Chapter 9 真核基因表达调控

Chapter9真核基因表达调控9.1概述9.2DNA水平的调控9.3转录水平的调控9.4转录后水平的调控9.5翻译水平的调控9.1概述真核生物和原核生物的基因表达调控存在巨大差别，这是由两者的基因组的构成特点和基本生活方式的差异所决定的。9.1.1真核生物基因表达调控的特点首先，从基因组的构成来看，真核生物的基因数目远远比原核生物多，且大多数基因含有内含子；基因组中除了基因之外，还含有数量庞大的重复序列和单一序列，有的对基因的表达产生影响。基因组DNA与组蛋白包装成核小体，直至更高级的结构，并结合很多非组蛋白。这些都对表达调控产生影响。其次，从基因表达特点来看，真核生物中，转录和翻译分别在细胞核与细胞质中进行，不存在偶联，因而不具有衰减调控机制，但是绝大多数mRNA都要经过拼接加工才能成熟，真核细胞在这一层次存在相应的调控机制。真核细胞的mRNA的寿命一般较长，为翻译调控提供了很大余地。所以，与原核细胞的表达调控主要发生在转录水平相比，真核生物基因表达的调控范围更广，包括DNA水平（基因拷贝数和重排）、转录水平、转录后水平（RNA的加工和运输）、翻译水平、翻译后水平等，但仍以转录水平为最主要的调控方式。第三，从生长发育角度来看，真核生物个体发育从一个受精卵开始，经过细胞的分裂、生长、分化产生各种类型的细胞和组织器官，是细胞中不同类别的基因表达的结果，是按照特定的“计划”在特定的时间和特定的部位，对不同类群的基因不断进行严格调控才实现的。这样个体发育就呈现出严格的时空特性。而原核生物则是同一群体内，各个细胞的基因表达基本一致。第四，原核生物一般为单细胞，直接与外界环境接触，只要养分充足，条件合适，就能无限生长繁殖。所以，其表达调控的主要目的，就是使细胞能够适应环境。群体中每个细胞对环境变化的反应都是直接的、一致的。真核生物（除酵母等单细胞生物外）是多细胞组成的复杂的有机体，不同的细胞对外部环境变化的的反应不同，只有一小部分细胞的基因表达受外部环境条件的影响和控制，其他细胞的基因表达或间接受到影响，或是基本不受影响。这一特点保证了真核生物的许多重要器官或组织在千变万化的环境下维持正常的生物功能。此外，真核生物的调控以正调控为主，原核生物的调控以负调控为主。附：真核生物与原核生物在基因组结构、转录、翻译等方面存在的差异1、真核细胞的DNA与组蛋白和非组蛋白形成染色体，进少量DNA称裸露状态；而原核生物DNA上只有少量蛋白结合。2、高等真核生物的DNA很大一部分是不转录的，存在大量的重复序列，基因中有内含子存在；原核生物基本不具备这样的特点。3、真核生物可根据生长发育等需要进行DNA的重排，还能特异地增加某些基因的拷贝数（基因扩增）；原核细胞一般不具备这样的能力。4、原核细胞中基因的调控区一般很小，且多位于转录起始点的上游不远处，往往通过直接与RNA聚合酶相互作用来影响转录；而真核细胞中基因的调控区域往往较大，调控因子一般通过调控区DNA构象的改变来影响RNA聚合酶与启动子的结合。5、真核生物的转录和翻译过程在空间上是分隔开的，分别在核内和胞质中进行；而原核细胞内由于没有明显的空间分隔，转录和翻译偶联。6、绝大多数情况下，真核生物一条成熟的mRNA只能翻译出一条肽链；而原核生物mRNA中有许多是多基因的。7、真核生物的基因在转录和翻译之间有一个复杂的处理有内含子的剪接过程；而原核生物则没有。根据调控的可逆与否，真核生物的基因表达调控可以分为瞬时调控（或称可逆调控）与发育调控（或称不可逆调控）。前者相当于原核细胞对外部环境所做出的反应，包括底物和激素水平的变化，以及细胞周期不同阶段酶活性的调节。

后者是真核细胞调控的核心内容，它决定了真核细胞生长分化发育的的过程。9.1.2真核生物基因表达调控的类型

DNA和染色体水平的调控

转录水平的调控转录后RNA加工过程和运送中的调控

翻译水平的调控

翻译后的控制9.1.3真核生物基因表达调控的层次Figure9.1调控环节9.1.4研究表达调控时应着重关心的问题：诱发调控的信号调控主要发生在哪一步调控的分子机制调控的结果9.1.5转录组、持家基因和奢侈基因转录组（transcriptome）是指在一种细胞、组织或生物中的全套的RNA。其复杂程度主要源于mRNA，但也包括非编码RNA。ThetranscriptomeisthecompletesetofRNAspresentinacell,tissue,ororganism.ItscomplexityisduemostlytomRNAs,butitalsoincludesnoncodingRNAs.持家基因（housekeepinggene,constitutivegene）是指那些（理论上）在所有细胞类型都表达的基因，赋予各种细胞维持所需的基本功能。Housekeepinggenes

(Constitutivegene)arethose(theoretically)expressedinallcellsbecausetheyprovidebasicfunctionsneededforsustenanceofallcelltypes.奢侈基因（luxurygenes）是指这样一类基因，它们的编码产物承担特定功能，在特定的细胞中大量合成。

Luxurygenesarethosecodingforspecializedfunctionssynthesized(usually)inlargeamountsinparticularcelltypes.由于持家基因和奢侈基因在各种细胞类型中的功能、表达范围和表达强度不同，因此，细胞对这两大类基因的调控途径和机制也存在差异。个体发育过程中，表达的基因数目逐步减少。比如：海胆卵18000种mRNA囊胚阶段13000种mRNA原肠胚阶段8500种mRNA幼虫阶段7000种mRNA特化的管足和肠2500~3000种mRNA9.1概述9.2DNA水平的调控9.3转录水平的调控9.4转录后水平的调控9.5翻译水平的调控9.2DNA水平的调控基因组DNA在体细胞发育过程中一般是没有变化的，但在某些情况下，会自然地发生序列在基因组内部移动，或者被修饰、扩增甚至丢失等现象，导致基因表达的变化。重排和特异序列的丢失现象在低等真核细胞中较为常见，这类变化一般只涉及体细胞（但也有某些有机体在生殖周期涉及全部或一套染色体的丢失）。9.2.1基因丢失在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而除去这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物，在个体发育过程中，许多细胞常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染色体。高等真核生物尚未发现类似的基因丢失现象。

马蛔虫受精卵只有一对染色体，上面有多个着丝点。发育的早期阶段，只有一个着丝点发挥作用，保证有丝分裂正常进行。发育的一定阶段后，在将来分化产生体细胞的细胞中，染色体破碎，形成许多小染色体。其中有的小染色体含有着丝点，它在以后细胞分离中将保持下去；有的小染色体不含着丝点，它们因不能在细胞中正常分配而丢失。在将来形成生殖细胞的细胞中，不存在染色体破碎现象。9.2.2基因扩增（geneamplification）一、rDNA的扩增

基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数特异性的大量增加的现象，是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物的一种调控手段。比较清楚地例子是两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因（rDNA）的扩增。编码rRNA的基因成簇rDNA分布。形成核仁组织区。每个重复单位包括编码区域和非编码区域，而编码区域又包括几种rRNA的基因。Figure9.2非洲爪蟾体细胞中rDNA的拷贝数为500，而其卵母细胞通过扩增rDNA，使其拷贝数达2000000个，以转录大量的rRNA，满足这一时期所需要的1012个核糖体的合成。扩增后，新形成的rDNA不是一条长链串联重复序列，而是以大小不均的环状DNA分子的形式出现，绝大多是环状分子含有两个以上的rDNA拷贝，其中的基因未必转录，但总的趋势是因拷贝数的增加而使表达水平提高。并且，与基因组中rDNA各个拷贝之间的间隔区域大小不一致正好相反，同一个环状rDNA分子的各个拷贝的间隔大小完全一致；但不同环状rDNA分子的间隔大小个各不相同。表明同种环状rDNA分子可能来源于基因组上的一个rDNA拷贝。一般认为，扩增时，基因组上的一个rDNA重复单位（包括转录区和间隔区）被切除下来，两头连接成环，并以之为模版，进行滚环复制。需指出的是，基因组中各个rDNA重复单位的扩增频率并不一致，有的重复单位不扩增。卵母细胞成熟时，扩增停止，扩增的rDNA开始降解。果蝇中也存在基因扩增作用。二、二氢叶酸还原酶基因的扩增

除上述正常情况下因发育产生的基因扩增外，外界环境因素还可以引起基因扩增。

氨甲喋呤（methotrexate,mtx）是二氢叶酸还原酶（DHFR）的抑制剂，可阻止细胞中叶酸的代谢。酶的突变可以赋予细胞相应抗性，此外：

细胞还可以通过扩增来增加dhfr的数目，获得抗性。发生扩增的频率远高于自发突变，达10-4-10-6。类似的扩增现象已在>20基因中发现。大多数的扩增现象有一个共同特点：高抗性的细胞很难一步获得，而是随着毒性试剂的计量逐渐增高，细胞细胞逐渐适应，才能得到。所以，这类扩增可能经过几步才实现。扩增通常只发生在两个dhfr等位基因中的一个。扩增程度的提高可使细胞的抗性进一步增高。抗性细胞中扩增出来的dhfr拷贝数的多少取决于选择压力和细胞株自身，从40至400不等。根据细胞对撤除选择压力的反应，mtxr

抗性细胞株分作两类：

稳定系——能够遗传下去，因为扩增的基因位于染色体，即发生整合。通常位于一条染色体的dhfr位置，而同源染色体仍保持单拷贝的dhfr不变。

非稳定系——扩增的基因以染色体外形式（extrachromosomalunit）存在，不能稳定遗传，选择压力撤除后，扩增的基因至少要丢失一部分。扩增的基因以两种方式存在：稳定系非稳定系Figure9.3在染色体上，基因扩增的效果是可见的。稳定系中，dhfr基因座可通过同源染色区域看到（homogeneouslystainingregion，HSR）。非稳定系，染色体无变化，但可见大量的称作双小染色体（double-minutechromosome）的染色体外成分。一般每个双微染色体含有2-4个dhfr基因。Figure9.4Figure9.5

双微体（doubleminute）可能是自我复制，但因缺乏着丝点，所以不能正确分配，导致在子代细胞中消失，细胞不能存活，只有那些仍保有双微体的子代细胞才能存活。这就是这种扩增方式不能稳定遗传的原因。

双微体的存在会使分裂速率降低，所以，一旦撤出选择压力，缺乏扩增基因的细胞就表现出优势，快速增殖，占据群体。这就解释了为何只有在氨甲喋呤处理时，细胞才能保持基因扩增状态。由于分离的不均匀，可能就会使某些细胞在每次分离时获得的双微体比平均数目要多。随着氨甲喋呤浓度的提高，就能选择出含有大量双微体的细胞。这就解释了非稳定系细胞为何是逐步获得抗性的，以及为何在不同的非稳定系中，dhfr扩增数目是不一致（连续波动）的。稳定系和非稳定系的生成都是在长时间选择后才获得的，那么扩增是怎样起始的呢？短时间的选择后，绝大多数表现出抗性的细胞都是非稳定的。形成染色体外拷贝的频率远多于染色体内扩增。扩增在双微体形成或染色体发生变化前的极早期，可以观测到扩增的基因呈染色体外很小的单位，这表明抗性的获得主要是由于染色体外重复单位的产生。

扩增的区域要比基因本身大，dhfr基因的长度约为31kb，而染色体上同源染色区域（HSR）中重复单位的平均长度为500-1000kb。扩增的区域的范围因每个细胞系而异，双微体中DNA的长度约为100-1000kb。

染色体外的拷贝是怎样产生的呢？已知其产生并不伴随染色体上原来的拷贝丢失。有两种可能：额外的复制可能在dhfr基因附近起始，然后是这些拷贝之间的非同源重组；或者由于等位基因之间的非同源重组。额外的拷贝再经过某些类似重组的事件从染色体上释放。生成的染色体外DNA分子含有一个还是几个拷贝，取决于这些重组事件的性质。如果双微体是环状DNA，它们之间的任何形式的重组都很有可能产生多体分子。有一种非稳定系，为理解永久性双微体产生的机制提供了信息。它扩增的dhfr基因发生了突变，而原始的基因拷贝未突变，所以突变只能是在扩增过程中发生的。尽管扩增基因的数目有变化，但这一细胞系只表达突变的DHFR酶，说明染色体上的野生型基因不能连续生成大量的新的双微体，否则就会有野生型的DHFR酶表达了。因此，一旦扩增产生染色体外基因，细胞状态的变化就只通过这些基因而不再通过染色体上的原始拷贝介导了。当移除氨甲喋呤，细胞系以正常途径丢失双微体，再次暴露于氨甲喋呤，正常的基因扩增形成新的双微体，这表明染色体外突变的拷贝没有整合到染色体。另一个有意思的现象是突变细胞系的双微体只携带突变的基因——所以如果每个双微体含有一个以上的dhfr基因，则每个基因都是突变型。这表明多拷贝双微体可能由单拷贝的染色体外基因产生。另一个主要问题是染色体上扩增的拷贝是染色体外拷贝整合生成还是通过独立的机制生成，尚不得而知。扩增的基因所采取的形式受细胞基因型的影响，某些细胞系倾向于产生双微体，而另一些细胞系更易表现出HSR构型。扩增事件的类型还与涉及的位点有关。抗转氨甲酰酶抑制剂的扩增，可使CAD（是具有UMP合成途径中前三个酶活性的一个蛋白）基因扩增。扩增的CAD的DNA序列总是出现在染色体内，以几个扩增的区域形式存在，而且往往涉及几个染色体。9.2.3基因重排（generearrangement）

基因重排在低等真核生物中较为常见的一种表达调控机制，但在动物中很少发生，但哺乳动物免疫系统可通过基因重排产生种类极多的抗体。在两种情况下产生基因重排以调节表达：一是，通过重排产生在特定情况下所需要的新基因，比如免疫球蛋白的生成。二是通过重排使一种基因的表达转换为另一种基因的表达。啤酒酵母（S.cerevisiae）接合型转变就是采用了这种表达调控机制。啤酒酵母能以单倍体形式增殖，也能以二倍体形式增殖。控制这些活动的是酵母菌株的结合型（matingtype），接合型有a和α两种。只有不同的接合型细胞才能接合，a/α二倍体细胞；a/α二倍体细胞能够通过孢子生成形成单倍体细胞。一、酵母结合型转变

接合型由位于MAT基因座的信息控制，若为MATa，就是a型，若为MATα，即为α型。不同接合型细胞之间的识别是通过信息素（pheromones，外激素）的分泌，α型分泌α-因子，a型分泌a-因子。

每种细胞表面都有相反类型的信息素的受体。当一个细胞遇到相反类型的细胞，信息素与受体结合，使细胞停滞在G1期，并发生各种形态变化。接合成功的细胞，在细胞周期停滞后，发生核融合，形成a/α二倍体细胞。Figure9.7结合是一个对称的过程，起始于一种细胞分泌的信息素与另一种细胞受体的结合。不同接合型细胞的响应通路差异只在与受体的不同（所以只有编码受体的那个基因是接合型特异的）。a-因子受体和α因子受体都能激活相同的反应通路（导致二倍体生成）。因而，如果对于这两种类型的细胞进行突变，删去共有通路上某种成分，也都导致相同的效应。通路包括一个信号转导级联反应，能引起相应的蛋白合成，进而引起接合所需的形态变化和基因表达。酵母接合型途径的很多信息是从能删去a和/或α型接合能力的突变体推演出来的，这样鉴定出来的基因称作STE基因（代表sterile，不育的)。STE2和STE3是接合型特异的；而其它STE的突变会使细胞都失去接合能力（表明它们不是接合型特异的，而是在两种接合型细胞中都表达）。这印证了因子与受体相互作用以后的事件在两种细胞中是相同的。

某些酵母菌株有显著的转换接合型的能力。这些菌株都有显性的HO基因，能够以很高的频率——高至每代都发生一次转换。如果菌株是ho隐性的，则接合型很稳定，转换频只有~10–6。

HO的存在可使酵母群体发生转换。无论原始的接合型怎样，（原来单一接合型的群体）只经过有限的几代，两种类型的接合型细胞都大量出现在群体中，导致群体以MATa/MATα二倍体为主。所以，由单倍体群体形成稳定的二倍体群体，表明发生了接合型转换。

接合型转换现象表明每种接合型细胞都有成为MATa或MATα的潜在信息，但只表达出一种。转换接合型的信息从何而来？转换需要另两个位点HMLα和HMRa：转换成MATα型需要HMLα；转换成MATa型需要HMRa。这些位点与MAT位于同一条让染色体，HML在左侧远端，HMR在右侧。Figure9.8显示的是解释接合型转换的匣子模型（cassettemodel）。这种模型认为MAT有一个a型或α型活跃匣子；HML和HMR有沉默匣子，通常位于HML的是α型匣子，位于HMR的是a型匣子。所有匣子携带的信息都能决定接合型，但只有活跃匣子才能表达。Figure9.8

当活跃匣子被沉默匣子的信息取代后，发生接合型转换，新建立起来的（活跃）匣子开始表达。

转换不是交互的：是HML或HMR的拷贝取代MAT的等位基因。这可由下列现象得知：一个突变的MAT在转换过程中被取代后，会永远消失——不会与取代它的沉默匣子互换。如果位于HML或HMR的沉默拷贝发生突变，转换会使突变的拷贝进入MAT基因座，这个HML或HMR处突变的拷贝还一直存在，即使发生无数次的基因转换。就像复制型转座那样，供体元件在受体位点生成新拷贝，而供体元件本身仍是完好的。接合型转换只有一个受体（MAT），而有两个供体（HML和HMR），是一个有方向性的事件。转换通常是由HMLα取代MATa，或

HMRa取代MATα。这种MAT等位基因由相反类型的等位基因取代占到了80-90%，这是细胞表型决定的，a型细胞总是优先选择HML为供体，而α型细胞总是优先选择HMR为供体。

有几组基因与结合型的建立和转换有关。除了直接决定接合型的基因，还包括抑制沉默匣子的基因、转化接合型的基因，以及在结合过程中发挥作用的基因（比如前述的STE基因）。

比较两个沉默匣子（HMLα和HMRa）和两种活跃匣子（MATa和MATα）的序列，可确定那些负责接合型的序列。接合型基因位点的组织形式见Figure9.9。

每个匣子中间部分是各自特异的序列（称作Ya和Yα），其两侧为相同的的序列，只是HMR的稍短。活跃匣子的MAT由位于Y区域内的启动子转录。Figure9.9

二、通过调控HO基因的表达对接合型转换进行控制

HO内切酶的产生在转录水平进行调控，有三个独立的调控系统：

HO基因表达受接合型控制。二倍体中HO基因不表达。可能是两种MAT等位基因都表达，没必要转换。

HO基因只在母细胞中转录，在子代细胞中不能转录。（指细胞完成一次转换后，下一代不能转换，再下一代才能转换。见Figure9.10）

HO基因转录还需响应细胞周期，母细胞只有在处于G1期末期时才表达HO。

HO内切酶表达的时间特异性反映了接合型转换与酵母菌株之间的关系，如Figure9.10所示，转换只有在分裂后才能检测到，两个子代细胞接合型型相同，均由亲代细胞转换而来。Figure9.10

原因是HO基因被限定在G1期表达，这就确保了接合型在MAT复制之前进行转换，因而产生的两个子代细胞的接合型是一致的。

几个控制HO基因转录的顺式位点位于这个基因上游约1500bp处。控制的基本模式是不管调控信号来自几条调控通路中的哪一条，只要能抑制任何一个位点，就能够抑制HO转录。Figure9.11总结了所涉及的俄有关位点的类型。Figure9.11

接合型控制类似其它的单倍体基因所受调控。在二倍体中，转录被a1/α2阻遏蛋白抑制，基因上游有10个阻遏蛋白结合位点，这些位点都与共有序列存在一定差异，至于哪一个和需要几个是才能实现阻遏，不得而知。HO基因的转录调控需要多种激活和阻遏事件的相互作用。HO基因转录需要基因SWI1-5，其产物能够阻止SIN1-6基因产物对HO基因转录的阻遏作用。SWI基因是最早在不能发生转换的突变体中发现的；随后又发现了具有使某些SWI突变体恢复结合能力的SIN基因。SWI-SIN的相互作用参与了控制作用，使HO基因的只特异地在单倍体母细胞表达。

某些SWI和SIN基因的（产物）作用并不知局限于控制接合型，其产物是具有普遍作用的（global）调控因子，是许多基因表达所需要的。这其中就包括含有SWI1，2，3的染色质重塑复合物SWI/SNF和染色体蛋白的SIN1-4。因此，在HO基因所在区域，“真正的”调控因子是SWI蛋白，它特异地能对抗通用抑制作用。

细胞周期对HO基因的控制由9个称作的五核苷酸序列URS2赋予。一个这样的共有序列能赋予与之相连的基因以细胞周期特异性控制。与之相连的基因都受到抑制，但在向G1过渡时有一个短暂时期例外。SWI4和SWI6是负责解除URS2处阻遏作用的激活因子，其活性依赖于细胞周期调节因子CDC28，CDC28使细胞进入分裂周期。

HO基因在各代交替特异地表达是由激活因子SWI5控制的（SWI5能拮抗SIN3，4的通用抑制作用）。缺失这些功能（指SWI5和SIN3，4的功能）的突变体的HO基因在子代细胞和母细胞中一样表达。这一系统（指SIN3，4抑制HO表达，SWI5拮抗SIN3，4）通过位于HO基因上游远处的URS1发挥作用。

SWI5本身不是母细胞特异的调节因子，但受Ash1p拮抗（antagonize），Ash1p是一个阻遏蛋白，在子代细胞分裂后期快结束时积累，ASH1突变导致子代细胞也能发生接合型转换。

Ash1p的mRNA沿肌动蛋白纤丝由母细胞转至子代芽孢（daughterbud），这决定了其定位。Ash1p阻止SWI5激活HO基因，它能够结合在一种多拷贝的、广泛分布于URS1和URS2中的共有序列元件。当子代细胞生长称为母细胞，Ash1p的浓度被稀释，HO基因就又能表达了。9.1概述9.2DNA水平的调控9.3转录水平的调控9.4转录后水平的调控9.5翻译水平的调控9.3转录水平的调控9.3.1引言

高等真核生物各种细胞表型存在着差异，这主要是由编码蛋白质的基因的表达差异引起，这些基因由RNApolII转录。译自GENESX28.1;GENESIX25.1原则上，对这些基因的调控可以发生在表达的任何一步，如Figure9.12，可以明确的调控环节至少有6个：Figure9.12anddegradationTranslationofmRNA（mRNA的翻译）Activationofgenestructure:openchromatin

（基因结构的活化:打开染色质）

Initiationoftranscriptionandelongation（转录起始与延伸）Processingthetranscript（转录本的加工）Transporttocytoplasmfromthenucleus（转运出核）DegradationandturnoverofmRNA（mRNA的降解和周转）

一个基因是否表达取决于局部的（启动子处）染色质和其周围（染色质）的结构，相应地，个别的激活事件或者是对染色质较大范围产生影响的变化都可能引起染色质结构的调整。

大多数局部性的事件跟特定靶基因表达有关，在紧靠启动子的周围区域核小体的结构和组织发生变化。有许多基因有多个启动子，使用不同的启动子会形成不同的5’UTR，这又会影响mRNA的翻译。更为一般性的变化会影响大范围的区域，甚至大至整条染色体。

激活一个基因需要染色质状态发生改变，关键问题是转录因子怎样才能接近启动子DNA。

染色质的局部结构是控制基因表达的integralpart。基因以两种结构状态中的一种存在。基因只在其表达的细胞中处在活性状态（“activestate”），其结构的变化（即活跃状态的建立）早于转录，标志着基因是可以转录的（transcribable）。这表明活性结构的形成是基因表达的第一步。活性基因（activegene）所处的常染色质区域对核酸酶敏感，而且，基因在被激活之前，其启动子处形成超敏感位点（hypersensitivesites）。

转录起始和染色质结构之间联系密切而持续。负责基因转录的一些激活因子直接修饰组蛋白，特别是组蛋白的乙酰化跟基因活化相关。与此相反，某些阻遏蛋白通过使组蛋白去乙酰化来抑制转录。所以，基因表达调控需要启动子附近组蛋白结构发生可逆的变化，这些变化会对八聚体结合DNA形成影响，控制核小体在特定位点的出现及其结构。这是基因借以维持活性或非活性状态的机制的一个重要方面。染色质上的区域维持非活性（沉默）状态的机制与阻遏具体启动子的方式相似。参与异染色质形成的蛋白也是通过组蛋白来来作用于染色质，对组蛋白的修饰是这种相互作用的重要特征。这种变化一旦建立起来，就能在细胞分裂过程保持下去，形成表观状态（epigeneticstate），在这种状态下，基因的特性由染色质自我永久化（self-perpetuating）的结构决定。

Epigenetic这一名字实际上反映了基因具有可遗传的状态（inheritedcondition）（活性或非活性的），而这样的状态是不依赖基因自身序列的。

一旦转录起始，在延伸阶段进行调节的可能性一般不大，细菌中的弱化作用在真核生物中是不存在的，因为核膜把染色质与细胞质分开了。但对转录延伸确实存在控制，初级转录本要发生修饰，5’端加帽，3’端一般也要加尾。许多基因具有多个终止位点，产生不同的3’UTR，改变mRNA的功能和行为。断裂基因初级转录本中的内含子必须去除，成熟RNA必须转运出核。通过在核内RNA水平加工所进行的基因表达调控可能发生其中任何一个阶段，但目前最清楚的是拼接的变化，有些基因通过选择性拼接模式表达，这一步调节可控制蛋白产物的类型。

mRNA在胞质中的翻译可能受到特异的控制，mRNA的周转率（turnoverrate）也是这样。成年体细胞中，翻译水平的控制并不多见，但有些胚胎阶段会有这一调节机制。这种机制涉及mRNA在特异位点的定位，以决定能否由特异蛋白因子起始翻译。不同的mRNA具有不同的半衰期（half-life），半衰期由其上的特异序列元件决定。

基因转录的组织特异性调控是真核生物分化（differentiation）的核心，这类调控对代谢和分解代谢途径的控制也非常重要。一个调节性的转录因子可以为许多基因的转录提供通用的控制手段，关于这种调控模式，有两个问题需回答：转录因子怎样确定（识别）它的那组靶基因？转录因子本身的活性是怎样根据内、外信号进行调节的？主要概念激活因子决定转录的频率。激活因子通过与基础转录因子形成蛋白-蛋白相互作用来行使功能。激活因子可通过辅助激活因子来行使功能。有多种不同的方式调节激活因子。9.3.2激活因子和阻遏蛋白的作用机制译自GENESX28.2；GENESIX25.8转录装置的某些成分是通过改变染色质结构发挥作用的。阻遏是通过影响染色质结构或通过结合、掩盖激活因子实现的。转录起始需要许多的蛋白-蛋白相互作用，这种相互作用发生在结合于增强子的转录因子与启动子上组装的基础转录装置（basalapparatus）之间。这些转录因子可以分为功能相反的两类：正性激活因子和负性阻遏蛋白（positiveactivatorsandnegativerepressors）。在上一章中介绍的细菌（基因表达的）正控制需要一个调节因子帮助RNA聚合酶由封闭复合物过渡到开放复合物。像E.coli中的转录因子CRP一般结合在启动子附近，与RNA聚合酶α亚基的CTD形成接触。通常，基因的启动子较差时会需要这种作用，激活因子帮助RNA聚合酶打开启动子。真核生物中的正控制与此显著不同，根据作用方式，可以把（真核生物中的）激活因子分为三类：第一类是真正的激活因子（trueactivator），这类激活因子是典型的转录因子，它们与启动子上的基础转录装置直接接触或通过辅助激活因子间接接触。（除了基础转录因子，其它因子不直接接触聚合酶）真正激活因子的活性可由下述方式中某一种调控，如Figure9.13所示。有些因子是组成型的，只在特定的细胞类型中表达。调节发育的因子是这一类代表，比如同源[异型]域蛋白（homeodomainprotein）。PAPAOnOnTisuueAPPOffOffTisuueBFigure9.13aA正性转录因子有些因子的活性直接受修饰作用控制。比如，HSF（heatshocktranscriptionfactor）磷酸化后转变为活性形式。APAOnFigure9.13bPIPI非活性形式的正性转录因子有些因子结合配体以后被激活或失活。这一类主要是一些类固醇激素受体（steroidreceptor，甾体激素受体）。结合配体后能影响因子的定位（从细胞质转至细胞核），并能决定其DNA结合能力。APAOnFigure9.13cHIH+hormoneAPAOnFigure9.13d因子的可用性（availability,有效性）可以变化。比如NF-κB（能激活B淋巴细胞中的免疫球蛋白κ的基因）在许多种类的细胞中都存在，但被I-κB抑制。在B淋巴细胞中，NF-κB与I-κB解离，进入核内激活转录。RA细胞质细胞核有些二聚体形式的因子采用可变的配偶体（partner）控制活性。当与一种配偶体结合时，因子无活性；与另一种配偶体结合时，表现出活性。若一个因子与各种可变配偶体与结合，便可被放大上述效应，形成调控网络（往往发生在HLH因子之间）。APOnFigure9.13eCACABCC有些活性因子是从非活性前体上切下而形成的。比如，某个因子是作为一个核膜和内质网结合蛋白合成的，缺乏固醇（sterol）如胆固醇（cholesterol）时，会导致胞质中的结构域被切除，从而转运至核，作为激活因子发挥作用。APOnFigure9.13fARARR调节蛋白第二类激活因子是抗阻遏因子（antirepresssors）。当一个这样的激活因子结合增强子时，会招募组蛋白修饰酶类和/或染色质重塑复合物，把染色质从封闭状态转变为开放状态。这类因子对DNA模版没有作用，只能在染色质模版上发挥功能。第三类激活因子是结构性蛋白（architecturalpeoteins），比如Yin-Yang。这类因子的作用是弯曲DNA。有的弯曲会把DNA上结合的蛋白拉近，有助于形成协作性的复合物；而有的弯曲会阻止复合物形成。一段DNA能沿AAAAROrAAFigure9.14两个方向弯曲，这取决于调节因子是结合在顶部还是底部。这相当于半圈螺旋（约5个碱基）所形成的差别。在讨论细菌基因表达调控时已介绍过负调控，比如乳糖操纵子和色氨酸操纵子。细菌中，有的阻遏蛋白是通过阻止聚合酶把封闭复合物转换为开放复合物，如乳糖操纵子；有的则是结合启动子序列以阻止RNA聚合酶结合的结合，如色氨酸操纵子。而在真核生物中，阻遏蛋白的作用机制则有多种，如Figure9.15所示。一种机制是阻遏蛋白屏蔽胞质中的激活因子。真核细胞的蛋白在胞质中合成，在细胞核中行使功能的蛋白具有一个指导其跨越核膜的结构域，有的阻遏蛋白能够结合（某些激活因子的）这个结构域，从而屏蔽它。APAOnFigure9.15a细胞质细胞核AR上述机制还有一些变化形式。比如在核内，阻遏蛋白结合已经结合在增强子上的激活因子，屏蔽激活因子的激活结构域，阻止其发挥作用。PAOffFigure9.15bR或者，有的阻遏蛋白在胞质中是被屏蔽的，但进入核内后释放，从而抑制激活因子。PAOnFigure9.15c细胞质细胞核RXPAOffR第四种机制是（与激活因子）直接竞争增强子，这种情况下，阻遏蛋白与激活因子的结合位点相同或是有部分重叠。这是一种非常灵活的（versatile）机制，因为有两个变量在发挥作用：因子结合DNA的强度与因子的浓度，因子的浓度稍有变化，细胞的发育途径就能急剧改变。PAOnFigure9.15dPAOffRAAAARRRRR能够招募组蛋白修饰酶类和染色质重塑复合物的转录因子有与之相应的阻遏蛋白，这些阻遏蛋白招募复合物，消除组蛋白修饰和重塑。结构性蛋白也是如此，同样的蛋白结合在不同位点，阻止激活因子复合物的形成。Thetranscriptionfactorsthatrecruitthehistonemodifiersandchromatinremodelershavetheircounterpartsasrepressorsthatrecruitthecomplexesthatundothemodificationsandremodeling.Thesameistrueforthearchitecturalproteins,where,infact,thesameproteinboundtodifferentsitepreventsactivatorcomplexesfromforming.9.3.3结合DNA和激活转录分别由独立的结构域负责译自GENESX28.3;GENESIX25.3主要概念激活因子的DNA结合活性与激活转录能力分别由独立的结构域承担。DNA结合域的作用就是把转录激活域带到启动子附近。对激活因子这一类转录因子的了解已经比较透彻。激活因子需要其蛋白结构域具备多种功能：识别对特定基因进行调控的增强子中的靶序列；结合DNA后，激活因子通过结合转录装置的组分来行使功能。许多激活因子还需要二聚化结构域，与其它蛋白形成复合物。

通常激活因子具有结构上一个独立的DNA结合域和一个独立的转录激活结构域，分别单独行使功能。这些结构域都是作为单独的构件独立地发挥作用，这可通过与其它激活因子的有关结构域组成融合蛋白仍具有功能鉴定出来。不管DNA结合域的确切定位和方向是什么样的，全部转录复合物的几何形状必须能够使激活结构域与基本转录机器接触（直接或间接）。关键在于DNA结合域和转录激活域是独立的，其间的连接方式确保不管DNA结合域的取向和准确位置如何，转录激活域都能与基本装置相互作用。Figure9.16靠近启动子的增强子中的元件可能会距转录起点仍相当远，并且可能有两种取向。远离启动子的增强子也表现出取向的独立性。这样的结构就意味着DNA可以弯曲（looped）或以某种方式压缩，以便形成转录复合物。而激活因子的结构域之间可通过灵活的方式连接，如图所示。激活作用是否依赖特定的DNA结合域呢？通过构建杂合蛋白（一种因子的DNA结合域跟另一种因子的激活域形成的融合蛋白）回答了这个问题，如右图所示。Figure9.17激活转录通常需要激活因子结合DNA，但有些激活因子没有DNA结合域，它们通过蛋白-蛋白二聚化来行使功能。酵母的激活因子GAL4的DNA结合域识别靶基因的UAS，激活结构域刺激转录起始。细菌阻遏蛋白LexA的N-端是DNA结合域，识别特异的操作子。通过交换（swap）的方法，以LexA的DNA结合域取代GAL4的DNA结合域，生成的杂合蛋白能够激活含有的LexA操作子的靶基因，而不再能激活含有UAS的靶基因。

这一结果符合转录因子组件构成的观点。DNA结合域将蛋白因子带到正确位置，无论准确性如何、结合位置在哪儿，只要结合了，激活域就发挥作用。此外，前述杂合蛋白中这两种组件发挥作用的能力表明每个结构域是单独折叠成活性结构，不受蛋白其余部分的影响。

HIV中的tat蛋白没有DNA结合域，但具有刺激转录起始的能力，这进一步证实激活因子具有独立的DNA结合域和转录激活域的观点。tat蛋白结合在RNA产物的一个有二级结构的区域，这一部分称作tar序列。tat-tar相互作用刺激转录的模式如Figure9.18所示。Figure9.18TheactivatingdomainofthetatproteinofHIVcanstimulatetranscriptionifitistetheredinthevicinitybybindingtotheRNAproductofapreviousroundoftranscription.Activationisindependentofthemeansoftethering,asshownbythesubstitutionofaDNA-bindingdomainfortheRNA-bindingdomain.tar序列紧靠转录起点，所以当tat结合tar时，就位于转录起始复合物附近，这足以使tat的转录激活域充分靠近起始复合物。tat作用于复合物中的一个或几个转录因子，方式与激活因子相同（当然，必须在没有tat的情况下转录出第一个转录本，以便为后续转录提供tar位点。）若采用一个DNA结合域取代tat蛋白中负责结合tar的氨基酸序列，与tat的激活域形成杂合蛋白，该蛋白可以识别含有相应靶位点的启动子，激活转录。这说明，DNA结合域（在此例中是RNA结合域）提供一个“拴住”（tethering）的功能，使激活结构域处于起始复合物附近。这种“拴住”的观念实际上是一个特例，反映的更为普遍概念的是启动子附近要有高浓度的转录因子，才能起始转录。这可以通过激活因子结合在增强子甚至RNA产物来实现。所有这些情况的基本要求就是DNA和蛋白正确的空间排布要有灵活性。结构域的独立性在转录因子中很普遍，可以这样理解DNA结合域的功能，它把激活域带到了转录起始位点附近。这也就解释了为什么激活因子的结合位点在不同增强子中的定位是可变的。DNA结合域（DNAbindingdomain），多由60-100个氨基酸残基组成的几个亚区组成。转录激活域（activatingdomain），常由30-100氨基酸残基组成，这结构域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类，以酸性结构域最多见。连接区，即连接上两个结构域的部分。Keyconcepts所有激活因子的特异性，即它作用于哪个（哪些）启动子或增强子，都取决于其DNA结合域。DNA结合域负责将转录激活域定位在基本转录装置附近。9.3.4激活因子与基础转录装置相互作用译自GENESX28.5;GENESIX25.5能直接发挥作用的激活因子具有DNA结合域和转录激活域。没有激活域的激活因子可以通过结合具有激活域的辅助激活因子行使功能。基本装置中的某些因子是激活因子或辅助激活因子的作用靶点。全酶复合物中RNA聚合酶可以与不同组别的转录因子联合作用（RNApolymerasemaybeassociatedwithvariousalternativesetsoftranscriptionfactorsintheformofaholoenzymecomplex）。具有DNA结合域和转录激活域的真正激活因子（trueactivator）能直接发挥作用（Figure9.16）。有些情况下，激活因子本身没有转录激活域（或激活域很弱），但能结合另一种具有转录激活域的蛋白因子——辅助激活因子，如Figure9.19所示。这样，辅助激活因子就可以视为是一个激活因子，但是其特异性是源于它能与结合DNA的激活因子结合，而不是直接结合DNA。特定的激活因子可能需要特定的辅助激活因子。Figure9.19尽管上述作用方式中蛋白成分的组织方式有所差异，但机制是一致的。直接作用于基础转录装置的激活因子具有DNA结合域和与之共价连接的转录激活域；而通过辅助激活因子发挥作用的激活因子，这两种因子之间是非共价结合。不管这些结构域是处在同一个蛋白分子还是分别位于两个蛋白分子，负责激活转录的相互作用是相同的。此外，许多辅助激活因子还具有其它的酶活性，比如修饰染色质结构的活性。

转录激活域通过与通用转录因子（基础转录因子）形成蛋白-蛋白相互作用，促进基础转录装置的组装。涉及的因子可能是各种基础因子中的任何一种，但通常是TFIID、TFIIB或TFIIA等参与基本转录装置初期组装的因子。Figure9.20

TFIID是激活因子最常用的靶点，其中的任何TAF都有可能参与作用。实际上，各种TAF的主要作用就是连接激活因子和基础转录装置。这样就可以理解为何TBP单独就能支持基础水平的转录，但激活因子刺激的高水平转录需要TAFs。TFIID中不同的TAF可以为不同的激活因子提供结合界面。某些激活因子只与一种TAF作用，有的可与多种TAF作用。它们之间的作用有助于TFIID结合TATAbox，或有助于其它基础装置成分结合TFIID-TATAbox复合物，或控制CTD的磷酸化；不管那种情况，相互作用都稳定了基本转录复合物，加速了起始过程，因而增强了启动子的使用效率。酵母的激活因子Gal4和其它激活因子的激活域都有多个负电荷，因而称作酸性激活因子（acidicactivator）。单纯疱疹病毒的VP16也属于这一类因子（VP16没有DNA结合域，需通过中间蛋白作用才能与基本装置作用。）鉴定酸性激活因子功能的实验常用VP16激活域与被鉴定因子的DNA结合域构成融合蛋白。

酸性激活因子能够增强TFIIB组装进基础起始复合物的能力。以腺病毒启动子进行的体外实验显示，Gal4或VP16能够刺激TFIIB结合基础起始复合物，VP16能直接结合TFIIB。所以在这个启动子上，TFIIB组装进基本起始复合物是一个限速步骤，可以被酸性激活因子促进。RNApolII启动子对于调控元件重排有抵御（回弹，resilience）能力，甚至漠视（indifference）某些元件的存在，表明激活启动子的事件在本质上是相对一致的。当其激活域被带到基本装置一定范围内，任何激活因子都能刺激装置的形成。使用由不同来源的元件重组成新的启动子进行实验，充分说明了启动子的多样性（versatility）。比如，把酵母的UASG元件插入到高等真核生物基因附近，在哺乳动物培养细胞中，这个基因可以被Gal4激活。不管Gal4是以何种方式激活启动子的，这种方式在酵母和高等真核生物之间是保守的。Gal4肯定识别了哺乳动物转录装置上某些特征，这些特征在酵母的相应组分类似。激活因子是怎样刺激转录的？可以想象得出，激活因子激活转录有两大类模型：

招募模型认为激活因子唯一的作用就是增强RNA聚合酶结合启动子。另一模型认为激活因子诱导转录复合物发生某些变化，比如激酶等酶的构象改变，从而提高转录效率。在酵母中检测这两种模型，表明招募模型能够解释激活现象。当RNA聚合酶浓度足够高时，激活因子不再展现激活效应，表明其唯一效应就是提高RNA聚合酶在启动子处的有效浓度。某些激活因子、辅助激活因子和基本因子是在启动子上逐步组装的，然后，由另一些激活因子、辅助激活因子与聚合酶提前组装成一个很大的复合物才能添加进来，如右图。有效转录所需要的各种成分（基本因子、聚合酶、激活因子和辅助激活因子）加在一起，是一个很大的装置，包括40多种蛋白。这样大的一个装置是一步一步地组装在启动子上的吗？Figure9.21已发现了几种形式的RNA聚合酶，分别于各种转录因子结合。最显著的是酵母的“全酶复合物”（holoenzymecomplex，不需其它成分，就能起始转录），包括RNA聚合酶和一个称作Mediator（介导因子）的由20个亚基构成的复合物。编码Mediator某些成分的基因突变后会阻止转录，比如SRB基因。Mediator这个名字表明它能够介导激活因子效应。酵母大多数基因的转录都需要Mediator。多细胞真核生物大多数基因的转录也是如此，需要Mediator的同源复合物。当与RNApolII的CTD相互作用时，Mediator的构象发生变化。它可以将上游成分的激活或阻遏效应传递至聚合酶。可能在聚合酶开始延伸时，Mediator释放。

有些转录因子通过直接作用于聚合酶或基本装置影响转录，有些则是通过控制染色质结构来发挥作用。激活因子一般都采用模块结构，具有不同的结构域，分别负责结合DNA和激活转录。根据DNA结合域的类型，因子可分为几种类型：一般说来，负责结合DNA的是其中一个相对较短的模体（motif，基序）：9.3.5激活因子的各种DNA结合结构域译自GENESX28.6;GENESIX25.8Figure9.22锌指结构（zincfinger）是DNA结合域中的一种模体。最早是在TFIIIA（为RNApolIII转录5SrRNA所需）中发现的。单个锌指的共有序列是：

Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His之所以称为锌指，是由于约23个氨基酸形成环状结构（loop），从锌结合位点伸出，这种形式的锌指称作Cys2/His2型的。锌离子被束缚在保守Cys和His残基构成的四面体结构中。这种模体在许多其它转录因子（及推测是转录因子的蛋白）中都有发现。这样的蛋白中通常含有多个锌指，如图所示。有些锌指蛋白能够结合DNA。

类固醇激素受体（steroidreceptor，甾体激素受体）以及一些其它蛋白具有不同于Cys2/His2型的另一种锌指，其结构基于一段结合锌离子的共有序列：

Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys。

这一种锌指序列称作称作Cys2/Cys2。是根据功能关系界定的一组受体：每种受体都是结合特定类固醇分子后被激活，比如糖皮质激素结合糖皮质激素受体（glucocorticoidreceptor）。糖皮质激素受体与其它受体如甲状腺激素受体（thyroidhormonereceptor）和视黄酸受体（thyroidhormonereceptor），都是由配体活化的激活因子（ligand-activatedactivators）超家族的成员，其基本活化方式一致：只有在结合小分子配体后才有活性，如图所示。Figure9.23类固醇激素受体第一根“手指”右侧的氨基酸（紫色）识别结合位点，第二个“手指”左侧的氨基酸（蓝色）控制每个二聚体亚基识别靶点的间距。类固醇激素受体以同型或异型二聚体形式结合DNA，其结合序列是回文结构（倒转重复）或正向重复，其中每个单体结合半个位点（ahalf-site）。

螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix,HTH）模体最初是在噬菌体阻遏蛋白的DNA结合域中发现的。C端一个α-helix是识别螺旋（recognitionhelix），位于DNA大沟；中间的螺旋以一定角度跨过DNA；N端臂位于DNA小沟，并形成额外的接触。Figure9.24在同源结构域存在相关的模体。同源[异型]域（homeodomain，HD）最早在果蝇中与发育调控有关的几种蛋白中发现，这些蛋白由homeobox基因编码，在人类中由Hox基因编码。有的同源异型蛋白是激活因子，有的是阻遏蛋白。HLH模体能够使蛋白二聚化成同型或异性二聚体，靠近该模体的是一个碱性（basic）区域，负责结合DNA，（这类蛋白呈bHLH蛋白）如图所示。两亲性的螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix,HLH）模体存在于某些发育调控因子和真核DNA结合蛋白中。每个两亲性螺旋（amphipathichelix）都是一面是疏水残基，另一面是带电荷的残基。连接两螺旋的环的长度约为12-28个氨基酸。Figure9.25并非所有HLH蛋白都有DNA结合域，其序列特异性非常依赖配偶体，在发育过程中，可通过更换配偶体形成另外的组合（进而展现出不同的活性）。氨酸拉链能够相互作用，形成二聚体，拉链二聚化遵循一定规则。与拉链紧邻的是一段带有正电荷残基的序列，负责结合DNA，这称作bZIP（basiczipper）。亮氨酸拉链（leucinezippers），由一段两亲性α螺旋构成，其中每第7个残基的位置是一个亮氨酸（withaleucineresidueineveryseventhposition）。疏水基团包括亮氨酸朝向一面，带电基团朝向另一面。两条多肽中的亮Figure9.269.3.6染色质重塑是一个活化过程关于DNA的表达状态是怎样转换的，两种模型进行解释：平衡和不连续的状态转换。摘译自GENESIX30.2&3,29.11;GENESX28.7,10.10下图是平衡模型。相关的因素只有一个，即阻遏蛋白或激活因子的浓度，由它驱动游离状态与结合状态的DNA之间的平衡。当蛋白浓度足够高时，DNA结合状态占优势，表达状态受到相应影响。Figure9.27平衡模型能解释细菌的表达调控，因为其基因表达与否只由某个阻遏蛋白和某些激活因子决定。通过各种调节因子的总浓度可以预测细菌的某个基因是否转录，只要改变浓度就能相应地改变表达状态。大多数情况下，蛋白的结合是相互协调的，所以一旦浓度足够高，就会快速结合DNA，导致基因表达状态的转换。真核生物染色体所处的情况就不同了，早期的体外实验显示活性和非活性状态都能建立，但都不受后续添加的成分的影响。TFIIIA（转录5SrRNA所需）在体外不能激活与组蛋白结合的靶基因；但在游离的DNA上，TFIIIA能形成转录复合物，即使再加入组蛋白也不能抑制基因的表达。一旦因子结合，它就保持在结合位点，允许RNA聚合酶分子起始转录。那么，是这一因子还是组蛋白结合控制位点就成了关键因素。右图说明的是真核生物启动子可能出现的两种状态。非活性状态下，有核小体存在，核小体阻止基础因子和聚合酶结合活性状态下，基础转录装置占据启动子，组蛋白八聚体不能结合。

每种状态都是稳定的。为结合基本因子，染色质结构必须改变。Figure9.28

类似的情景也见于TFIID之于RNApolII使用的启动子。在体外，RNApolII在TFIID等转录因子的帮助下，可转录一个含有腺病毒启动子的质粒。通过添加组蛋白，可使模版形成核小体结构，若在TFIID之前添加组蛋白，就不能起始转录了。但若先添加TFIID，模版在染色质状态仍能转录。所以，TFIID可以识别游离的DNA，但不能识别或作用于核小体DNA。只有TFIID是必须在组蛋白之前添加，其它的转录因子和RNA聚合酶可以在组蛋白之后添加。这表明TFIID结合启动子，形成了一种结构，供其它转录因子结合。

必须注意到体外系统使用的各种成分并不成比例，形成一种非自然的状况。所以上述结果的重要意义不在于它们表明了体内的机制，而在于它证明了这样的基本原理：转录因子或核小体可以形成稳定结构，仅仅通过改变与游离成分之间的平衡，无法改变这种结构。

染色质状态是稳定的，难以通过调整转录因子和组蛋白之间的平衡来改变。RNA聚合酶（500kD）比核小体（300kD）大许多，很难想象它沿核小体表面的DNA链行进。电镜观察处于转录状态的不同基因，有时结果明显矛盾，下面是两种极端情况的比较。

高度活跃转录的rRNA基因上基本没有核小体结构，DNA完全伸展。Figure9.29

但有的时候正在转录的基因上仍然有核小体结构。Figure9.30AnSV40minichromosome（微型染色体）canbetranscribed.对染色体进行消化，检测某些特异的基因，发现正在转录的基因与被转录的基因的核小体密度一样。所以基因为了转录不必完全改变其组织形式。但处于普通转录水平的基因往往在任一时刻只有一个RNA聚合酶在用，所以上述结论不能反映聚合酶所处位点的实际情况。可能这个位点还保有核小体，更可能核小体在聚合酶通过是暂时被取代，随后立即重新形成。体外实验，T7噬菌体转录一段含有一个八聚体的一段DNA。转录过后，八聚体出现在DNA上另一个位置。Figure9.31

染色质重塑（Chromatinremodeling）是指要转录的基因进行活化时，发生的能量依赖的核小体的置换或重构。

Chromatinremodelingdescribestheenergy-dependentdisplacementorreorganizationofnucleosomesthatoccursinconjunctionwithactivationofgenesfortranscription.

染色质重塑是诱导染色质结构发生改变的普遍过程，是一种依赖能量的组蛋白取代机制。从染色质上释放组蛋白需要打破许多的蛋白-蛋白、蛋白-DNA相互接触，所以必须有能量输入。右图是一个水解ATP的因子发挥作用的动力学模型，当八聚体从DNA上释放，其它的蛋白（在此为转录因子和RNA聚合酶）结合上来。Figure9.32染色质重塑时有几种不同的类型：组蛋白八聚体沿DNA滑动，从而改变核酸与蛋白的关系。这改变核小体表面上特异序列的位置。组蛋白八聚体之间的间隔可能会改变，同样导致特异序列的位置（相对于蛋白）发生变化。

最为广泛的变化是一个或多个八聚体可能整个从DNA上被取代，形成一段无核小体的序列；或者是一个或两个H2A-H2B二聚体被取代。从DNA上取代核小体核小体沿DNA滑动调整核小体之间的距离染色质重塑的类型Figure9.33

染色质重塑的主要作用在基因准备转录时，改变其启动子处的核小体组织形式，这是转录装置接近启动子所需要的。

染色质重塑还能通过核小体移至（而不是移开）关键启动子序列处，这样，转录被阻止。

其它过程比如损伤DNA的修复也涉及染色质处理，同样也需要重塑。普遍的重塑方式就是取代一个或多个八聚体，这会形成对DNaseI超敏感的位点（因为这些位点失去了组蛋白的保护）。（这些位点同样也对微球菌核酸酶（MNase）敏感，与重塑前相比，MNase酶切能产生的ladder的模式会发生改变）

有时重塑的变化不那么剧烈，比如只涉及单个核小体缠绕位置的变化，这可通过检测DNaseI酶切生成的10bpladder的变化情况来判断。所以重塑时染色质结构的变化有核小体位置轻微改变或被完全移除等形式。染色质重塑是在一个很大的依赖ATP的重塑复合物的作用下完成的，它利用水解ATP产生的能量进行重塑，这个复合物的核心是ATPase亚基。

所有重塑复合物的ATPase亚基都属于一个超家族。这些超家族成员又进一步分为亚家族（subfamily），其中的成员亲缘关系更近。根据作为催化亚基的ATPase亚基所属的亚家族把重塑复合物分成几类（含有相关ATPase亚基的复合物属于一类，其它亚基往往比较一致）。重塑复合物有许多亚家族，主要的有四种SWI/SNF、ISWI、CHD和INO/SWRI，如下图所示。Figure9.34a,ISWIbINO/SWRICHDCHD1JMIZNuRDMi-2Tip60研究发现的第一个重塑复合物是酵母中的（switch/sniff），在所有真核生物中都有其同源物。重塑复合物超家族很大而且种类多样，大多数生物的重塑复合物都不止一类。酵母还有两个SWI/SNF相关的和三个ISW（ISWstandsforimitationSWI）相关的重塑复合物。目前，在哺乳动物中已鉴定出八种ISWI复合物。各类重塑复合物大小不等，小至异形二聚体（ATPase和一个配偶体），大至10个或更多亚基。

各种类型的复合物在不同范围行使重塑活性。SWI/SNF重塑复合物的原型（prototypicremodelingcomplex），其功能是通过酵母突变体确定的（swi突变体不能发生接合型转换，snf代表sucrosenonfermenting，不能利用蔗糖作为碳源）。SWI/SNF突变体的表型变化表现出多效性，其效应类似于RNApolII失去CTD尾巴。开始认为SWI/SNF与染色质有关，是由于（其突变表型）与编码染色体非组蛋白的SIN1或编码H3的SIN2发生突变后的表型相关。SWI/SNF是多种基因表达所需的（啤酒酵母中~120或2%基因），这些基因需要SWI/SNF在启动子重塑染色质。在体外，SWI/SNF能够行使催化功能；每个酵母细胞中含有~150个SWI/SNF。所有编码SWI/SNF亚基的基因都不是必不可少的，表明酵母还有重塑染色质的其它手段。RSC（remodlesthestructureofchromatin）复合物表达量更丰富，且必不可少，它能作用于约700个基因。不同亚家族的重塑复合物作用模式不同。在体外实验中，SWI/SNF复合物能在不完全除去组蛋白的情况下重塑染色质，也能取代八聚体。这两种反应可能都经过相同的中间状态——涉及的核小体结构发生变化——导致重构的核小体在原来的DNA分子上重新形成，或取代八聚体使进入其它DNA分子。