1、 第十八章真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控在真核生物中基因表达的调节其特点是w（1）多层次w（2）无操纵子和衰减子w（3）个体发育复杂w（4）受环境影响较小w短期调节（short- term regulation ）w对环境条件的改变或者细胞的及组织的生理条件的改变作出反应。w长期调节(long-term regulatiion长期调节是受到内在程序化的控制和外界环境的变化关系不大。w基因的活性是指具有表达的基本条件。w基因的表达是指具备表达的充分条件第一节第一节 染色体水平的调控染色体水平的调控w一一. 染色体丢失染色体丢失w马蛔虫（Parascaris equoorum）（2n
2、 =2） 图 18- 马蛔虫受精卵的早期分裂 8 40 图 18- 小麦瘿蚊的染色体丢弃二. 染色体的扩增染色体的扩增w1 . 基因的扩增基因的扩增（amplification） 两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩 增非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码 18S r RNA和28S r RNA的DNA，在卵母 细胞中它们的拷贝数扩大了1000倍w2. 多线染色体多线染色体（polytenne chromosomes） DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区 附近只可复制几次。三. 基因组序列的选择性扩增基因组序列的选择性扩增w1. dhfr 基因w 氨甲喋呤（ methotrexate） w
3、二氢叶酸还原酶(DHFR) w均染色区均染色区（homogeneously staining region, HSR）w双微体双微体(double-minute chromosomes)均染色区均染色区（homogeneously staining region, HSR）双微体双微体(double-minute chromosomes) 1 gene /chromosome Unstable line Extrachromosomal Number of copies changes in daughter ? Stable line Amplified region Genotype is
4、 constant in daughter cells Fig.18- The dhfr gene can be amblified to geve unstable copies that are etrachromosomal (doubleminutes) or stable (chsomosomal) w染色体外的拷贝是怎样产生？w这有两种可能：w（1）复制的附加环可能在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w（2）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。w2.果蝇卵壳蛋白基因的扩增 Fig.18
5、果蝇卵壳蛋白基因的扩增染色体的重排染色体的重排w原核生物 沙门氏细菌的相转变 Mu噬菌体G片断的倒位。w真核生物 最典型的例子是免疫球蛋白在成熟过程中的重排以及酵母的交配型转变. 新搞清的锥虫VSG的重排.第二节第二节 真核生物中染色体的重排真核生物中染色体的重排w一一. .酵母的变配型的转变酵母的变配型的转变w(一) 酵母的变配型表 18-1 交配型控制的各种活性MATaMATMATa/ MAT细胞型aa/交配是是不孢子形成不不可外激素a 因子因子无表面受体结合因子结合 a 因子无1.交配型的转换（switch）w1977年Hicks,T.B.等w提出了暗箱模型（cassette model
6、）w活性暗箱（active cassette）w沉默暗箱（silent cassettes）w沉默子（silencers） Silent cassettes Active cassettes Silent cassettes HML MAT HMR a a Change of mating type occurs when frequent cassette replaces a cassette a Change of mating type occurs when acassette replaces cassette frequent a a No change of mating ty
7、pe occurs when Rarecassette of same type replacesactive cassette a aFig. 18-11 Changes of mating type occur when silent cassettes replace active cassettesOf opposite genotype; when transpositions occur between cassettes of the same type,themating type remauns unaltered .(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .3
8、2.10) a Diffusible factor haploid haploid Surface receptor Surface receptor a Factors bind to receptors haploid haploid Mating a haploid haploid a/ diploid MATa MAT MATa MAT Fig. The yeast life cycle proceeds though mating of MATa and MAT haploids to Give heterozygous diploids that sporulate to gene
9、rate haploid spores. w交配型交配型（matimg-tyne）w外激素外激素（pheromones）w因子是一个13肽（WHWLQLKPGQPMY）w a因子是12肽（YIILGLFWAPY）w（二）交配型的信号传递（signal w transduction） 交配型途径是通过释放而被触发的 因子 受体 GDP GTP 交配型途径 突变体具有组成型活性 受体 由于细胞周期停止 组成型表达是致死的 突变体不能触发交配型途径 受体 GDP 由于对交配因子 无反应故不育图 18-9 a 或因子与受体相互作用触发激活了 G 蛋白，其亚基将信号转递给下一个蛋白(仿 B.Lewin:
10、GENES,1997, Fig .32.2) a-因子或-因子STE2-因子受体 SCG1 STE4 STE18 STE3 a-因子受体 G G G STE20 激酶 STE11 激酶 STE20 激酶Fus1 激酶 Kss1 激酶 Fus3 激酶细胞融合所需 抑制 CLN3 激活接合 STE12转录因子 far1 抑制 CLN2图 18-10 相同的交配型反应是通过另一种外激素与其受体相互作用而引起的。此信号是通过一系列激酶转递给转录因子，在那儿再分别执行一些最终的功能。(仿 B.Lewin:GENES ,1997,Fig .32.3)表 18-2 酵母接合作用有关的基因及功能 基因产物及功
11、能MFa1 MFa 2a-因子STE2-因子受体STE6分泌 a-因子所需asgSsT1分解-因子（蛋白分解酶）MF1 MF2-因子STE3a-因子受体sgSTE13-因子加工SCG1G 蛋白-因子STE1G 蛋白-因子STE18G 蛋白-因子STE5活化asgsghsgSTE12转录因子STE7, STE11激酶（蛋白磷酸化酶）Fus3激酶，关闭细胞周期，开通接合Kss1激酶fus1细胞融合far1关闭细胞周期Kar1核融合SIR阻遏沉默暗盒的表达HO内切酶，起始交配型转换SIN1-6阻遏HO表达SWI1-5为HO表达导致转换所需RME1减数分裂和孢子形成的抑制因子HML/HMR储存沉默的交
12、配型信息asg: a 交配型特异基因群，sg: 交配型特异基因群，hsg: 单倍体特异基因群， HMRa X=704 bp Ya=642 bp Z1=239 bp Z2=88 bpHML W= 723 bp X=704 bp Ya=642 bp Z1=239 bp Z2HMT W X Y Z1 Z2HMTa W X Ya Z1 Z2 图 19-12 沉默暗盒和活性暗盒结构相同，但 HMRa 缺乏侧翼序列。 (参考 J.D.Watson et al:Molecular Biology of the Gene4ed. 1987,Fig.37.4) SIR 1 SIR 2 SIR 3 SIR 4 W
13、 X Y Z W X Y Z X Ya Z EL HML MAT ER HMR a 图 19-13 SIR 蛋白作用 E 区，关闭 HML和 HMR a 的表达。 a 单倍体 功能 功能 功能 a 单倍体 组成型 不表达 组成型 No known functions 细胞 表达 表达 HML MAT a HMR a a1 二倍体 不表达 不表达 受阻遏 2 细胞 HML MAT HMRa 1 2 单倍体 受阻遏 被诱导 组成型 细胞 表达 诱导接合 阻遏 a 接合 图 18-16 asg ,sg及 hsg 在 a 细胞，细胞及二倍体细胞中的表达 (仿 B.Lewin:GENES,1997, F
14、ig .32.6)(a) -细胞 2 a-特异性基因 1 2 -特异性基因 MAT 1 HO RME a/-特异性基因 b)a-细胞 a-特异性基因 a1 -特异性基因 MATa HO RME a/-特异性基因 (C) a/-细胞 1 a-特异性基因 2 -特异性基因 HO RME a/-特异性基因 MATa a1 图 18-15 MAT 基因的调节功能(a) -单倍体；(b)a-单倍体；(c)a/二倍体细胞“ ” 转录； “ ”激活； “ ”抑制 a-specific genes -specific genes PRTF activetes genes constitutively Gene
15、s off: PRTF cannot bind without 1 1a haploid PRTF PRTF PRTF CCATGTAATTACCCAAAAAGGAAATTTACATGG TTTCCTAATTAGTNCNTCAATGNCAG 2 2 + PRTF repress a-specific genes 1 1 enables PRTF to activate target genes N N haploid PRTF PRTF 1 1 TTTCCTAATTAGTNCNTCAATGNCAG 2 2 2 2 C PRTF PRTF C CCATGTAATTACCCAAAAAGGAAATT
16、TACATGG 2 + a12 + a1 repress haploid-specific genes /adiploid 2 a1 2 a1 2 2 CCATGTNANTNNTATCATGGFig. Combinations of PRTF,a1, 1 and2 activate or repress specific groups of genes to correspond With the maping type of the cell信息素和受体转录因子 Y region TTTCAGCTTTCCGCAACAGTATA AAAGTCGAAAGGCGTTGTCATAT HO endon
17、uclease TTTCAGCTTTCCGCAACA GTATA AAAGTCGAAAGGCG TTGTCATAT Fig. 19-18 HO endonuclease cleaves MAT just to the right of Y region , generating sticky ends with a 4 base overhang.(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .32.9) MAT HMR or HML Cut at Y boundary Pairing with donor Degradation of MAT Synthesis of new DNA
18、 Recipient DNA has changed mating type Donor DNA is unchanged Fig.18-19 Cassette substiution is initiated by a double-strand break in the recipint (MAT) locus, and may involve pairing oneither site of the Y region with the donor (HMR or HML) locus . (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .32.10)酵母交配型转换的分子机制 在母细
19、胞和子细胞 a细胞之间发生转换 转换后的第一代细胞 a a不发生转换母细胞a和子 a a a a细胞间发生转换 图 18-20 转还只发生在目细胞中；两个子细胞具有新的交配型。子细胞必须通过一个完整的细胞周期才能变成母细胞，此母细胞又能发生转换 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .32.11) 1200 1000 800 600 4 00 200 起始点 T TATA HO 基因 由 SWI / SIN 基因控制 控制 hsg 和细胞周期 阻遏 阻遏 转录激活 SWI4 SWI5 TCATGTNNANANNTACATCA CACGAAAA a1/2阻遏物 cdc28 SIN
20、6 SIN3+SIN4 控制单倍体特异基因 控制细胞周 图 18-21 一系列的控制系统可阻遏 HO 基因表达，只有在所有的阻遏都失败时 HO 才转录 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .32.12)作用于HO基因转录的三个系统二. 锥虫抗原的变异w锥虫表面糖蛋白(variable surface glycoprotein,VSG)的改变.w锥虫改变VSG的能力对其在采采蝇到哺乳动物的感染循环周期中的生存起主要作用。发育后期型发育前期型短膜虫期采采蝇C乙醇胺磷酸糖脂分裂型非分裂型VSG蛋白基因由内部基本拷贝或端粒基本拷贝通过复制移位到表达位点而产生。或由激活业已存在于潜在表
21、达位点的端粒拷贝而产生。内部基本拷贝仅可通过在表达连接位点(ELC)产生一个重复的拷贝而被激活端粒基本拷贝可被原位激活，当端粒被延伸时限制性片段的大小可以改变一个VSG基因的表达连接拷贝在转座区的两侧含有“不育”区，转座区从VSG编码区上游1kb到其mRNA3末端附近。被转移到ELC的VSG基因DNA长为2.53.5kb,编码区大于1.5kb.三.免疫球蛋白的重排w抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产生一种抗体w1.指令学说：上世纪40年代由Pauling提出w2.克隆选择学说：1957年 Burnet提出w3.体细胞重组学说：上世纪60年代提出， 1976年由利根川进证实。w 产生抗体w
22、B细胞 体液免疫 经法氏囊(Barsa of Fabricius) 细胞分裂w骨髓 经胸腺 调节免疫应答w T细胞 细胞免疫w 杀伤抗元 VL N CL S CH 3 CH 2 S VH C CH1 S S 铰连区 S S C CH 3 CH 2 S S N 图 18-22 免疫球蛋白的结构 表 18-4 不同的 Ig 家族的 V.D.J.C 基因数 V D J C家族人小鼠人小鼠人小鼠人小鼠L64LK100030124498 VK JK CK L V1 L V2 L V3 L Vn 1 2 3 4 C 胚 系 DNA L V1 L V2 J3 J4 C B 细胞 DNA L V2 J3 J4
23、 C 5 3 RNA 初 poly(A) 始转录本 L V2 J3 C 5 3 成熟 poly(A) mRNA VK CK N C 链 蛋白 图 18-12 小鼠轻链基因在发育中通过 V，J 和 C 基因的重组产生了 DNA 的重排 VH D1D12 JH C 胚系 L V1 L V2 L V3 L Vn 1 2 3 12 1 2 3 4 312b2a DNA B 细胞 L V1 L V2 D2 J3 12b2a DNA RNA 5 3 初始转录本 poly (A) 成熟 5 3 mRNA poly (A) L V2 D2J31 成熟的 N C 重链蛋白 VH区 CH区 图 18-24 小鼠免
24、疫球蛋白基因在发育中通过 V，D，J 和 C 基因片断的重组 产生 DNA 的重排，,分别是 IgM,D,G,E 和 A 的基因 七聚体 九聚体 九聚体 七聚体 Heptamer Nonamer Nonamer Heptamer CACAGTG ACAAAAACC GGTTTTTGT CACTGTG GTGTCAC TGTTTTTGG CCAAAAACA GTGACAC V J-C 12bp spacer 23bp spacer V J-C VH J-CH D区 图 18-25 重组位点的保守序列反向或成对排列(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .33.12) 七聚体的末端和
25、编码端相同 V J-C 信号末端 信号末端 V 编码端 编码端 J-C 连接 编码连接 信号连接 图 19-26 保守序列的断裂和重接产生 Ig 基因 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .33.13) wRAG (recombonation active gene)w等位排斥(allelic exclusion)w有效重排(productive rearrangement)w印迹基因(imprinted gene): 等位排斥的一种型式。来源父本和母本的等位基因显示不同程度的作用。如在Huntington氏病中，缺陷基因如来自父本则比来自母本的发病要早。w类别转换 (cla
26、ss switching) 胚系基因(Igo/Igo) V J-C V J-C 有效重排，产生 Igo/Ig+ 无效重排，产生 Igo/Ig V J-C V J-C V J-C V J-C 转录 第二次等位基因重排，产生 Ig+ /Ig 翻译 V J-C Ig 蛋白 V J-C 转录 翻译 Ig 蛋白 图 18-29 有效重排产生了有活性的的 H 和 L 链，并阻遏了等位基因发生同样的重排(参考 B.Lewin:GENES,1997, Fig .33.16) VDJ 3 1 2b 2a 1 2基因转换区 S S3 S1 S2b S2a S S1 S2 SS1重组 VDJ 1 2b 2a 1 21 基因表达 S1 S2b S2a S S1 S2 S1S1重组 VDJ 1 21 基因表达 S1 1 S2图 18-31 重链的类别转换可能由于 S 区之间的的重组和重组 S 位点间的缺失所致 C基因含有 6 个外显子 1 2 3 4 M1 M2 膜结合阶段RNA 在 M2 终止，M1、M2 外显子存在于 mRNA 中 AAAAn 剪接分泌阶段RNA 在4终止，mRNA 中只有前 4 个外显子 AAAAn 剪接图 18-33 膜 IgM 和分泌 IgM 差异的来源 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .33.18)
