真核生物的基因转录及调控
真核基因不同水平上的表达调控
真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次（图真核生物基因表达中可能的调控环节）。
但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。
（一）DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。
这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。
其中有些改变是可逆的。
1、基因剂量与基因扩增细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多，细胞保持这种特定比例的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。
例如，有A、B两个基因，假如他们的转录、翻译效率相同，若A基因拷贝数比B基因多20 倍，则A基因产物也多20倍。
组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。
为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。
基因剂量也可经基因扩增临时增加。
两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的一百倍，需要合成大量核糖体。
核糖体含有rRNA分子，基因组中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。
所以在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加了4000倍。
卵母细胞的前体同其他体细胞一样，含有约500个rRNA基因（rDNA）。
在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高达2×106。
这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。
在基因扩增之前，这500个rRNA基因以串联方式排列。
在发生扩增的3周时间里，rDNA不再是一个单一连续DNA片段，而是形成大量小环即复制环，以增加基因拷贝数目。
这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中，包括鱼、昆虫和两栖类动物。
目前对这种基因扩增的机制并不清楚。
在某些情况下，基因扩增发生在异常的细胞中。
例如，人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞繁殖和生长失控。
有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。
真核生物的基因表达调控
转录因子得结构
绝大多数转录因子至少具有以下三种不同得结构域得 一种: (1)DNA结合结构域,直接与顺式作用元件结合得转录因子 都具有此结构域。转录因子通常使用此结构域之中得 特殊α-螺旋与顺式作用元件内得大沟接触,通过螺旋上 得特殊氨基酸残基得侧链基团与大沟中得特殊碱基对 之间得次级健(主要就是氢键)相互识别而产生特异性。 许多转录因子在此结构域上富含碱性氨基酸,这可能有 利于她和DNA骨架上带负电荷得磷酸根发生作用; (2)效应器结构域,这就是转录因子调节转录效率(激活或阻 遏)、产生效应得结构域; (3)多聚化结构域,此结构域得存在使得转录因子之间能够 组装成二聚体或多聚体(同源或异源)。下面将集中介绍 前两种结构域,特别就是DNA结合结构域。
在转录水平上得基因表达调控
真核生物得蛋白质基因得转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础 转录因子以外,还需要其她顺式作用元件和反式作用因子得参与。 参与基因表达调控得主要顺式作用元件有:增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件;参与基因表达调控得反式作用因子也称为转录 因子,她们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因得表达,而阻遏蛋白与沉默子结合, 抑制基因得表达,某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为阻 遏蛋白其作用,究竟就是起何种作用取决于被调节得基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点,但她们能够通过蛋白质与蛋白质得相互作 用而行使功能,作用方式包括:招募其她转录因子和携带修饰酶(如 激酶或乙酰基转移酶)到转录复合物而刺激激活蛋白得活性;辅阻 遏蛋白也缺乏DNA结合位点,但同样通过蛋白质与蛋白质得相互作 用而起作用,作用机理包括:掩盖激活蛋白得激活位点、作为负别构 效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶(如磷酸酶或组蛋白去乙酰基 酶)得活性。
真核生物DNA水平上的基因表达调控
复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之
间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不 同形式的复杂多基因家族。
海胆的组蛋白基因家族 串联单位中的每一个基因分别被转录成单顺反子 RNA，这些RNA都没有内含子，而且各基因在同一条DNA链上按同一方 向转录，每个基因的转录与翻译速度都受到调节。 研究还表明，在一个特定的细胞中，并不是所有串联的单位都得到转录。 胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，暗示可 能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。
一、基因家族 二、真核基因的断裂结构 三、真核生物DNA水平上的基因表达调控 四、DNA 甲基化与基因活性的调控
前述：真核基因组的一般构造特点
① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽 链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一 小部分DNA是裸露的。
真核生物基因调控，根据其性质可分为两 大类：
第一类:瞬时调控或称可逆性调控
它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包 括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶 活性和浓度的调节。
第二类:发育调控或称不可逆调控
是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、 分化、发育的全部进程。
在真核生物中基因表达的调节其特点是:
（1）多层次; （2）无操纵子和衰减子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控主要应回答3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？ ② 基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、mRNA
的成熟或蛋白质合成）实现的？ ③ 不同水平基因调控的分子机制是什么？
分子生物学：真核基因表达调控
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元
件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。
真核生物基因的转录过程和调控方式
真核生物基因的转录过程和调控方
式
真核生物基因的转录过程是指将DNA作为模板，通过RNA聚合酶识别和复制DNA序列并转换成mRNA，从而实现基因信息从DNA到RNA的传递。
真核生物基因的调控方式包括：
1、剪接调控：DNA的剪接可以改变基因的表达，这是由DNA片段的延伸或切断决定的。
2、启动子调控：启动子位于基因上游，它可以调节RNA聚合酶对该基因的转录程度。
一般来说，调控元件如转录因子结合到启动子位点，能够使基因的转录更加有效。
3、调控元件调控：调控元件可以结合到基因的启动子位点，从而改变其转录水平，也可以结合到基因的终止子，从而影响到基因的表达量。
4、miRNA调控：miRNA是一种小RNA分子，它可以与mRNA的3'UTR结合，影响mRNA的翻译或降解。
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物中的基因表达调控是一个复杂而且受多种影响的过程，其机制也极为复杂，主要包括以下七个方面。
一、基因结构调控
基因的结构调控可以通过改变基因的翻译或者转录起始点，改变基因的拷贝数量，改变基因的外显子结构等，从而调节基因表达。
这种机制也称为“结构调控”。
二、编码序列调控
基因编码序列可以用来调节基因表达。
包括基因内部的种类多样性，基因突变等，都会影响基因编码序列，从而影响基因表达。
三、转录因子调控
转录因子可以调节基因转录的开始时间，结束时间，影响基因转录的效率，从而影响基因表达。
四、mRNA加工调控
当mRNA处于加工过程中，其加工过程也会受到调控，这种调控会影响mRNA的翻译效率，从而影响基因的表达。
五、mRNA翻译调控
翻译调控是一种比较常见的调控机制，它可通过影响mRNA的结构、翻译初始效率以及翻译开始时间来调节基因的表达。
六、蛋白质稳定性调控
蛋白质稳定性的调控是指通过改变蛋白质的稳定性，来影响基因
的表达。
七、基因激活与抑制
基因激活与抑制是指通过外界影响，改变激活因子或者抑制因子的表达，来影响基因表达。
以上就是真核生物基因表达调控的七个机制，同时，也是基因组学研究中需要重点关注的重要机制。
第二节真核基因转录水平的调控(精)
第二节真核基因转录水平的调控一、真核生物的RNA聚合酶有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶Ⅰ；RNA聚合酶Ⅱ；RNA聚合酶Ⅲ。
二、真核基因顺式作用元件（一）、顺式作用元件概念指DNA上对基因表达在调节活性的某些特定的调控序列，其活性仅影响其自身处于同一DNA分子上的基因。
（二）、种类启动子、增强子、静止子1、启动子的结构和功能启动子与原核启动子的含义相同，是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。
但真核同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列。
而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录，而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用。
RNA聚合酶Ⅱ启动子结构1）TATA框（TATA frame）：其一致顺序为TATAA(TAA(T。
TATA框中心在-30附近，相当于原核的-10序列（pribnow box）。
对大多数真核生物来说，RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。
TATA框的左右富含G┇C 序列，这就有利于该框与RNA聚合酶形成开放性启动子复合物。
2）CAAT框（CAAT frame）：位置在-75附近，一致序列为GGC(TCAATCT。
CAAT框可能控制着转录起始的频率。
（3）GC框在-90bp左右的GGGCGG序列称为GC框。
一个在-30—+15即核心启动子(core promoter element，另一为上游启动子区(upstream promoter element在-150—-50，不同物种的启动子因子有显著差异，启动子区没有和mRNA的TATA和CAAT盒顺序，故物种间大前体-rRNA基因的转录起始是不同的。
基因间间隔含一个或几个终止信号可终止其之前的基因的转录而其本身不转录，间隔区含多种反向顺序可作为增强子结合转录因子2、增强子的结构和功能增强子（enhancer）：又称为远上游序列（far upstream sequence 。
它是远距离调节启动子以增加转录速率的DNA序列，其增强作用与序列的方向无关，与它在基因的上下游位置无关。
真核基因表达调控的特点
真核基因表达调控的特点
真核基因表达调控有以下几个特点：
1. 基因组的复杂性：真核生物的基因组通常比原核生物更大且更复杂。
真核基因组包含多个非编码区域和大量的调控元件，这些元件可以影响基因的表达水平和模式。
2. 转录的调控：真核生物中的基因表达主要通过转录调控来实现。
转录调控包括转录因子的结合和调节，以及染色质状态的改变。
转录因子是一类能够结合到特定DNA序列上并调控相关基因转录的蛋白质。
它们可以增强或抑制基因的转录，从而影响基因表达。
3. 多级调控网络：真核生物中的基因表达调控是一个多级的网络系统。
这个网络包括许多调控元件、转录因子和其他调控蛋白质之间的相互作用。
这些元件和因子可以形成复杂的调控回路和信号传递路径，从而调控基因的表达。
4. 组蛋白修饰：染色质状态的改变在真核基因表达调控中起着重要作用。
染色质是DNA与蛋白质的复合物，通过不同的化学修饰可以改变染色质的结构和可及性，从而影响基因的转录。
常见的染色质修饰包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化和甲基化等。
5. RNA后转录调控：除了转录调控外，真核生物中还存在着RNA 后转录调控机制。
这些调控机制包括RNA剪接、RNA编辑和非编码RNA 的功能等。
它们可以影响基因的转录后处理和调控基因表达的多样性。
综上所述，真核基因表达调控具有基因组的复杂性、转录的调控、多级调控网络、组蛋白修饰和RNA后转录调控等特点，这些特点共同
作用来调控基因的表达水平和模式。
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8 真核生物的基因转录及调控一选择题(单选或多选)1锌指蛋白与锌的结合 ( )(a)是共价的(b)必须有DNA的存在(c)通过保守的恍氨酸和组氨酸残基间协调进行(d)位于蛋白质的妒螺旋区域2锌指蛋白与DNA的结合( )(a)位于DNA大沟(b) 通过"锌指"的C端进行(c)利用蛋白的α-螺旋区域(d)每个"指"通过形成两个序列特异的DNA接触位点(e)通过"指"中保守的氨基酸同DNA结合3 甾醇类受体转录因子( )(a)结合的激素都是相同的(b) 与DNA的结合不具序列特异性(c)与锌结合的保守序列不同于锌指蛋白"(d)通过第二"指"C端的氨基酸形成二聚体(e)参与转录激活，与DNA和激素结合分别由不同的结构域完成 4糖皮质激素类的甾醇受体( )(b)所结合的DNA回文序列都不相同(c)结合的回文序列相同，但组成回文序列两段DNA间的序列不同(d)RXR受体通过形成异源二聚体后与同向重复序列结合(e)这类受体存在于细胞核中5 同源异型域蛋白( )(a)形成具有三个α-螺旋的结构(b) 主要通过α-螺旋3和N端的臂与DNA接触(c)与原核生物螺旋-转角-螺旋蛋白(如λ阻遏物)的结构很相似(d)通常存在于细胞核中(e)在果蝇早期发育调控中起重要作用6 HLH蛋白( )(a)在序列组成上与原核生物螺旋-转角-螺旋蛋白具有相关性(b)向通过环区与DNA结合(c)形成两个α-螺旋与DNA的大沟结合(d)形成两性螺旋，其中疏水残基位于螺旋的一侧(e)以上都不是7 bHLH蛋白( )(a)在环中含有保守的碱性氨基酸(b) 不能形成同源二聚体(c)非诱导表达(d)通过它们碱性区与HLH相互作用(e)只有与HLH形成异源二聚体后才与DNA结合(f)以上都不是8 以下关于亮氨酸拉链蛋白的叙述哪一项是正确的?( )(a)它们通过保守的亮氨酸残基与DNA结合(b)它们与HLH蛋白相似之处是:它们都具有相邻的DNA结合结构域和二聚化的结构域(c)Jun蛋白可以形成同源二聚体而Fos蛋白不可以(d)Fos/Jun复合物与Jun/Jun复合物结合的DNA序列不同(e)Fos/Jun与DNA的结合比Jun/Jun牢固9选出所有正确的选项:( )(a)基因必须经过完全的甲基化才能表达(b) 具有活性的DNA是非甲基化的(c)随着发育阶段的改变，DNA的甲基化也要发生变化(d)在DNA复制过程中，通过识别半甲基化的酶，甲基化得以保存10下列哪些转录因子含有TBP?( )(a)TFⅡB (b)TFⅢA (c)SLl (d)TFⅡD (e)TFⅢB (f)UBF1 11下列哪些转录因子是装配因子?( )(a)SPl (b)TFⅢB (c) TFⅡH (d)以上都不是12以下关于TBP的陈述哪些是正确的?( )(a)TBP诱导DNA发生弯曲(b)TBP结合于DNA双螺旋的大沟(c)TBP通过与不同的蛋白结合来识别不同的启动子(d)TBP与聚合酶Ⅰ、聚合酶Ⅰ和聚合酶Ⅲ的共同亚基作用13.TATA框存在于( )(a)聚合酶Ⅱ识别的所有启动子中(b)聚合酶Ⅱ识别的大部分启动子中(c)聚合酶Ⅱ识别的极少数启动子申(d)聚合酶Ⅲ识别的所有启动子中(e)聚合酶Ⅲ识别的大部分启动子中(f)聚合酶Ⅲ识别的极少数启动子中14.RNA聚合酶Ⅱ的C端结构域(CTD)的磷酸化与( )相关(a)与起始前复合体的结合(b)TFⅡH的激酶活性(c)TFⅡD 中特异TAF蛋白的存在(d)从起始聚合酶到延伸聚合酶的转换(e)起始因子TFⅡA，TFⅡB及TFⅡD的释放15下列哪个(些)情况能解释为什么一些基因在它们的转录因子存在时并不总是处于活性状态?( )(a)转录因子结合位点的邻近序列(b)有其他蛋白的结合(c)转录因子结合位点的染色质结构状态(d)缺少共激活蛋白(e)以上都是二、判断题1 真核细胞中的RNA聚合酶仅在细胞核中有活性。
2 在RNA的合成过程中，RNA链沿3'→5'方向延长。
3 候选三磷酸核苷通过对生长中 RNA链的α磷酸的亲和攻击加到链上。
4 核不均一RNA是mRNA和 rRNA的前体而不是tRNA的前体。
5 密码子AUG专门mRNA分子编码区的终止作用。
6 Trna fMet的反密码子是TAC。
7 RNA 聚合酶能以两个方向同启动子结合，并启动相邻基因的转录。
但是，模板链的选择由另外的蛋白因子确定。
8 细菌细胞用一种RNA 聚合酶转录所有的RNA，而真核细胞则有三种不同的RNA聚合酶。
"9 转录因子具有独立的DNA结合和转录激活结构域。
10每个转录因子结合位点被单个转录因子识别。
11纠正下列一段话中的错误:在E.coli中，通过RNA 聚合酶同操纵基因的结合来起始转录。
与转录起点碱基互补的 dNTP 同δ亚基结合，然后是第二个dNTP 通过与第一个dNTIP形成2'→5'磷酸二酯键而结合上。
当生成的RNA链约有 12个核苷酸长度时，β’亚基脱离 DNA 聚合酶，RNA 链在全酶的作用下继续延伸。
当 DNA 聚合酶在 RNA链上遇到终止密码子时，转录作用停止。
三简答题1一个tRNA 基因的启动子序列突变将会分别对 (1)基因产物和 (2)细胞或生物体的表型有什么影响?2列举原核生物同真核生物转录的差异。
3增强子具有哪些特点?4哪些转录因子含有 TBP?为什么它们被称为定位因子?请用一个模型解释为什么所有三种RNA聚合酶都能与TBP发生作用?5 什么是转录起始前复合体?6 RNA聚合酶Ⅲ的内部启动子位于起始位点下游50个核苷酸的位置，它是如何被定位并正确起始转录的?7 对带有内部启动子的RNA聚合酶Ⅲ基因有什么样的编码限制因素?8当一段活性转录DNA受损时，模板首先被修复。
请用一个模型解释这一现象。
9 真核生物中，基因的表达受不同水平的调控，请列举其中3种。
10甾醇类转录因子与锌指蛋白类转录因子的区别是什么?11亮氨酸拉链蛋白所识别的DNA有何特点?如何理解亮氨酸拉链转录因子的二聚体结构同识别位点的关系?12 虽然同源异型蛋白与锌指蛋白差别很大，但是它们识别DNA序列的结构元件相似的，这个元件是什么?13协同控制(coordinate control)下的基因是如何被同时激活的?14列出调控转录因子被激活的7种途径，并各举一例。
15许多转录因子是细胞原癌基因的产物，为什么突变的转录因子可能导致癌变?16转录因子能够与装配成核小体的DNA序列结合吗?17有两个模型可以解释染色质中的基因是如何被转录的。
优先模型(Preemnptive model)中，转录因子和RNA聚合酶是如何与启动子结合的?为什么在动态模型中需要ATP?18为什么酵母SWI与SNF基因的突变会影响不同靶基因的转录?19一般认为，染色体中具有多个调控基因表达的结构域。
每个结构域中可以找到那些功能位点，它们的作用如何?20 MyoD是一种bHLH蛋白，对肌肉细胞的发育很重要，它的活性是如何被调控的？21酵母U6 sRNA基因有一个TATA盒位于上游，在基因内有一个弱的A盒，基因下游的远端还有一个保守的B盒。
体外实验时，RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ都可以转录这个基因，但体内实验发现只有RNA聚合酶Ⅲ可以转录它。
如何确定该基因启动子的聚合酶特异性？22举例说明单链核酸中形成茎环结构的重要性。
23用负超螺旋环状DNA样品进行体外转录实验。
但是预实验中并没有获得满意的结果，试讨论改迸实验的可行方法。
24 组蛋白H2A基因在所有细胞中都进行表达，而免疫球蛋白基因只在淋巴样细胞中表达。
两类基因的启动子都含有转录因子Oct-l的结合位点，Oct-l也存在于这两类细胞中，但为什么免疫球蛋白只在淋巴样细胞中表达?25 RNA聚合酶Ⅱ起始转录后，起始复合物必须转变为延伸复合物。
因此聚合酶复合物必须解旋一小段DNA。
在线性DNA上，解旋需要ATP，TFⅡE,TFⅡH和解旋酶活性。
然而，超螺旋DNA的转录并不需要这些因子。
请解释这一现象。
26 RNA聚合酶Ⅲ特异性地转录小分子RNA，但为什么不转录5.8SrRNA?四分析题2 TFⅢA是5SrRNA基因表达所需的转录因子，这个蛋白含有9个锌指结构域，与5SrRNA基因内的一段序列和5SrRNA本身结合。
(1)如何定位TFTA蛋白的DNA结合位点?(2)什么样的突变可以证明锌指是DNA结合所需的?(3)有人发现TFⅢAC端缺失19个氨基酸后与DNA结合的能力与野生型一样，但是不能激活5SrRNA基因的转录，请解释原因。
(4)Xenopus的卵母细胞中合成并贮存了大量的5SrRNA，随着5SrRNA的积累，TFInnA与之结合，这对5SRNA基因的转录有何影响?调控这个过程的机制是什么?4 为什么被RNA聚合酶Ⅲ识别的启动子不常见?5什么是增强子?它们与其他调控序列有何不同?6 在酵母中，上游激活序列是如何调控半乳糖基因的表达?。