第十二章 真核基因表达调控1

真核基因表达调控Controlofgeneexpressionineukaryote主要内容

1引言2DNA水平的基因表达调控3转录水平的基因表达调控4转录产物的加工转运调控5翻译水平的基因表达调控6小结1引言1.1真核生物基因组结构特点1.2真核基因表达调控水平1.1真核生物基因组结构特点（1）基因组大，基因多，存在大量重复序列，大部分与组蛋白和非组蛋白结合在一起；（2）基因主要以单顺反子形式存在；（3）多数基因是断裂的；（4）存在基因家族；（5）基因表达的调控位点多，位置多样化；（6）部分基因组序列存在重排、扩增、丢失等规律性变化。1.2真核基因表达调控水平在高等真核生物中，各种细胞表型的差异很大程度上取决于那些由RNA聚合酶Ⅱ转录的可编码蛋白质的基因在表达上的不同。Corestage：Initiationoftranscription2DNA水平的基因表达调控2.1染色质状态对基因表达的调控2.2DNA结构的规律性变化与基因表达调控

2.1.1染色质的两种状态2.1.2DNA表达状态的调控模型2.1.3修饰作用与染色质状态的关系2.1染色质状态对基因表达的调控2.1.1染色质的两种状态按功能状态的不同可将染色质分为：（1）活性染色质（有转录活性）（2）非活性染色质（没有转录活性）染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键。活性染色质的核小体发生构象改变，具有松散的染色质结构，从而便于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。2.1.2DNA表达状态的调控模型(1)细菌DNA(化学平衡模型)对细菌基因表达与否，惟一相关的因子是阻抑物或激活剂的浓度，它在游离形式和与DNA结合形式之间形成一种平衡。(2)真核生物DNA(不连续状态的改变)存在着活性和非活性两种状态，转录复合体或核小体可能形成两种稳定结构，它不会由于游离成分平衡的变化而改变。Ifnucleosomesformatapromoter,transcriptionfactors(andRNApolymerase)cannotbind.Iftranscriptionfactors(andRNApolymerase)bindtothepromotertoestablishastablecomplexforinitiation,histonesareexcluded.2.1.3修饰作用与染色质状态的关系修饰作用主要包括:组蛋白的乙酰化（与基因活化有关）组蛋白的甲基化（与基因失活有关）DNA的甲基化（与基因失活有关）

Acetylationofhistonesactivateschromatin,andmethylationofDNAandhistonesinactivateschromatin.2.2DNA结构的规律性变化与基因表达调控2.2.1基因的丢失2.2.2基因的扩增2.2.3基因的重排2.2.4DNA的甲基化2.2.1基因的丢失在细胞分化过程中，可通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常丢失整条或部分染色体，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。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中很少发现类似的基因丢失现象。2.2.2基因的扩增

在真核生物中，大部分的染色体DNA在每次细胞分裂周期中都只复制一次。但有例外：

首先，许多昆虫的某些细胞，如唾腺细胞染色体不经发生细胞分裂就可进行重复复制。这种现象叫做多线性(polyteny)。其次，有一些DNA病毒如SV40，同样也能够克服每个细胞分裂周期只复制一次的局限。

第三，在没发生细胞分裂、整条染色体几乎没复制情况下，染包体的某特定区段却能进行超量复制(overreplication)，而且这种情况在许多类型细胞和发育阶段都能正常发生。非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加2.2.3基因的重排与变换基因的重排分两种类型:(1)有序：在特殊细胞类型中，或是在特殊刺激下产生的一种高度特异重排。如：免疫球蛋白结构基因的表达。(2)无序：由重复元件之间的重组事件、转座子的转座等产生的染色体的重新排列。基因的变换：基因序列的改变导致一个基因变成另一个基因。如酵母中的交配型转换。2.2.4DNA的甲基化(1)碱基甲基化的形成部位(2)DNA甲基化的位点(3)与DNA甲基化作用相关的三种酶(4)DNA甲基化抑制基因转录的机理(1)碱基甲基化的形成部位(2)DNA甲基化的位点★大多数DNA的甲基化位点存在于双链CpG岛的胞嘧啶上。★2%~7%的动物细胞DNA胞嘧啶是被甲基化的（数值依物种而变化）。大多数甲基基团能在CG“双联体”中被找到，事实上，大多数CG序列是被甲基化的。★形成的回文结构为：5`mCpG3`3`GpCm5`(3)与DNA甲基化作用相关的三种酶♣重新合成甲基化酶(denovomethylase):在新位点通过识别特异序列识别DNA，它只作用于非甲基化位点；♣维持甲基化酶(maintenancemethylase):组成型地作用于半甲基化位点，把它们转变成完全甲基化位点。♣去甲基化酶(demethylase)

：还没有被鉴定出来。Thestateofmethylationiscontrolledbythreetypesofenzyme.Denovoandperpetuationmethylasesareknown,butdemethylaseshavenotbeenidentified.(4)DNA甲基化抑制基因转录的机理作用机理：DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。启动子强度弱弱强强甲基化-+-+低密度CpG高密度CpGCpG岛DNA甲基化对基因转录的抑制作用XistX染色体其他位点甲基化、不转录活性去甲基化、活性去甲基化、转录失活甲基化、失活Xist基因甲基化与X染色体失活雌性哺乳动物细胞发育过程中，X染色体随机失活。Xist基因的表达是决定X染色体失活的关键因素。而表达与否与甲基化修饰密切相关。3转录水平的基因表达调控3.1顺式作用元件3.2反式作用因子

3.3真核基因转录调控的主要模式3.1顺式作用元件3.1.1基本概念3.1.2顺式作用元件的分类3.1.1基本概念顺式作用元件(cis-actingelements)

基因周围能与特异转录因子结合而影响基因转录的DNA序列。顺式作用(cis-acting)顺式作用元件对基因表达起调控作用的过程。3.1.2顺式作用元件的分类（1）启动子（2）增强子（3）绝缘子（4）转座子（5）其他应答元件（1）启动子(Promoter)①定义②作用特点③作用机制④分类

①定义位于转录起始点附近且为转录起始所必需的DNA序列。

②作用特点

<1>一个基因可同时拥有一个及以上启动子；<2>位置不定，一般在转录起始点上游；

<3>可与增强子共同控制转录起始和强度；

<4>发挥功能时除需RNA聚合酶外，还需转录调控因子与启动子区各种调控元件相互作用。③作用机制通过直接与RNA聚合酶相互作用，或结合于启动子关键元件上的蛋白质因子与RNA聚合酶的直接或间接作用，使得RNA聚酶处于适于转录起始的位置，从而利于转录起始。④分类<1>细胞特异启动子<2>诱导型启动子<3>通用启动子（2）增强子(enhancer)①定义②作用特点③作用机制④分类①定义

指位于离转录起始点较远位置上，具有参与激活和增强起始功能的序列元件。②作用特点

<1>增强效应显著；<2>增强效应与其位置和取向无关；<3>要有启动子才能发挥作用；<4>须与特定蛋白质因子结合才能发挥作用；<5>一般具有组织或细胞特异性；<6>无基因专一性。③增强子的作用机制通过提高启动子附近激活剂浓度而起作用。当它被约束在启动子附近时，可在任何位置起作用。

三种可能的作用方式：<1>

可影响模板附近的DNA双螺旋结构；<2>

将模板固定在细胞核内特定位置；<3>

增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶Ⅱ进入染色质特定结构的入口。④增强子的种类<1>

细胞特异性增强子

<2>

诱导性增强子<3>通用增强子AtypicalgenetranscribedbyRNApolymeraseIIhasapromoterthatextendsupstreamfromthesitewheretranscriptionisinitiated.Thepromotercontainsseveralshort(<10bp)sequenceelementsthatbindtranscriptionfactors,dispersedover>200bp.Anenhancercontainingamorecloselypackedarrayofelementsthatalsobindtranscriptionfactorsmaybelocatedseveralkbdistant.Anenhancercanactivateapromoterfromupstreamordownstreamlocations,anditssequencecanbeinvertedrelativetothepromoter,一种负调控元件，参与基因表达的负调控。其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。（3）绝缘子(Insulator)Anenhanceractivatesapromoterinitsvicinity,butmaybeblockedfromdoingsobyaninsulatorlocatedbetweenthem.（4）转座子（transposon）能将自己插入基因组中新的位置的DNA序列。3.2反式作用因子3.2.1基本概念3.2.2转录因子的类型3.2.3转录因子活性调节的主要方式3.2.4反式作用因子的DNA识别或结合域3.2.5反式作用因子中的转录激活域反式作用因子(trans-actingfactor)

一种基因的RNA或蛋白质产物，能影响位于基因组中另一个基因的活性。反式作用(trans-acting)

反式作用因子对基因表达起调控作用的过程。3.2.1基本概念3.2.2转录因子的类型（1）基本转录因子(Basalfactor)和RNA聚合酶一起结合于转录起始点和TATA盒；（2）激活剂(activator)特异性识别短共有序列元件的转录因子。结合于启动子或增强子位点上。通过增加基本转录复合体(basalapparatus)结合于启动子的效率而起作用；（3）辅激活剂(co-activator)

连接了激活剂和基本转录复合体；（4）一些调节因子(Someregulators)可使染色质结构改变。FactorsinvolvedingeneexpressionincludeRNApolymeraseandthebasalapparatus,activatorsthatbinddirectlytoDNAatthepromoteroratenhancers,co-activatorsthatbindtobothactivatorsandthebasalapparatus,andregulatorsthatactonchromatinstructure.3.2.3转录因子活性调节的主要方式注：细胞信号传导内容见细胞生物学。

细菌启动子：

所有的转录因子都必须与RNA聚合酶直接作用；

真核生物启动子：激活剂可能与基本转录因子相互作用或与辅激活剂结合，后者再与基本转录因子作用。这种通过层层相互作用构建的装置，也道出了这些元件排列和分布距离的灵活性。真核和原核转录因子起作用的差异3.2.4反式作用因子的DNA识别或结合域（1）螺旋-转折-螺旋（2）锌指结构（3）碱性-亮氨酸拉链（4）螺旋-环-螺旋（1）螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）现广泛分布在从酵母到人类的各种真核生物中，虽彼此在氨基酸的顺序上差别很大，但高级结构高度保守，如同源域蛋白。同源域结构特征与DNA结合的关系同源域(homeodomain)是一个DNA结合域，它由60个氨基酸组成，并形成3个α螺旋。C端α螺旋有17个氨基酸，结合DNA大沟。N端臂插入DNA小沟。含同源域的蛋白质可能是转录的激活剂或阻抑物(activatorsorrepressors)

。三种有代表性的同源域：果蝇触角足（Antp)基因的同源盒代表了果蝇中大部分含有同源盒的基因的情况；啮齿（En)基因的同源盒代表了另一类同源基因的情形；哺乳动物因子（Oct-2)则代表了一组关系较远的转录因子。Thehomeodomainisamoduleof60aminoacids（2）锌指结构（zincfingermotif）

“锌指”:据其结构命名,其中一小段保守氨基酸（一般为其中4个氨基酸Cys，或两个Cys和两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zn2+结合,形成一个相对独立的区域。有两类DNA结合蛋白含有这种结构：①典型的“锌指”蛋白质;②类固醇受体①典型的“锌指”蛋白质典型“锌指蛋白”(typiczinicfingers)含一连串锌指。单个锌指共有序列为：Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His