉錄的激活結構域。轉錄因子上的DNA結合結構域只能讓轉錄因子與特定的順式作用元件結合，以“鎖定”被調節的目標基因，激活基因表達的功能由轉錄因子上專門的激活結構域承擔。已發現三種常見的激活結構域：（1）酸性結構域——富含酸性氨基酸殘基，但常有1個疏水的氨基酸殘基鑲嵌在其中。（2）富含Gln結構域；（3）富含Pro結構域。現在是32頁\一共有59頁\編輯于星期二阻遏蛋白與沉默子結合以后抑制基因表達的三種可能方式現在是33頁\一共有59頁\編輯于星期二轉錄水平調控的實例酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控熱休克蛋白的基因表達調控激素誘導的基因表達調控金屬硫蛋白的基因表達調控生物發育過程中的組織特異性基因表達

現在是34頁\一共有59頁\編輯于星期二酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控酵母細胞內參與利用半乳糖代謝的3個基因GAL1（半乳糖激酶基因）、GAL7（半乳糖轉移酶基因）和GAL10（半乳糖差向異構酶基因），受到半乳糖可得性的協同調節，這3個基因盡管相互靠得很近，但并不象原核生物那樣組成操縱子。在GAL1和GAL10之間有一段上游激活子序列（UAS），它為轉錄因子GAL4蛋白的結合位點。在沒有半乳糖時，GAL4蛋白二聚體與GAL80蛋白組成的復合物與UAS結合，這時GAL80作為阻遏蛋白阻止GAL4激活GAL基因的轉錄；在有半乳糖（同時無葡萄糖）時，半乳糖的代謝物與GAL80上的結合位點結合，改變了GAL80的構象，并導致GAL4的磷酸化從而激活GAL4，GAL基因因此被誘導表達現在是35頁\一共有59頁\編輯于星期二酵母細胞半乳糖代謝相關基因的表達調控現在是36頁\一共有59頁\編輯于星期二熱休克蛋白的基因表達調控與原核生物一樣，真核生物在溫度驟然升高或其它不良因素的刺激下，體內熱激蛋白基因被誘導表達以幫助細胞度過難關。熱激蛋白的基因表達除了啟動子以外還受到HSE和熱激因子（HSF）的控制，其中HSE位于熱休克基因的上游，其一致序列是GAANNTTCNNGAA，HSF是與HSE結合的轉錄因子。就哺乳動物而言，在正常的條件下，其細胞內的HSF以單體的形式存在，缺乏結合DNA的活性；在細胞受熱或受其它不良因素的刺激下，HSF從單體變成三聚體后進入細胞核，并與HSE結合，上調熱休克基因的表達。然而，HSF的三聚體化和與DNA結合還不足以誘導轉錄，因為在酵母細胞內，HSF一直以三聚體的形式存在并始終與DNA結合，因此，HSF在與DNA結合以后還應該有第二步激活步驟。已有實驗證明，酵母和果蠅HSF的第二步激活由超氧陰離子負責。現在是37頁\一共有59頁\編輯于星期二金屬硫蛋白的基因表達調控金屬硫蛋白（MT）是一種富含Cys殘基的小分子蛋白，在細胞內能夠與重金屬離子結合，以清除細胞內過量的重金屬，從而保護細胞免受重金屬毒害。此外，還發現它參與細胞防護活性氧以及調節體內鋅離子的穩定。MT基因平常以較低的水平表達，但遇到過量的重金屬離子或在糖皮質激素的作用下，可大量表達。重金屬離子可誘導MT的表達是因為MT的上游存在MRE，但MRE需要金屬反應性轉錄因子-1（MTF-1）的結合。酵母細胞與MTF-1相當的是ACE-1，該轉錄因子調節依賴于銅的MT基因的表達。ACE-1在N-端一半含有與MT相似的成簇的Cys殘基。銅與成簇的Cys殘基結合改變了ACE-1的構象，ACE-1因此被激活而與MRE結合，從而上調MT基因的表達。至于其它生物內的MTF-1如何被重金屬離子激活的機制尚不十分清楚。現在是38頁\一共有59頁\編輯于星期二生物發育過程中的組織特異性基因表達組織特異性基因表達與組織特異性轉錄因子和組織特異性順式作用元件（如組織特異性增強子）有關，其主要特征反映在以下幾個方面：（1）組織特異性轉錄因子只在特定類型的細胞內表達，通常呈時空特異性的表達；（2）組織特異性的轉錄因子與組織特異性的順式作用元件（主要是組織特異性的增強子）結合，與普遍表達的基礎轉錄因子一起調節基因的表達；（3）某些轉錄因子專門在細胞分化的早期階段表達，作用于受阻遏的染色質上的啟動子，并招募其它蛋白質，促進染色質的重塑，以形成具有轉錄活性的染色質結構；（4）轉錄激活通常還受到其它信號的調節；（5）在整個個體發育階段，一種轉錄因子的表達往往受到另一種轉錄因子的調節，不同的轉錄因子會構成一種復雜的級聯網絡。現在是39頁\一共有59頁\編輯于星期二肌肉形成的三個階段現在是40頁\一共有59頁\編輯于星期二轉錄因子MyoD、Myf5、MRF4和肌肉生成素對肌肉細胞形成的影響現在是41頁\一共有59頁\編輯于星期二果蠅的發育在受精卵形成以后，任何一種真核生物隨后的生長和發育都將涉及到復雜而又精妙的基因表達調控。在發育的每一個階段，受控的基因表達程序是必要的。這種程序是高度可重復的，對每一個胚胎都是相同的所有的發育都開始于一個單一的受精卵，但必須意識到合子和卵細胞的細胞質并不是均一的。一個卵細胞的內部具有非常確定的mRNA和蛋白質的分布，這種分布是在一個正在發育的卵母細胞受到它周圍的滋養細胞和卵泡細胞的作用下形成的。于是母系基因通過這些mRNA和蛋白質對后面的發育進程產生極為重要的影響。在果蠅的發育過程中，有三類基因控制或調節整個發育進程。（1）母系基因——這些基因編碼的是貯存在卵細胞內的mRNA和蛋白質，由它們決定正在發育的胚胎的前后軸和背腹軸的形成。（2）分節基因——這些基因為合子活性基因（在受精后被激活），它們決定體節的數目以及每個體節具有正確的極性（3）同源異形基因——這一類基因通過控制在體節內發育的器官的性質來決定每一體節的性質。一個同源異形基因的突變通常表現在一個身體的器官出現在錯誤的地方。現在是42頁\一共有59頁\編輯于星期二果蠅不同發育階段的基因表達果蠅的前后軸和背腹軸現在是43頁\一共有59頁\編輯于星期二分節基因對體節形成的影響現在是44頁\一共有59頁\編輯于星期二果蠅的同源異形基因的對器官形成的影響以及小鼠同源異形基因的排列

現在是45頁\一共有59頁\編輯于星期二果蠅的同源異形基因的排列現在是46頁\一共有59頁\編輯于星期二選擇性剪接選擇性剪接也稱為可變剪接，它是指一種mRNA前體在剪接反應中某些區段的序列可能被保留，也可能被排除，從而得到幾種不同成熟mRNA產物的過程，它是高等真核生物蛋白質多樣性產生的重要來源。據估計，人類基因組中的基因至少有一半經歷選擇性剪接，平均每個基因有3個~4個剪接變體。選擇性剪接可能是組成型的，也可能是受到調控的。前者是指一種mRNA的不同剪接方式發生在所有的組織細胞內，而后者是指某種剪接方式的發生是有條件的，即具有組織特異性、發育階段的特異性或生理狀態的特異性。受到調控的選擇性剪接可產生組織特異性或發育階段特異性的不同蛋白質的同工異體。選擇性剪接主要有四種方式：（1）外顯子跳過—剪接反應中跳過一個或幾個外顯子，從而導致成熟的mRNA上缺失相應的外顯子；（2）內含子保留—一個或幾個內含子被保留下來而出現在成熟的mRNA之中；（3）可變的3′-剪接位點的使用—3′-剪接位點不止一個，使用不同的剪接位點產生不同的剪接產物；（4）可變的5′-剪接位點的使用—5′-剪接位點不止一個，使用不同的剪接位點產生不同的剪接產物。現在是47頁\一共有59頁\編輯于星期二選擇性剪接的四種方式現在是48頁\一共有59頁\編輯于星期二SV40病毒大T抗原和小t抗原的產生現在是49頁\一共有59頁\編輯于星期二原肌球蛋白mRNA前體的組織特異性選擇性剪接現在是50頁\一共有59頁\編輯于星期二降鈣素mRNA前體的組織特異性選擇性剪接現在是51頁\一共有59頁\編輯于星期二內耳內毛細胞內鉀離子通道蛋白mRNA前體的選擇性剪接現在是52頁\一共有59頁\編輯于星期二果蠅性別決定過程中的選擇性