真核生物的基因调控

第八讲真核生物的基因调控

一、真核生物的基因结构特点

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。

③高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。

④真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。

⑤在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5'上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑RNA聚合酶与它的结合。

⑥真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。

⑦许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程（maturation and splicing），才能顺利地翻译成蛋白质。

二、真核生物的转录特点

原核生物中，密切相关的基因往往组成操纵子，并且以多顺反子mRNA 的方式进行转录，整个体系置于一个启动子的控制之下。真核生物的DNA 是单顺反子，很少有置于一个启动子的控制之下的操纵子。真核生物中许多相关的基因按功能成套组合，被称为基因家族（gene family）。

1、基因家族

一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因。可能由某一共同祖先基因(ancestral gene)经重复(duplication)和突变产生。

基因家族的特点：

①基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)或串联重复基因(tandemly repeated genes)，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；

②有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，这些不同成员编码一

组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因；

③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)。假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功能的基因，但由于缺失，倒位或点突变等，使这一基因失去活性，成为无功能基因。与相应的正常基因相比，假基因往往缺少正常基因的内含子，两侧有顺向重复序列。人们推测，假基因的来源之一，可能是基因经过转录后生成的RNA 前体通过剪接失去内含子形成mRNA，如果mRNA经反复转录产生cDNA，再整合到染色体DNA中去，便有可能成为假基因，因此该假基因是没有内含子的，在这个过程中，可能同时会发生缺失，倒位或点突变等变化，从而使假基因不能表达。

1）简单基因家族

2）复杂基因家族

海胆，5个基因组成串联单位，可以重复1000次。串联单位中的每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。3）发育调控的复杂基因家族

在生物个体不同发育阶段，出现几种不同形式的α和β亚基。人的α－珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上，其中ζ为胚胎期基因；β－珠蛋白基因簇位于11号染色体短臂上，其中ε为胚胎期基因，Gγ和Aγ为胎儿型基因，δ和β为成人期基因。在每个基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序。

原始珠蛋白大约产生于8亿年前，由单基因编码，现代珠蛋白基因家族是由同一个原始基因通过一系列重复、突变和转位演变而成的。随着物种的进化，动物的体积相对变大，对氧的需求量越来越大，在进化压力下，血红蛋白基因通过自发突变产生杂合基因，编码出对氧的结合和释放能力要大大高于单分子血红蛋白的四聚体。在哺乳动物的进化中，β链基因又发生突变和重复，形成了胎儿中的ε和γ型珠蛋白。胎儿血红蛋白对氧的亲和力比成人更大，因而利于胎儿得快速发育。

4）假基因

1977年，G·Jacp在对非洲爪赡5SrRNA基因簇的研究后提出了假基因的概念，这是一种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。假基因的发现是真核生物应用重组DNA技术和序列分析的结果。现已在大多数真核生物中发现了假基因，如Hb的假

基因、干扰素、组蛋白、α球蛋白和β球蛋白、肌动蛋白及人的rRNA和tRNA 基因均含有假基因。由于假基因不工作或无效工作，故有人认为假基因，相当人的痕迹器官，或作为后补基因。

除了多种多样的遗传缺陷外，大多数返座假基因具有以下4个较鲜明的特征：a) 完全缺失存在于功能基因中的间隔序列，即内含子序列；b) 假基因的序列只与功能基因转录产物的起点和终点之间的序列相似，而与其5’端调控序列无关。但是鼠Ψα3-珠蛋白假基因［7］，鼠促皮质素-β-脂蛋白前体假基因［8］、人免疫球蛋白ε及λΨ1假基因［9，10］是其中的例外；c) 假基因的3’末端紧接着有多聚腺嘌呤尾。以上3个特征明显提示这些序列是从成熟mRNA衍生而来，因此这类假基因又被称为处理后的假基因(图1)。

d) 这类假基因的序列两端常被7～21bp的正向重复序列包围。这种正向重复序列也在snRNA假基因家族和AluⅠ家族中被发现，提示正向重复序列的产生可能是一种共同的插入机制的结果。

通过分析基因组序列发现，基因组中存在着与基因数量几乎相等的假基因，假基因是功能基因的缺陷拷贝。在过去的几十年中，假基因一直被认为是分子化石，是进化中基因突变的遗迹。而2003年5月日本学者Hirotsune的报导第一次揭示了假基因的功能。

Hirotsune等人将果蝇的sex－lethal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。进一步研究发现，sex －lethal基因插入到makorin1－p1假基因中部，破坏了该假基因的转录。makorin1－p1是makorin1基因的假基因。如果将假基因makorin1－p1敲除，makorin1基因将被关闭。这说明，基因makorin1的表达受到其同源序列假基因的控制。

2、DNA水平调控

1）染色质结构影响基因转录

细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在核内，称为常染色质（euchromatin），染色质常常会在特定的区域被解旋松弛，形成自由的DNA，DNA本身局部结构发生变化，导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA的结合，诱发基因转录。

松散的染色质中的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后不像其他部分解旋松开，仍保持紧凑折叠的结构，在间期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质（hetrochromatin），其中从未见有基因转录表达。

原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达；哺乳类