真核生物基因转录调控专家讲座

第八章真核基因表示调控Eukaryotegeneexpressionregulation真核生物基因转录调控专家讲座第1页目标要求掌握基因表示定义、特点、方式掌握顺式作用元件和反式作用因子概念了解真核和原核生物基因表示和基因表示调控相同和不一样之处掌握开启子、增强子和转录因子概念、结构、功效及其相互关系真核生物基因转录调控专家讲座第2页序言(introduction)Centraldogma真核生物基因转录调控专家讲座第3页transcriptiontranslationgeneexpression序言(introduction)真核生物基因转录调控专家讲座第4页一、基因表示概念基因表示:从DNA到蛋白质过程,就是基因转录及翻译过程。基因表示产物：蛋白质或RNA细胞或生物体全套遗传物质，称为基因组（genome）。在某一特定时期，基因组中通常只有部分基因表示。第一节

基本概念与原理BasicConceptionsandPrinciple真核生物基因转录调控专家讲座第5页二、基因表示时间性及空间性基因表示有严格规律性时间特异性（temporalspecificity）按功效需要，某一特定基因表示按特定时间次序发生。基因表示时间特异性与分化、发育阶段相一致，又称阶段特异性（stagespecificity）。

after50years真核生物基因转录调控专家讲座第6页空间特异性（spatialspecificity）在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现。基因表示空间特异性又称细胞特异性（cellspecificity）或组织特异性（tissuespecificity）。真核生物基因转录调控专家讲座第7页

基因表示时间、空间特异性由特异基因开启子（序列）和（或）增强子与调整蛋白相互作用决定。

决定基因表示时间、空间特异性分子基础真核生物基因转录调控专家讲座第8页三、基因表示方式㈠组成性表示（constitutivegeneexpression）

㈡诱导和阻遏表示(inducingandrepressingexpression)真核生物基因转录调控专家讲座第9页㈠组成性表示（constitutivegeneexpression）一些基因产物对生命全过程都是必需或必不可少。这类基因在一个生物个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为管家基因（housekeepinggene）。表示水平较恒定，波动小。这类基因表示被视为基本或组成性基因表示。表示只受开启序列或开启子与聚合酶相互作用调整。真核生物基因转录调控专家讲座第10页㈡诱导和阻遏表示诱导（induction）可诱导基因在特定环境信号刺激下被激活，基因表示产物增加过程。阻遏（repression）可阻遏基因对环境信号应答时被抑制，基因表示产物水平降低过程。*************************************************表示水平易随环境信号刺激而升高(诱导)或降低(阻遏)，波动大。适应性表示（adaptiveexpression)基因除受开启序列或开启子与RNA聚合酶相互作用外，还经过其它调控序列中所含特异反应元件接收其它机制调整。真核生物基因转录调控专家讲座第11页协调表示（coordinateexpression）

功效上相关一组基因，不论其为何种表示方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表示，即为协调表示。

这种调整称为协调调整（coordinateregulation）。真核生物基因转录调控专家讲座第12页

四、基因表示调控生物学意义㈠适应环境、维持生长和增殖

编码基因表示是否及水平决定了细胞内某种功效蛋白质分子有或无、多或少等数量改变。㈡维持个体发育与分化

在同一生长发育阶段，不一样组织器官内蛋白质分子分布差异是调整细胞表型关键。真核生物基因转录调控专家讲座第13页HOXmutantAntenna—leg左、正常果蝇触角为具芒触角，右、突变果蝇触角发育为足真核生物基因转录调控专家讲座第14页Bithoraxmutant果蝇双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）真核生物基因转录调控专家讲座第15页五、基因表示调控基本原理㈠基因表示多级调控㈡基因转录激活调整基本要素真核生物基因转录调控专家讲座第16页㈠基因表示多级调控(P238图7-1)基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等

转录转录后翻译翻译后真核生物基因转录调控专家讲座第17页㈡基因转录激活调整基本要素

１．特异DNA序列原核生物操纵子

操纵子(operon)由结构基因与开启子（promoter）、操纵序列（operator）以及调整基因组成。真核生物基因转录调控专家讲座第18页

开启子序列是RNA聚合酶结合并开启转录特异DNA序列。

在转录起始点上游－１０及－３５区域存在一些相同序列，称为共有序列（consensussequence）－１０区域是TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnowbox,TATAbox）－３５区域为TTGACA。

真核生物基因转录调控专家讲座第19页操纵序列

——阻遏蛋白(repressor)结合位点开启序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白真核生物基因转录调控专家讲座第20页调整基因

ControlelementStructuralgenes真核生物基因转录调控专家讲座第21页真核生物基因转录激活调整DNA序列,由若干DNA序列元件组成，因为它们常与特定功效基因连锁在一起，所以被称为——顺式作用元件（cis-actingelement）（P257）：可影响本身基因表示活性DNA序列。真核生物基因转录激活调整DNA序列——顺式作用元件真核生物基因转录调控专家讲座第22页真核生物基因转录调控专家讲座第23页常见有开启子(-30区TATA盒或Hognessbox，CAAT盒，GC盒)、增强子和缄默子。顺式作用元件(P255)真核生物基因转录调控专家讲座第24页２．调整蛋白

1)原核生物基因调整蛋白阻遏蛋白（repressor）可结合特异DNA序列——操纵序列，阻遏基因转录。阻遏蛋白介导负性调整机制。激活蛋白（activator）可结合开启序列临近DNA序列，促进RNA聚合酶与开启序列结合，增强RNA聚合酶活性。真核生物基因转录调控专家讲座第25页mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时,lac操纵子处于阻遏状态。阻遏蛋白负性调整阻遏基因真核生物基因转录调控专家讲座第26页mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol开启转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶真核生物基因转录调控专家讲座第27页CAP分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合而刺激RNA转录活性；当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子表示下降。

CAP正性调整真核生物基因转录调控专家讲座第28页真核生物基因转录调控专家讲座第29页2)真核基因调整蛋白--转录因子（transcriptionfactor）转录调整因子由某一基因表示后，经过与特异顺式作用元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因转录，故称反式作用因子（trans-actingfactor）(P259):能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件关键序列上，参加调控靶基因转录效率蛋白质。顺式作用及顺式作用蛋白。真核生物基因转录调控专家讲座第30页cDNAaDNA反式调整C顺式调整mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA真核生物基因转录调控专家讲座第31页３．DNA-蛋白质、蛋白质－蛋白质相互作用

DNA-蛋白质相互作用（DNA-proteininteraction）

反式作用因子与顺式作用元件之间特异识别及结合。DNA结合位点呈对称、或不完全对称结构（见图）。DNA-蛋白质间经过碱基与氨基酸相互联络形成复合物。真核生物基因转录调控专家讲座第32页真核生物基因转录调控专家讲座第33页

绝大多数调整蛋白结合DNA前需经过蛋白质－蛋白质相互作用形成二聚体（dimer）或多聚体（ploymer）(eg.bZIP结构P262;bHLH结构P263)。

二聚化（dimerization）就是指两分子蛋白质单体（monomer）经过一定结构域结合成二聚体。二聚体包含同二聚体（homodimer），异二聚体（heterodimer）。

蛋白质－蛋白质相互作用（protein-proteininteraction）真核生物基因转录调控专家讲座第34页４．RNA聚合酶

１）开启子与RNA聚合酶活性：开启子核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶亲和力，直接影响转录起动频率。真核RNA聚合酶单独存在时，与开启子亲和力极低或无亲和力，必须与基本转录因子形成复合物才能与开启子结合。

RNA聚合酶基本转录因子真核生物基因转录调控专家讲座第35页（2）调整蛋白与RNA聚合酶活性：开启子决定基因基础转录频率。一些特异调整蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表示，随即这些调整蛋白经过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质－蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变。诱导剂、阻遏剂等小分子信号经过改变调整蛋白分子构象影响基因表示。

诱导剂、阻遏剂真核生物基因转录调控专家讲座第36页

第二节真核基因转录调整RegulationofEukaryoticGeneTranscription真核生物基因转录调控专家讲座第37页原核与真核生物基因表示差异RepeptitivegeneOverlappinggeneSplittinggenenointronPost-transcriptiontranscription&translation

RNAprocessingsynchronizelyEukaryoteProkaryote

DNA+histon→chromatin

NakedDNA回顾真核生物基因转录调控专家讲座第38页enhancer&silencerAttenuatermonocistronpolycistron(operon)m5C

geneofftransfactoracetylationphosphorylationmethylationglucosylationactiveformEukaryoteProkaryote真核生物基因转录调控专家讲座第39页一、真核基因组结构特点（一）

真核基因组结构庞大

哺乳类动物基因组DNA约3×109碱基对编码基因约有40000个，占总长6%rDNA等重复基因约占5%~10%转录是在活化染色质结构中进行（P265）真核生物基因转录调控专家讲座第40页（二）单顺反子(monocistron)一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列（四）基因不连续性（P243）正相重复序列与反转重复序列(invertedrepeat,5%)真核生物基因转录调控专家讲座第41页二、真核基因表示调控特点（一）RNA聚合酶(P256)真核RNA聚合酶有RNAPolⅠ、Ⅱ及Ⅲ。对PolⅡ催化mRNA转录来说，转录因子D(TFⅡD)起关键作用真核生物基因转录调控专家讲座第42页真核生物基因转录调控专家讲座第43页二、真核基因表示调控特点（二）活性染色体结构改变真核生物基因转录调控专家讲座第44页真核生物基因转录调控专家讲座第45页真核生物基因转录调控专家讲座第46页真核生物基因转录调控专家讲座第47页真核生物基因转录调控专家讲座第48页1.对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调整蛋白结合位点附近。真核生物基因转录调控专家讲座第49页2.DNA拓扑结构改变天然双链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3.DNA碱基修饰改变真核DNA约有5%胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表示程度呈反比。真核生物基因转录调控专家讲座第50页4.组蛋白改变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④H3组蛋白巯基暴露（三）正性调整占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工真核生物基因转录调控专家讲座第51页三、真核基因转录激活调整（一）顺式作用元件1.开启子真核基因开启子是RNA聚合酶结合位点周围一组转录控制组件，最少包含一个转录起始点（transcriptionstartsite，initiationsite）以及一个以上功效组件。TATA盒GC盒（GGGCGG）CAAT盒（GCCAAT）真核生物基因转录调控专家讲座第52页非经典开启子：不含TATA盒，富含GC开启子；既不含TATA盒，也没有GC富含区。

关键开启子元件上游开启子元件真核生物基因转录调控专家讲座第53页顺式作用元件２．增强子(enhancer)（P256）

指能使与它连锁基因转录频率显著增加DNA序列。远离转录起始点（１～３０kb）、决定基因时间、空间特异性表示、增强开启子转录活性DNA序列，其发挥作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干功效组件——增强体（enhanson）组成。在酵母基因，有一个类似高等增强子样作用序列，称为上游激活序列（upstreamactivatorsequences，UAS）。

真核生物基因转录调控专家讲座第54页增强子作用特点：

①增强子提升同一条DNA链上基因转录效率，能够远距离作用(1－4kb、30kb)，在基因上游或下游都能起作用。②增强子作用与其序列正反方向无关③增强子与开启子在结构、功效上亲密联络，要有开启子才能发挥作用,但对开启子没有严格专一性，同一增强子能够影响不一样类型开启子转录。④增强子作用机理即使还不明确，但必须与特定蛋白质因子结合后才能发挥增强转录作用。增强子普通含有组织或细胞特异性，是由这些细胞或组织中含有特异性蛋白质因子所决定。３．缄默子（silencer）

一些基因DNA序列含有负性调整元件——缄默子。真核生物基因转录调控专家讲座第55页（二）反式作用因子

1.转录调整因子分类（按功效特征）*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合开启子所必需一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录类别。真核生物基因转录调控专家讲座第56页真核生物基因转录调控专家讲座第57页*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因时间、空间特异性表示。转录激活因子转录抑制因子真核生物基因转录调控专家讲座第58页真核生物基因转录调控专家讲座第59页2.转录调整因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域真核生物基因转录调控专家讲座第60页A.锌指(zincfinger)结构C——CysH——His常结合GC盒真核生物基因转录调控专家讲座第61页蛋白质分子肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就造成这些亮氨酸残基都在α螺旋同一个方向出现。两个相同结构两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体，该二聚体另一端肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷磷酸基团结合。B.碱性－亮氨酸拉链(basicleucinezipper,bZIP)（与CAAT盒和病毒增强子结合）真核生物基因转录调控专家讲座第62页两个HTH（HLH）以二聚体形式相连，距离恰好相当于DNA一个螺距(3.4nm)，两个α螺旋刚好分别嵌入DNA深沟。常结合CAAT盒C、螺旋-转角-螺旋(helixturnhelix,HTH)及螺旋-环-螺旋(helixloophelix,HLH)真核生物基因转录调控专家讲座第63页（三）mRNA转录激活及其调整TFⅡD开启子复合物

真核RNA聚合酶Ⅱ先由基本转录因子TFⅡD组成成份TBP识别TATA盒或开启元件(initiator，Inr)，并有TAF参加结合，形成TFⅡD开启子复合物；前起始复合物PIC继而在TFⅡA～F等参加下，RNA聚合酶Ⅱ与TFⅡD、TFⅡB聚合，形成一个功效性前起始复合物PIC。基本转录因子中，TFⅡD是唯一含有位点特异DN