医学分子生物学原理之真核基因表达与调控

真核基因表达调控真核基因表达调控的基本特点（管家基因）组成性表达；（奢侈基因）可变性表达（诱导和阻遏）时间（发育相关性）和空间特异性（组织细胞相关性）正性调控为主一、顺式作用元件(cis-actingelement)BADNA编码序列转录起始点概念:真核生物中能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，并对自身基因转录起始有调节作用的DNA序列。第二节真核基因表达调控的分子机制真核生物的顺式作用元件包括三类：

Ⅰ类顺式作用元件——Ⅰ类启动子——RNApolⅠ

Ⅱ类顺式作用元件——Ⅱ类启动子——RNApolⅡ

Ⅲ类顺式作用元件——Ⅲ类启动子——RNApolⅢⅡ类顺式作用元件调控的基因主要是编码蛋白质的基因，少数是snRNA基因。Ⅱ类顺式作用元件包括：

核心启动子(Corepromoter)，增强子(enhancer)，沉默子（silencer），及各种反应元件等。1.核心启动子(Corepromoter)Ⅱ类启动子的核心启动子常由TATA盒、位于TATA盒上游的的上游启动子元件、以转录点为中心的起始子和下游启动子元件，4个元件组合而成。一般位于转录起始点的-60bp~+40bp

。通常一个基因的核心启动子只含有2个或3个元件。⑴

TATA盒(TATAbox)Ⅱ类启动子的TATA盒其中最主要的结构，位于转录起始点上游-30bp处；TATA盒和部分上游启动子元件组成；是TFⅡD识别部位。一般是含TATA序列的6-7bp的核心序列：TATA(A/T)(A/T)，在不同基因中有差异但某些Ⅱ类基因无TATA盒，如管家基因等；功能：确保转录精确而有效地从转录起始序列开始⑵起始子(initiator,inr)以转录点为中心的的保守序列，共有序列为PyPyAN(A/T)PyPy，Py-嘧啶，功能：是某些基因最佳转录所需的⑶下游启动子元件

(downstreampromotorelement,DPE)常位于转录点下游约+30bp处，共有序列为G(A/T)CG，功能：可以补偿TATA盒缺失导致的转录抑制⑷上游启动子元件

(downstreampromotorelement,DPE)概念：是一些位于TATA盒上游的可调节基因转录DNA序列。主要包括：

1）CAAT盒能与CAAT结合转录因子（CTF）和CAAT/增强子结合蛋白（C/EBP）结合

2）GC盒以CCGCCAAT为序列特征，能与反式作用因子Sp1结合。特点：一般位于启始位点-40~-110bp之间，有方向性并与距离有关。作用机制：调节TATA因子与TATA的结合、RNApolⅡ与启动子的结合、转录起始复合物的形成等。核心启动子构成2.增强子概念：能增强启动子活性的DNA序列。特点：

1）能远距离增强启动子的活性；

2）无方向性，在启动子的上游和下游均起作用；

3）对启动子的影响无严格的专一性。作用机制：可能通过与某些调节蛋白的结合改变染色质的结构而发挥作用。3.反应元件概念：能抑制启动子活性的DNA序列。特点：与增强子相似；沉默子与增强子的角色可因调控基因而转换。4.沉默子概念：某些反式作用因子与特定刺激信号结合后，能与某些上游启动子元件和增强子所结合，调节基因表达，这类顺式作用元件即特称中~。种类：激素反应元件、金属离子反应元件、TPA反应元件、血清反应元件等。+1结构基因其他反应元件增强子或沉默子RNApolII转录体系的顺式作用元件CAAT盒

GC盒

上游启动子-110~-40TATA

盒启动子-30还有个别蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。

二、反式作用因子(trans-actingfactor)

cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CbA

mRNA蛋白质AA（一）反式作用因子的主要特点一般具有三个结构域：DNA识别结构域、转录活性域和蛋白质-蛋白相互作用结构域；能识别并结合调控区的顺式作用元件；对基因表达有正性调节（激活）和负性调节（抑制）二种方式。其调节机制涉及顺式作用元件、RNA聚合酶和其它调节蛋白。（二）转录调节因子分类

（按功能特性）*基本转录因子是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。TFI；TFII；TFIIITFⅡ（转录因子）参与RNA-polⅡ转录转录因子功能TFⅡA稳定TFⅡD结合TFⅡB促进polⅡ结合TFⅡD辨认TATA盒TFⅡEATPaseTFⅡF解旋酶特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子：通常为增强子结合蛋白转录抑制因子：通常沉默子结合蛋白分类1辅激活因子：起联结和中介作用

上游因子：协助基本转录因子，提高转录效率和专一性

可诱导因子：时间和空间（组织）特异性地调控转录

分类2指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节（四）反式作用因子结构特点三个结构域蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）转录激活域

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域DNA结合域碱性α-螺旋锌指(zincfinger)碱性亮氨酸拉链碱性螺旋-环-螺旋常见的DNA结合域(DNA-bingingdomain)

1.锌指结构(zincfingermotif)常结合GC盒含1个α螺旋，2个反向平行的β折迭；与Zn2+结合C——CysH——HisNC锌指NC

在亮氨酸拉链近N-端有富含碱性(带正电荷)氨基酸残基的区域，是DNA的结合区。

亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的α螺旋，每两个螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。

两个蛋白质因子的α螺旋通过亮氨酸的疏水作用结合在一起形成拉链结构(二聚体化)2.亮氨酸拉链（Leuzipper）亮氨酸拉链3.碱性螺旋-环-螺旋

4.碱性α-螺旋常结合CAAT盒由碱性氨基酸残基组成。反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合，通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)，最常见的是二异聚体化。（五）DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用第三节真核基因表达的调控基因表达的多级调控基因数目基因激活转录起始

转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰一、DNA和染色体结构对转录的调控1.DNA碱基修饰变化

真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,降低转录活性；甲基化范围与基因表达程度呈反比。2.组蛋白变化

活性染色质:①富含Lys组蛋白水平降低，②H2A,H2B二聚体不稳定性增加，③组蛋白修饰（乙酰化），④H3组蛋白巯基暴露。3.DNA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RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向活化基因侧冀区常有DNaseI超敏位点，对核酸酶敏感，位于调节蛋白结合位点附近。（一）RNApolI转录体系的调节RNApolI转录产物:45SrRNArDNA基因的启动子核心元件（核心启动子）上游调控元件(UCE)：增强转录所需转录因子上游结合因子1：结合二个元件选择性因子1：后结合二个元件二、转录起始调控UBFUBFUCECoreTBPTAFsSL1TBPTAFsUBFUBFRNApolTBPTAFsUBFUBFRNApolRNApolI转录起始UBFrDNAUCE(-156~-10720)Core(-45~+20)+1转录起始点GC丰富（二）RNApolIII转录体系的调节转录产物:tRNA和5SrRNA启动子特点：基因的启动子位于转录区tRNA基因所需转录因子：TFIIIC和TFIIIBtRNA基因启动子：A盒和B盒5SRNA基因所需转录因子：TFIIIC和TFIIIB

还需TFIIIARNA聚合酶III的转录起始Abox(+10~+20)Abox(+10~+20)TFIIICTFIIICTFIIIBTFIIICTFIIIBRNApolIIITFIIICTFIIIBRNApolIII调节基因表达水平决定基因表达的基础水平与RNApolII

结合，决定转录起始点的精确定位+1结构基因决定基因表达的时空特异性。激素，金属离子等反应元件。其他反应元件使转录增强或减弱增强子或沉默子维持基本的表达水平（三）RNApolII转录体系的调节CAAT盒

GC盒

上游启动子-110~-40TATA

盒启动子-25TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEPICDTATABFEDNA起始前复合物（Pre-InitiationComplex，PIC）ARNApolyⅡTATA起始前复合物（PIC）的生成真核生物的转录起始:模板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间不同方案组合，生成有活性、专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。

按不同组合，人类约３.５万个基因，估计需转录因子３００余个即可。（四）转录起始调控模式表达式调节:

需要时才合成,随即被降解;共价修饰:

作用时间较长，常见有磷酸化/去磷酸化、糖基化，都作用于Ser和Thr，有竞争排斥；配体结合：如激素受体类反式作用因子，只有当与激素结合才有活性；蛋白质-蛋白质相互作用：如碱性亮氨酸拉链的二异聚体化主要通过调节反式作用因子的活性控制转录起始；反式作用因子（有活性）反式作用因子（无活性）1.反式作用因子的活性调节2.反式作用因子与顺式作用元件的结合多数：先激活后结合;少数：先结合后激活。3.反式作用因子的作用模式增强子与调基因可以很远，上游启动子亦相隔数十个碱基，如何起作用？作用模式：扭曲、滑动、成环等PEEP扭曲成环EP滑动4.中介因子对转录起始的调控某些反式作用因子是间接通过中介因子起作用PTFⅡBCREB(cAMP反应元件结合蛋白)CBPP5.多重增强子作用金属硫蛋白基因：有4个金属反应元件，2个基础水平增强子（与激活蛋白AP1反应），1个糖皮质激素反应元件，这些增强子不同组合产生不同效应；组合式基因调控：有限的反式作用因子，可以通过不同组合调控不同基因表达。DABB基因关闭CBA基因表达A三、转录后调控5′帽子结构的作用：防止mRNA被5′→3′核酸酶降解；能被帽结合蛋白识别，增强mRNA的可翻译性，没帽子结构，翻译效率降低；促进mRNA从核到胞浆的运输过程；增强mRNA的剪接效率,帽对exon1的剪接尤为重要，需要2个帽结合蛋白参与（CBP80和CBP20）（一）mRNA加帽和加尾的调控意义Poly(A)尾的作用延长mRNA的半衰期限：实际上是一个核酸水解酶降解与Poly(A)聚合酶不断添加A的一种平衡，总趋势是胞浆内Poly(A)逐渐缩短。促进翻译效率：

Poly(A)与Poly(A)结合蛋白（PABP）结合；人为除去二者或其一，均降低翻译效率；机制不详；有些mRNA可通过除去Poly(A)降低翻译水平。（二）mRNA选择剪接的调控作用1.mRNA的剪接真核生物中约5%的pre-mRNA可以有二种或以上的剪接方式，形成多种成熟mRNA，翻译成不同的蛋白质。选择剪接方式：外显子选择：也称外显跳跃，选择不同的外显子进行剪接，成熟mRNA中外显子数目不同；内含子选择：在不同的成熟mRNA中，内含子可全无或保留某一个；相斥外显子：二个外显在不同成熟mRNA中只能出现其一，而不能共存；内部剪接点：剪接点异常，导致成熟mRNA出现的只是某个外显子或内含子的一部分。2.剪接对基因表达的调控凋亡蛋白Bax基因的选择剪接：同一基因产生α、β、γ等蛋白质；α型mRNA中保留全部6个exon，编码192个aa；（正常剪接）β型mRNA中保留6个exon及intron5；编码218个aa；（内含子选择）γ型mRNA中只保留5个exon，少了exon2，仅编码151个aa。选择剪接产生IқBγ:IқBγ通过选择剪接，产生C端截短了的二种异构体IқBγ

1和IқBγ

2（mRNA缺失178个codes），缺少PKA磷酸化位点；形成的NF-қB/IқBγ

1和NF-қB/IқBγ

2，不能解离出活性的NF-қB。正常的NF-қBPKANF-қB/IқBγ

NF-қB（有活性）

+IқBγ

-P（三）RNA编辑的调控作用RNA编辑(RNAediting)

是指转录后成熟的RNA分子的修饰和加工，使得RNA所携带的遗传信息发生改变的过程。RNA编辑有核苷的插入或删除（n个核苷酸）编辑和碱基替换编辑（C→U常见）两种类型。在真核生物的tRNA、rRNA和mRNA中都有RNA编辑。RNA编辑有多种机制，不同生物的编辑需要不同的RNA编辑酶。影响基因的表达，生成不同的氨基酸或新的ORF。编辑可在多种水平被调节，且与人类疾病（肿瘤、AS等）有一定的相关性。•RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工(differentialRNAprocessing)。5.mRNA的编辑(mRNAediting)人类apoB基因mRNA（14500个核苷酸）肝脏apoB100（分子量为500000）肠道细胞apoB48（分子量为240000）mRNA编辑mRNAs的半衰期，如β-珠蛋白在10h以上，生长因子、原癌基因等可能仅30min或更短；真核mRNA稳定性常由特异的去稳定元件控制；常见于3′-端非翻译区（3′-UTR）一为特殊的茎-环结构另为约50nt的AU-丰富序列(AU-richsequence，ARE),一致性序列为(AUUUA)5。这种序列引入可致mRNA的快速降解，去除则不一定会增加mRNA的稳定性。（四）mRNA稳定性调控转铁蛋白3′-UTR长达2.6kb，含10个茎-环结构，其中5个为铁反应蛋白元件（IRE）；如去除这些IRE，则mRNA稳定性降低；当IRE与铁反应蛋白结合，可抑制邻近的特异的去稳定序列；当细胞内Fe2+浓度升高，并与铁反应蛋白结合并使之与IRE解离，转铁蛋白mRNA首先在距3′-末端约1000nt处被酶切，随后迅速被降解。生长因子mRNA的3′-UTR多有导致不稳定的AU-丰富序列；若通过体外重组将此序列引入很稳定的β-珠蛋白mRNA

3′-UTR，则其半衰期会从十几个小时降至几十分钟；组蛋白mRNA的3′-UTR有特殊的茎-环结构，其稳定性受DNA合成的调节；非DNA合成期，多余的组蛋白与这种茎-环结构结合，导致mRNA降解，半衰退期仅十余分钟；DNA合成期，组蛋白与染色体DNA结合，而不与茎环结构结合，mRNA稳定，半衰退期约1小时。四、翻译的可调控性及调控方式翻译起始复合物80S·Met-tRNAi·mRNA形成之前的各个环节均可进行调节；如mRNA的5′非翻译区（5′UTR），各种起始因子（eIF2、eIF-4E），起始AUG的位置和数量等均可进行调节。1.5′AUG对翻译的调控：90%以上的真核mRNA翻译始于最近5′端的第一个AUG；但有的mRNA的5′UTR有多个AUG（称5′AUG），会干扰正常的ORF。某些癌基因存在这类调节!翻译起始的调节2.5′UTR长度的影响:太短会导致40S小亚基不易识别起始AUG;5′UTR少于12nt时,50%以上在40S小亚基起始时会滑起始AUG;AUG前5′UTR以17~80nt最适宜,翻译效率与长度呈正相关.3.阻遏蛋白通过5′UTR调控翻译:

（以铁蛋白为例）5′AUGUAA5′AUGUAA翻译铁结合调节蛋白无翻译五、翻译后加工的调控意义主要因素：肽链中蛋白酶识别位点，决定肽链的降解速度；另一个因素：N-末端氨基酸性质稳定化氨基酸——Met,Ser,Thr,Ala,Val,Cys,Gly和Pro，共8种；胞浆中蛋白都如此类；去稳定化氨基酸——其余12种；N-末端氨基酸是肽链合成后加入的。（一）新生肽链的水解和N-末端修饰

去除