第八章真核生物基因表达调控

第八章真核生物基因的表达调控第一节概述真核基因表达调控的特点

发育调控

、正调控、组织细胞特异性、多层次DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平调控翻译后水平调控调控层次核酸分子间的互作蛋白质与核酸分子间的互作蛋白质分子间的互作调控机理蛋白质如何识别DNA特定序列？非特异性结合：蛋白正电区域（由带正电的氨基酸侧链组成），与DNA主链的负电荷产生静电作用，二者距离远，作用力弱特异性结合：蛋白质分子与DNA靶位点形成氢键，使二者距离缩短（1.0~1.5nm），作用力增强P239－245真核生物的基因结构与转录活性基因家族（简单多基因家族和复杂多基因家族）真核基因的断裂结构（组成型剪接和选择型剪接）基因簇与基因家族（Genecluster、Genefamily）基因家族（Genefamily）:真核生物的基因组中许多来源相同，结构相似、功能相关的一组基因①简单多基因家族：5SrRNA基因家族复杂多基因家族：各个成员并不都是相同的

往往以串联重复基因簇的形式出现目前可分为三类：各成员之间有高度的序列一致性串联重复基因簇的特点：拷贝数高几十～几百非转录的间隔区短而一致正好满足组蛋白基因、rRNA基因和tRNA的基因产物被细胞大量需要基因簇（genecluster）：基因家族的各成员紧密成簇，排列成大段的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域③由发育阶段控制的多基因家族：人类珠蛋白的基因家族割裂基因（splittinggene）不连续基因（discontinuousgene）

断裂基因（interruptedgene）概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其它的序列隔开外显子与内含子的可变调控组成型剪接：一个基因的转录产物只产生一种成熟mRNA，编码一个多肽选择性剪接：一个基因的转录产物可以通过不同的剪接方式产生不同的mRNA，翻译成不同蛋白质第一节DNA水平的调控基因丢失染色质结构对基因表达的调控基因扩增基因重排DNA甲基化1、基因丢失：在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性，不可逆。某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体。蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。

2、染色质结构对基因表达的调控：真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的有基因表达活性的染色质DNA对DNaseⅠ更敏感，即DNaseⅠ的敏感性可作为该基因转录活性的标志。常染色质：结构松散，基因表达异染色质：结构紧密，基因不表达3、基因扩增：细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象为满足正常的生长发育需要

两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增果蝇滤泡细胞卵壳蛋白基因的扩增

外界环境因素引起基因扩增

药物诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞中原癌基因拷贝数异常增加。原发性的视网膜细胞瘤中，含myc原癌基因的DNA区段扩增10－200倍。许多致癌剂可诱导DNA扩增。4、基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移动到距它很近的位点而启动转录特异性调节，发生在特殊的细胞类型中酿酒酵母接合型哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接无序的，发生在肿瘤细胞基因组中DNA水平的调控5、DNA甲基化：DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导基因活化和表达5-mC，N6-mA，7-mG“CpG岛”甲基化程度高，基因表达降低去甲基化，基因表达增加甲基化酶类型：日常型甲基转移酶：催化半甲基化，甲基化母链为模板指导，甲基化迅速从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化，无需母链指导，速度慢DNA甲基化抑制基因转录机制：甲基化达到一定程度时，B-DNA转变为Z-DNA，Z-DNA结构收缩，螺旋加深，大沟（蛋白质因子识别）不存在，不利于转录起始。第二节转录水平的调控Britten-Davidson模型顺式作用元件反式作用因子特异性转录调控的机制转录起始复合物的形成转录因子(transcriptionfactor,TF)；启动子与TF结合后，才能被RNApol识别与结合；-25～-30区：TATA盒转录起始的调控真核生物基因的表达调控一、Britten-Davidson模型影响基因表达活性的DNA序列非编码序列包括：启动子、增强子、沉默子等沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用二、顺式作用元件(cis-actingelement)1、启动子核心启动子：TATAbox

上游启动子元件：CAATbox和GCbox2、增强子促进转录，不具有启动子专一性功能与方向，位置无关远距离发挥作用(100~500bp，10Kb)组织或细胞特异性必须有两个(以上)增强子成份紧密相连

增强子的特点P257感染真核细胞的病毒DNA大多具有增强子，可被寄主细胞蛋白质激活。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）：具有糖皮质激素基因的增强子，能在被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中旺盛生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子三、反式作用因子(trans-actingfactor)反式作用因子三个功能结构域

1.DNA结合域(DNA-bindingdomain)；2.转录激活域(transcriptionalactivationdomain)；3.结合其它蛋白的结合域为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。1）螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）2）锌指结构（zincfinger）3）碱性-亮氨酸拉链（basic-leucinezipper，bZIP）4）碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix/loop/helix，HLH）5）同源域蛋白（homeodomain，HD）1、反式作用因子DNA结合域的模式（motif

）1）HTH,Helix-turn-helix2个螺旋被一个转角隔开识别螺旋，与DNA在大沟中特异结合λ阻遏蛋白CRP酵母接合型调控蛋白α1，α2许多调控蛋白都有HTHCys2/His2,经典的锌指结构~23aaCys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-HisCys、His与Zn++结合形成4面体结构，中部芳香族氨基酸保守，疏水串联重复排列，两指间7-8aa锌指数目多少不等2）锌指结构(zincfingermotif)：两种SP1TFIIIA344aa，N端与DNA结合9个锌指，每个～30aa与5srRNA基因内启动子（50bp)结合Cys-X2-Cys-X13—Cys-X2-CysZn++与4个Cys结合DNA结合序列较短，对称无大量重复性锌指例如GAL4，酵母的转录因子哺乳类的固醇类激素受体Cys2/Cys2zincfinger-COOH，每隔6个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面-NH2，富含碱性氨基酸，碱性DNA结合域依靠Leu的疏水作用，2个helix相互缠绕，形成拉链结构3）bzip（P262）40～50aa含2个-helix（15~16aa）,由连接区（12~28aa）连接；两亲性；通过疏水面作用形成二聚体－NH2端为碱性结合区，16aa4）bHLH（Helix-loop-helix）MyoD-DNA缺乏碱性区的蛋白质，即使形成（同、异）二聚体，也无法同DNA结合zyj278最早在果蝇中发现同形异位现象(homeosis):果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎发育的基因从酵母到人类都存在5）同源域蛋白Homeodomain有3个—helixH1与H2平行H2与H3形成HTHmotifH3位于大沟中，与DNA特异结合N末端位于小沟中，与DNA接触真核生物基因的表达调控酸性α-螺旋结构域如GCN4，GAL4富含谷氨酰胺结构域如SP1,AP2,oct1,oct2富含脯氨酸结构域如CTF/NF1不规则的，含双性-helix2、转录激活结构域(transcriptionalactivationdomain)反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动等反式作用因子的组合式调控作用(combinatorialgeneregulation)使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达3、反式作用因子与顺式作用元件的结合成环constitutiveexpressioninducibleexpression4、反式作用因子的种类TF(I，II，III）：通用转录因子(基础因子)：RNA聚合酶结合启动子所必需的蛋白因子转录调控因子(上游因子)：识别并结合在上游元件UPE上，提高转录效率，活性不受调控诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控，调控基因的特异性表达SP1C末端DNA结合域,3个Zn指

2个活化结构域,rich-Gln在大沟中结合GCbox，一个SP1结合～20bp,无组织特异性，作用无方向性，可提高转录10-25倍最初在SV40中发现，普遍存在于脊椎动物中，每个细胞中有6万个ThespecifictranscriptionfactorSP1bindstoGCrichsequenceinTATAlesspromoterglutamine-richdomainsGC250150SP1110TBPzincfingermotifs一种元件可被一种以上的TF识别！一个特定蛋白质能识别不止一种序列！CTF结合CCAATbox，作用于大沟，无组织专一性每个细胞中有30万个有许多蛋白质可与CAAT结合

NF1,腺病毒复制原点的核因子1C/EBP,大鼠肝中CCAAT结合蛋白

CTF家族

CP家族

真核生物的转录因子，虽然具有较高程度的独立性，仍然可能与原核生物的σ因子起着相同作用，即核心酶识别特异序列，并与之结合。所以没有大量转录因子，RNA聚合酶II本身不可能识别真核中数量巨大的启动子。含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝；与转录起点距离不固定，一般位于上游元件或增强子内；常是启动子的上游元件或增强子四、转录水平特异性表达的机制1、应答元件Responseelement

：与诱导型转录因子结合的DNA序列。Eukaryoticresponseelements.ResponseElementTranscriptionFactorConsensusSequenceMREmetalCGNCCCGGNCNCCRECREB(cAMP)TGACGTCAEREEstrogenreceptor雌激素AGGTCANNNTGACCTGREGlucocorticoidreceptor糖皮质激素AGAACANNNTGTTCTHSEHeatshockfactorGAANNTTCNNGAATRE佛波酯TGACTCASRESerumresponsefactor血浆反应因子CC(A/T)6GGEREEthylene乙烯AGCCGCCT*(A/T)6

meanssixAorT;N=any.2、诱导型转录因子活性调控合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化配体结合：如激素与受体的结合蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体3、热休克应答（P281）HSP（heatshockprotein)aa序列高度保守蛋白质功能高度保守是一种分子伴侣chaperonehsp基因核苷酸序列高度保守，如人与E.Coli40～60％多基因家族，多拷贝，成簇存在大部分无内含子，如hsp70，转录后不须剪切即可产生成熟mRNA，适应需要位于hsp基因上游核心序列nGAAn首尾排列：－GAANNTTCNNGAA－

HSE几乎存在于所有的HSP中，其在进化中的保守性是热休克应答普遍性的分子基础之一把HSE连接在其它基因的上游，该基因可获得热诱导性。HSE（heatshockelement）HSF,heatshockfactor，

HSE结合蛋白，热激转录因子DNA结合区：3个螺旋，形成疏水区多聚化区：4个Leu拉链，三聚体有活性C末端（452～488）保守区热休克应答的调控机制常温下，HSF为单体，不与DNA结合（无活性）热激后，多聚化，与HSE结合大量变性和错误折叠的蛋白质出现,与hsp70,hsp90竞争结合,使拉链区暴露,HSF解离，形成HSF单体多聚化与HSE结合产生HSPHSP积累，可与HSF结合脱离HSE热激热休克应答现象普遍存在热休克基因家族是迄今被发现的最保守的遗传系统热休克反应可被多种因素诱导，应激反应shen256真核生物基因的表达调控真核生物基因的表达调控rRNA的加工成熟（核仁）：分子内的切割（初级转录产物45S前体）化学修饰（原核生物碱基甲基化，真核生物核糖甲基化）tRNA的加工成熟：初级转录产物进入细胞质，先经核苷修饰，生成45S前体，再剪接成熟第三节转录后水平的调控mRNA的加工成熟：5’端加帽(cap)和3’端加尾(polyA)使mRNA稳定，在转录过程中不被降解真核生物转录后加工的多样性：简单转录单位