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1、2 染色质修饰和表观遗传调控第08章 真核生物基因表达的调控(Control of Eukaryotic Gene Expression)基因表达开关8.3.1 真核生物DNA水平的调控基因重复基因丢失基因扩增基因重排基因移位活性染色质的影响1.基因重复比如：成熟红细胞能产生大量的可翻译成熟珠蛋白的mRNA，它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因拷贝数基因拷贝数发生了永久性变化所调控的。p315除了复杂的染色体结构之外，重复序列的存在是除了复杂的染色体结构之外，重复序列的存在是真核生物真核生物DNA区别于原核生物区别于原核生物DNA的一个重要特的一个重要特征。征。轻度、中度、高度重复
2、序列三种：轻度重复序列：单拷贝基因；一个基因组中有一个或几个拷贝的序列；例如结构基因基本上属于不重复序列，如蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白等。中度重复序列：l0个至几百个拷贝的序列；各种rRNA、tRNA及某些结构蛋白基因（如组蛋白基因）。高度重复序列：从几百到几百万个，通常说的卫星DNA就属于高度重复序列。补充资料高度重复顺序的生物学功能（意义）a.参与复制水平的调节反向序列常存在于DNA复制起点区的附近。另外，许多反向重复序列是一些蛋白质（包括酶）和DNA的结合位点。b.参与基因表达的调控DNA的重复顺序可以转录到核内不均一RNA分子中，而有些反向重复顺序可以形成发夹结构，这对稳定RNA分子，免遭
3、分解有重要作用.c.参与转座作用几乎所有转位因子的末端都包括反向重复顺序，长度由几个bp到1400bp。由于这种顺序可以形成回文结构，因此在转座作用中即能连接非同源的基因，又可以被参与转位的特异酶所识别。补充资料d.与进化有关不同种属的高度重复顺序的核苷酸序列不同，具有种属特异性，但相近种属又有相似性。如人的卫星DNA长度仅差1个碱基（前者为171bp，后者为172bp），而且碱基序列有65是相同的，这表明它们来自共同的祖先。在进化中某些特殊区段保守的，而其他区域的碱基序列则累积着变化。e.与个体的特异性有关，同一种属中不同个体的高度重复顺序的重复次数不一样，这可以作为每一个体的特征，即DNA
4、指纹f.卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关，即同源染色体之间的联会可能依赖于具有染色体专一性的特定卫星DNA顺序 补充资料 g.位于蛋白质编码区的重复序列，如果发生扩展或减缩，将会因为发生移框突变或因延长的有害mRNA的生成，而使基因丧失功能或重新获得新的功能。h.位于基因5UTR（untranslated region非翻译区）的重复序列的变异，可以通过影响基因的转录和蛋白质的翻译而起到调节基因表达的作用.i.位于3UTR端的重复序列的扩展，可以导致转录滑移，并产生延伸的mRNA，又可以进一步地影响mRNA剪切或影响其他的生物功能。j.位于内含子处的
5、重复序列的扩展或缩减，也可以影响基因转录、mRNA的剪切或mRNA向胞质的输出。补充资料2.染色体丢失：染色体丢失：在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。去除这些基因的活性。1、低等生物的染色体丢失：、低等生物的染色体丢失：某些某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中体发育中，许多，许多体细胞常常丢失体细胞常常丢失掉整条或部分的掉整条或部分的染染色体色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。保留着整套的染色体。2、高等真核生
6、物（包括哺乳动物、开花植物）、高等真核生物（包括哺乳动物、开花植物）大部分体细胞中保留着整套的染色体，而生殖细大部分体细胞中保留着整套的染色体，而生殖细胞中丢失一半的染色体：胞中丢失一半的染色体：减数分裂减数分裂 个别类型体细胞中，哺乳动物成熟的个别类型体细胞中，哺乳动物成熟的红细胞，红细胞，丢失全部染色体丢失全部染色体四膜虫：大核：营养核可转录 小核：生殖核无转录活性大核由小核发育而来，发育过程中有多处染色质断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存在可能抑制了基因的正常表达。四膜虫原生动物门纤毛虫纲的单细胞动物，学名：Tetrahymena thermophila，端粒酶最早是在四
7、膜虫中发现的 1 组织中整个染色体组扩增：内多倍体现象在动物中（包括人类在内）是相当普遍的。人在1120岁时肝细胞中常出现四倍体，到21岁以后就出现八倍体。家蚊(Culex pipiens)幼虫的肠壁细胞核也存在内多倍体，它的二倍体染色体数是6,而肠壁细胞中的数目有12，24，48，96,甚至达到192。植物中在果实永久组织中也有8n，甚至多达32n的多倍性细胞。果蝇等双翅目昆虫的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体（polytene chromosomes）（含多于1000条染色单体）。George Rudkm 早在1960年就指出：果蝇唾腺的多线染色体其常染色质DNA
8、可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次补充基因组拷贝数增加，即基因组拷贝数增加，即多倍性，多倍性，在植物中是非常普在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。和最终物种形成的一种方式。发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的发育控制含量的发育控制 利用流式细胞仪对从利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶段的组织中分离到的间期拟南芥不同发育阶段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的细胞核进行分析，
9、发现多倍体的DNA含量与含量与组织的成熟程度成正比。组织的成熟程度成正比。多倍体的DNA含量随着组织成熟程度而升高茎？莲座叶花抽薹薹生叶2 发育中的编程性扩增page317其一：特定的基因簇的染色体外扩增-基因扩增基因扩增某些某些基因拷贝数专一性增大基因拷贝数专一性增大的现的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因象，它使得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，是基因活性产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。调控的一种方式。这是一种通过这是一种通过改变基因数量改变基因数量来来调节基因表达调节基因表达产物的水平产物的水平如非洲爪蟾卵母细胞中如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的
10、基因扩增是因的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。发育需要而出现的基因扩增现象。非洲爪蟾卵母细胞rDNA 的染色体外扩增:为储备大量核糖体以供卵细胞受精后发育的需要，通常都要专一性地增加编码核糖体rRNA的基因（rDNA）rDNA的滚环复制：拷贝数由15002106，总量可达细胞DNA的75%，当胚胎期开始后，所合成的rDNA失去需要而逐渐降解消失。环化负子蟾科，学 名：Xenopus laevis，没有舌头只能利用其前肢搅食水中的无脊椎动物，分 布：南非的热带草原 page3172、发育中的编程性扩增其二：特定的基因簇的染色体内原位扩增在在黑腹果蝇的发育中，黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋白基
11、因卵壳蛋白基因在基因组在基因组中通过复制的重叠环而中通过复制的重叠环而被扩增。被扩增。卵壳蛋白是由多倍体的卵泡细胞合成和分泌的。卵壳基因成簇排列，在黑腹果蝇中已鉴别出两组。在卵泡中其中一组位于X染色体上的基因，在表达之前经4次重复，扩增了16倍；另一组基因在第 染色体上，它们经6次重复，扩增了64倍。卵壳基因簇重叠环重叠环page317可变区恒定区恒定区可变区恒定区恒定区免疫球蛋白结构Antibody IgG structure可变区、恒定区基因座在DNA上的排列相距较远但是在细胞分化的不同阶段，不同细胞中的这些基因座排列位置发生了变化基因座重新排列转录时又发生了选择性剪接产生的蛋白质发生了多
12、样性变化免疫球蛋白基因重排的描述8.1.3 真核生物染色体水平上的基因表达调控抗体基因重排的生物学意义：它发生在淋巴细胞分化的时候，基因重排的结果是产生多样化的抗体，在不增加基因组容量的情况下，通过基因重排，可以满足对多样化的抗原的应答反应，关于免疫球蛋白的轻链和重链的基因重排，请参见另一个PPT。这里只需要知道：与体细胞或生殖细胞不同，B细胞或T细胞中，编码产生免疫球蛋白的V基因片段和C基因片段要发生重排。淋巴细胞系是具有特异免疫识别功能的细胞系。按其分化，表面受体和功能的不同淋巴细胞分为B淋巴细胞和T淋巴细胞两类。T淋巴来自于骨髓干细胞，经胸腺（Thymus）加工逐步分化而成，故称为T细胞
13、。其功能是调节免疫应答，杀伤抗原，但不分泌抗体，故称为细胞免疫。B细胞是在鸟类的法氏囊（Bursa of Fabricins）和哺乳动物的骨髓内分化成熟，不经胸腺，故称为B淋巴细胞。其主要功能是分泌免疫球蛋白（ig），故称为体液免疫。酵母的基因重排控制了性别类型两种性别：结合型 MATa、MAT 单倍体单倍体有性生殖酵母的母细胞中可以发生性别转换酵母的母细胞中可以发生性别转换性别转换的机制是基因重排磁带模型磁带模型活动磁带盒活动磁带盒沉默磁带盒沉默磁带盒HO内切酶切内切酶切点处的序列点处的序列以左边 为模板合成为模板合成MAT 取代取代MATa高频转换低频转换24bp的作用位点aaaaaaa
14、活性的沉默的沉默的性别转换 伴随着基因沉默沉默盒与活性盒的结构几乎是相同的，但只有活性盒的基因才能得到表达，其原因是在两个沉默盒的两侧均存在沉默子（silencer）序列，HML 位点两侧的沉默子叫EL 和IL；HMRa位点两侧的则称之为ER和IR。沉默位点的阻遏作用依赖于4个SIR（silent information regulator）位点，任何位点的突变将导致沉默盒的表达和性转换的特异性降低。此外，在每一个沉默子中都存在一个ARS序列，该位点被ORC（origin recognition complex）结合，在性别转换时进行DNA的复制。RE位点的开启直接关系到性别转换的方向。REr
15、ecombination enhancer.HMR位点基因表达的抑制作用位点基因表达的抑制作用基因或基因或DNADNA的重排的其他生物学意义的重排的其他生物学意义1.1.DNADNA重排广泛存在于动物、植物和微生物的体细胞重排广泛存在于动物、植物和微生物的体细胞基因组中基因组中;2.2.DNADNA重排可能导致重排可能导致DNADNA顺序的变化，顺序的变化，DNADNA的扩增、丢的扩增、丢失或修饰；失或修饰；3.DNA3.DNA重排可能产生新基因，用于特定环境中的表达，重排可能产生新基因，用于特定环境中的表达，如动物的免疫球蛋白；如动物的免疫球蛋白；4.DNA4.DNA重排可能是改变已有基因的
16、表达模式，用于调重排可能是改变已有基因的表达模式，用于调控其他基因的表达。控其他基因的表达。5.开放型活性染色质基本观点基因的活性转录是在常染色质上进行的真核细胞中基因转录的模板模板是染色质而不是完全裸露的DNA常染色质特定区域解旋松弛成活性染色质形成自由DNA染色质的两种状态而且能够通过修饰相互转换染色质重建改变了待转录基因的启动子处的核小体的组织形式，便于转录装置与启动子靠近“启动子核小体”可能是控制基因转录的大门组蛋白的修饰影响染色质的结构p316染色体和染色质是细胞间期中不同阶段的两种存在形态。呈伸展状态的区段称为常染色质；呈卷曲凝缩状态的称为异染色质。常染色质异染色质常染色质是染色质
17、的主要成分，常染色质的凝缩状态同基因的活性相关联，其凝缩程度很可能支配着基因的活性。活性表达状态的基因一定处在常染色质中；常染色质中的基因并非全处于活性状态，通常只有一小部分基因在进行转录。按染色质上基因功能状态的不同可将常染按染色质上基因功能状态的不同可将常染色质分为色质分为活性染色质活性染色质和和非活性染色质非活性染色质。活性染色质活性染色质是指具有转录活性的染色质；是指具有转录活性的染色质；非活性染色质非活性染色质是指没有转录活性的染色质。是指没有转录活性的染色质。活性染色质特征活性染色质特征1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.DNA拓扑结构
18、变化拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后呈正超螺旋基因活化后呈正超螺旋3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，基因活化后，的胞嘧啶被甲基化，基因活化后，DNA通常是去甲基化的，而通常是去甲基化的，而且甲基化范围与基因表达程度呈反比且甲基化范围与基因表达程度呈反比4.组蛋白变化组蛋白变化 富含Lys组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露活性染色质的结构 在结构上在结构上：“开放”，疏松 染色质结构较伸展，核小体组蛋白高度乙酰化，DNA中CpG多为去甲基化；位于基因5端启动子区域出现DNaseI
19、超敏感位点，每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，典型的特征是染色质结构域的出现活性染色质特征活性染色质特征1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后呈正超螺旋基因活化后呈正超螺旋3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，基因活化后，的胞嘧啶被甲基化，基因活化后，DNA通常是去甲基化的，而通常是去甲基化的，而且甲基化范围与基因表达程度呈反比且甲基化范围与基因表达程度呈反比4.组蛋白变化组蛋白变化 富含Lys组蛋白水平降低 H2A,H2B
20、二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露活性染色质的结构 在结构上在结构上：“开放”，疏松 染色质结构较伸展，核小体组蛋白高度乙酰化，DNA中CpG多为去甲基化；位于基因5端启动子区域出现DNaseI超敏感位点，每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，典型的特征是染色质结构域的出现灯刷型染色体上的环状结构是一种活性染色质结构正在转录的基因用DNase I处理降解的DNA浓缩区开放区核基质：由非组蛋白的纤维蛋白和大分子RNA组成的三维网架体系活性染色质的结构活性染色质的结构功能域染色质染色质染色质结构域功能域染色质结构域：连接在核基质上的DNA环，基因活化前的基本结构，以30nm染
21、色质纤丝形式存在染色质结构域上的特定区域活化，发生暂时的核小体解离，称为功能域核基质结合DNA：附着在基质上富含AT的DNA，MAR或SAR补充解释解释 MAR：matrix-associated region,核基质相关区域，或核基质结合区，核基质相关区域，或核基质结合区，又称为又称为SAR，scaffold attachment region 支架结合区域支架结合区域High-levelexpressionof genes in loopHistone modifying enzymes Chromatin remodeling complexes RNA polymeraseLooped
22、 domain30nm fiber补充功能域功能域局部区域发局部区域发生了核小体生了核小体的解离。的解离。染色质重建染色质重建？功能域的局部结构核基质结合区？座位控制区？绝缘子？12基因转录时核小体伸展状态和压缩状态的转化是可逆的，局部区域发生了核小体解离，这种现象称为染色质重建转录浓缩区开放区补充活性染色质的开放状态，即核小体构象发生改变，活性染色质的开放状态，即核小体构象发生改变，在功能上在功能上：有利于转录调控因子与顺式调控元件结合，有利于转录调控因子与顺式调控元件结合，有利于有利于RNARNA聚合酶在转录模板上滑动。聚合酶在转录模板上滑动。活性染色质的功能典型的特征是染色质功能域的形成
23、补充染色质活化机制染色质重建chromatin remodeling活性染色质局部结构发生核小体的结构由压缩状态向伸展状态发生的可逆变化。是由重建复合体完成的。经过染色体重建，改变了核小体的结构，暴露出转录激活蛋白的结合位点和TATA box等RNA聚合酶的结合位点染色质活化的描述染色质重建发生转录之前，包括核小体结构的消除或改变，DNA本身局部结构的变化：如双螺旋的局部超旋或松弛、DNA从右旋型变为左旋型等，形成自由DNA这些变化可导致结构基因暴露出来，促进转录因子与启动子DNA的结合，从而导致基因转录。P316line5染色质重建需要重建复合体（Remodeling complex）的参与
24、重建复合体的中心是它的ATP酶亚基补充染色质重建chromatin remodelingchromatin remodeling 1/2组蛋白八聚体可以在DNA上滑动，改变特定序列在核小体表面的位置补充chromatin remodeling 2/2核小体之间的间距也可以发生变化；特定序列的核小体可能被重建复合体临时取代染色质重建的结果：基因开启补充真核生物染色质结构域的边界元件真核生物染色质结构域的边界元件真核生物中活跃的结构域和非活跃的结构域在功能和结构上都是独立的，它们是由边界元件所界定的。迄今为止，已发现三类边界元件：核基质结合区座位控制区绝缘子。补充资料定义：真核基因组的DNA序列中
25、，能特异性地与核基质紧密结合的区域即为核基质结合区(MAR)。MAR位于DNA上各转录单位的交界处，是DNA在核基质（染色体支架）上的附着点。功能：这是通过一些特异的MAR结合蛋白与核基质结合，从而将染色质锚定在核基质上，以防其自由转动，并使DNA发生解链。同时还将DNA隔离成许多拓扑学限制性的功能区域，每个功能区域就形成一个拓扑学解旋的环，每个环就是一个转录单位。解释1、核基质结合区MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平倍以10上，说明MAR在基因表达调控中有作用补充资料功能：LCR是一种基因座位控制区域，它可以使得相关基因尤其是基因簇在
26、基因组任何位置上都能表达，换言之，LCR具有稳定染色质疏松结构的功能。解释：定义：是调控一群相邻基因表达的边界序列。通常位于基因簇5端的多个DNA酶高度敏感位点组成。如哺乳动物-珠蛋白基因簇的LCR对基因簇中所有的基因在发育过程中的正确有序的表达起调控作用。2、座位控制区(LCR)补充资料解释：当用DNA酶I处理染色质时，发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。染色质的这种容易被DNA酶I影响的结构称为“活性染色质”。基因和活化首先从活性染色质开始。功能结构域的形成和维持，至少在部分结构域中是由称作“基因座控制区 locus control region，LCR”的
27、DNA序列完成的。这些序列为DNA结合蛋白提供了识别和结合的位点，也就是这些结合蛋白而不是DNA序列本身来控制开放功能结构域的。至于发生哪些信号应答，gene 8。补充资料3、绝缘子 insulator基本概念绝缘子是一类新近发现的边界序列，它能阻止邻近调控元件对其所界定的基因启动子起增强或者抑制作用 Insulator MAR LCRTranscriptionunitsTranscriptionunitsInsulator?真核生物染色质结构域的边界元件绝缘子是一类不同于增强子和沉默子的基因调控元件，它是通过阻断邻近的调控元件与其所界定的启动子之间的相互作用而起作用的。Cai和Levine发
28、现，绝缘子能有极性地抑制增强子的功能。即，它只能抑制处于绝缘子所在边界另一侧的增强子的作用，而对与绝缘子处于同一染色体结构域的增强子没有作用。绝缘子的调控是一个复杂的过程，它是由许多蛋白质因子参与的。进一步阐明其作用机理还有待今后大量深入的研究工作 补充资料补充资料insulator绝缘子：真核生物染色质结构域的边界元件,具有双重功能，它能阻止邻近调控元件对其所界定的基因启动子起增强或者抑制作用。它既可以抑制整个功能区的激活作用向功能区之外扩散，又可以抑制功能区的阻遏作用向功能区之外扩散。When it is palced between an enhancer and a promoter,it prevents the enhancer from activating the promoter.When it is palced between an active gene and heterochromatin,it protects the gene against the inactiviating effect that spreads from the heterochromatin.。补充资料