第七章 基因調控2：真核生物基因表達的調控

第七章真核生物基因的表達調控（GeneRegulationinEukaryotes）主要內容第一節(jié)真核生物基因表達調控概述第二節(jié)DNA水平的表達調控第三節(jié)轉錄水平的表達調控第四節(jié)其他水平上的表達調控第一節(jié)真核生物基因表達調控概述（IntroductionofGeneRegulationinEukaryotes）一、調控的細胞學基礎

原核生物一般為自由生活的單細胞有機體。直接暴露在變化莫測的環(huán)境中，食物供應無保障，只有根據環(huán)境條件的變化而改變其代謝途徑，才能維持自身的生存和繁衍。因而，營養(yǎng)條件和環(huán)境因素是其基因表達調控的主要信號。

真核生物主要由多細胞組成。食物來源和代謝途徑相對比較穩(wěn)定。但是由于它們多為多細胞有機體，在個體發(fā)育中出現細胞分化，而不同類型的細胞在質和量上對蛋白質的需求是不同的。因而，激素水平和發(fā)育階段是其基因表達調控的主要手段。原核生物真核生物

真核生物和原核生物細胞結構的不同，導致其基本生活方式完全不同，所以在基因表達調控上各具特點。

對于原核生物而言，既無充足的能源貯備，又無高等植物制造有機物的本領，也不能象動物一樣主動獲取食物。因此，調控是為了適應環(huán)境，獲取營養(yǎng)，達到生存即分裂繁殖的最優(yōu)化。調控特點體現一個“快”字，快速適應環(huán)境，獲取營養(yǎng)，合成必需蛋白質、降解不必要成分。這是長期進化，獲得的適應應變能力。-------適應環(huán)境獲取營養(yǎng)、解決“溫飽”問題

真核基因表達調控的最顯著特征是程序調控、按“既定方針辦”。在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現“預定”的、有序的、不可逆轉的分化、發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內保持正常生理功能，期間僅極少基因間接或直接受環(huán)境因素的影響。這一特點使真核在千變萬化的環(huán)境下，主要組織或器官仍能維持正常功能（“處世不驚”）。二、真核生物基因表達調控的種類1、根據其性質可分為兩大類：第一類是瞬時調控或稱為可逆性調控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節(jié)。第二類是發(fā)育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。2、根據基因調控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：DNA水平的調控

DNARegulation轉錄水平的調控

TranscriptionalRegulation轉錄后水平的調控

PosttranscriptionalRegulation翻譯水平的調控

TranslationalRegulation蛋白質加工水平的調控

ProteinmaturationandProcessing第二節(jié)DNA水平的基因表達調控（DNARegulation）基因丟失基因擴增基因重排DNA甲基化狀態(tài)與調控染色體結構與調控一、基因丟失（Geneloss）

在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。例如：在蛔蟲胚胎發(fā)育過程中，有27％DNA丟失。在高等動植物中，尚未發(fā)現類似現象。

二、基因擴增（Geneamplification）

基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性增大的現象。它使得細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。例如：非洲爪蟾的卵母細胞中原有rDNA約500個拷貝，在減數分裂Ⅰ的粗線期，基因開始迅速復制，到雙線期拷貝數約為200萬個，擴增近4000倍，可用于合成1012個核糖體，以滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質的需要。三、基因重排（genere-arrangement）

將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結構基因的表達。免疫球蛋白由B-淋巴細胞合成，其肽鏈主要由可變區(qū)（V區(qū)）、恒定區(qū)（C區(qū)）以及兩者之間的連接區(qū)（J區(qū)）組成。人類基因組中免疫球蛋白基因主要片段的數量比較所有Ig分子都含有兩類輕鏈中的一類，即κ型或λ型。V、C和J基因片段在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產生免疫球蛋白的細胞發(fā)育分化時，通過染色體內DNA重組把4個相隔較遠的基因片段連接在一起，從而產生了具有表達活性的免疫球蛋白基因。四、DNA的甲基化與基因活性調控DNA甲基化是最早發(fā)現的修飾途徑之一，可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化能關閉某些基因的活性，而去甲基化則誘導了基因的重新活化與表達。

DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。1．DNA甲基化的主要形式DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。

真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。其中，CpG二核苷酸通常成串出現在DNA上，因而被稱為CpG島（CpGisland）。它們大多位于結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始點，其中有60~90%的CpG被甲基化，。

二氫葉酸還原酶次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶核糖體蛋白不同結構基因上的CG島2、真核生物甲基化酶的分類真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：日常型（maintenance）甲基轉移酶：分I、II、III三類，它們在甲基化母鏈（模板鏈）指導下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化，例如DNA復制之后新鏈的甲基化。從頭合成（denovosynthesis）甲基轉移酶：催化未甲基化的CpG成為mCpG，不需要母鏈指導，但速度很慢。日常型甲基轉移酶引起的半甲基化DNA的甲基化3、甲基化抑制基因轉錄的機制DNA甲基化會導致某些區(qū)域DNA構象改變，使染色質高度螺旋化,凝縮成團,直接影響了轉錄因子于啟動區(qū)DNA的結合效率。DNA的甲基化不利于模板與RNA聚合酶的結合，從而降低了轉錄活性。甲基化的CpG可以通過與甲基化CpG結合蛋白1（methylCpG-bindingprotein1，MeCP1）的結合間接影響轉錄因子與DNA的結合。甲基化對基因轉錄的影響4、DNA甲基化程度與轉錄啟動子的關系

對弱啟動子來說，少量甲基化就能使其完全失去轉錄活性。當這類啟動子被增強時，即使不去甲基化也可以恢復其轉錄活性。甲基化密度較高時，即使增強后的啟動子仍無轉錄活性。

甲基化對轉錄的抑制強度與甲基化CpG結合蛋白因子MeCP1結合DNA的能力成正相關，甲基化CpG的密度和啟動子強度之間的平衡決定了該啟動子是否具有轉錄活性。甲基化對基因轉錄影響模式圖5、DNA甲基化對基因表達的其他影響DNA甲基化通過對基因轉錄的抑制，直接參與了發(fā)育調控。隨著個體發(fā)育，當需要某些基因保持“沉默”時，它們將迅速被甲基化，若需要恢復轉錄活性，則去甲基化。DNA去甲基化有兩種方式:被動途徑:一種NF核因子可以粘附于甲基化的DNA,使粘附點附近的DNA不能被完全甲基化,從而阻斷甲基化酶的作用。主動途徑:是由去甲基酶的作用,將DNA的甲基集團移去。五、染色質結構與基因表達調控1、“開放型”活性染色質結構對基因轉錄的影響

轉錄發(fā)生之前，染色質常常在特定的區(qū)域被解旋或松弛，形成自由DNA并發(fā)生DNA局部結構的變化，導致結構基因暴露，促進轉錄因子與啟動區(qū)DNA的結合，從而使基因轉錄。

在細胞分裂間期的細胞核中，染色質的形態(tài)不均勻。根據其形態(tài)及染色特點可分為常染色質和異染色質兩種類型。常染色質：折疊疏松、凝縮程度低，處于伸展狀態(tài)，堿性染料染色時著色淺。異染色質：折疊壓縮程度高，處于凝集狀態(tài)，經堿性染料染色著色深。常染色質：呈疏松的環(huán)狀，電鏡下表現為淺染；

異染色質：呈現凝縮狀態(tài)，電鏡下表現為深染。

真核細胞中基因轉錄的模板是染色質而不是裸露的DNA，因此染色質呈疏松或緊密結構，即是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否有效行使轉錄功能的關鍵。2.組蛋白和核小體對基因轉錄的影響組蛋白扮演了非特異性阻遏蛋白的作用。組蛋白與DNA結合阻止DNA上基因的轉錄，去除組蛋白基因又能夠恢復轉錄;核小體結構影響基因轉錄，轉錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結構。第三節(jié)轉錄水平的基因表達調控（TranscriptionalRegulation）

真核基因表達調控主要也是在轉錄水平上進行的，受大量特定的順式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor，又稱跨域作用因子）的調控。真核生物的轉錄調控大多數是通過順式作用元件和反式作用因子復雜的相互作用來實現的。引言一、真核生物的順式作用元件定義：指對基因表達有調節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因。例如：啟動子、增強子、沉默子等1、啟動子定義：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子元件（Ⅱ類）2、增強子（Enhancer）定義：指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。

作為基因表達的重要調節(jié)元件，增強子通常具有下列性質：①增強效應十分明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10-200倍；②增強效應與其位置和取向無關。不論增強子以什么方向排列（5′→3′或3′→5′），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現出增強效應；③大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產生增強效應時所必需的；④增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質（轉錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能；⑤沒有基因專一性，可以在不同的基因組合上表現增強效應；⑥許多增強子還受外部信號的調控，如：金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應。增強子的作用原理是什么呢？增強子可能有如下3種作用機制：①影響模板附近的DNA雙螺旋結構，導致DNA雙螺旋彎折或在反式因子的參與下，以蛋白質之間的相互作用為媒介形成增強子與啟動子之間“成環(huán)”連接，活化基因轉錄；②將模板固定在細胞核內特定位置，如連接在核基質上，有利于DNA拓撲異構酶改變DNA雙螺旋結構的張力，促進RNA聚合酶II在DNA鏈上的結合和滑動；③增強子區(qū)可以作為反式作用因子或RNA聚合酶II進入染色質結構的“入口”。4、沉默子（Silencer）

為負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。最早在酵母中發(fā)現，可不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用。5、應答元件（Responseelement）

能與某個（類）專一蛋白因子結合，從而控制基因特異表達的DNA上游序列稱為應答元件（responseelement）。它們與細胞內高度專一的轉錄因子相互作用，協(xié)調相關基因的轉錄。

含有短的共有序列；在不同基因中，拷貝相似，有時有多個拷貝；與轉錄起點距離不固定，一般位于上游元件或增強子內；激應答元件（heatshockresponseelement，HSE）糖皮質應答元件（glucocorticoidresponseelement，GRE）金屬應答元件（metalresponseelement，MRE最常見的應答元件有：二、真核生物的反式作用因子

反式作用因子是參與轉錄調控的蛋白因子，能直接地或間接地識別或結合在各類順式作用元件上，與順式作用元件一起對轉錄起調控作用。通過蛋白質-DNA，蛋白質-蛋白質相互作用是其發(fā)揮功能的基礎。1、反式作用因子中的分類（1）通用反式作用因子：在一般細胞中普遍存在，主要識別一些啟動子的核心啟動成分。如識別TATA框的TBP；識別上游啟動子CAAT框的CTF/NF-1；識別GC框的SP1；識別八聚體核苷酸的Oct-1等；（2）特異反式作用因子：存在于特殊組織與細胞中的反式作用因子。如：淋巴細胞中的Oct-2；（3）誘導型因子：和應答元件（Responseelements）相結合的反式作用因子。如：與激素應答元件GRE結合的糖皮質激素；與特異性結合的是熱激因子（HSF）等。2、反式作用因子中的功能結構域三個主要的功能結構域：（1）DNA識別結合域（DNA-bindingdomain）

反式作用因子結構中用來同順式作用元件結合的結構區(qū)域，主要起結合DNA作用。（2）轉錄活化結構域(transcriptionalactivationdomain）

用來同其他蛋白因子結合，參與募集啟動子結合蛋白和轉錄起始復合體，控制基因轉錄活化的結構區(qū)域。（3）聯結區(qū)域（connector）

反式作用因子的DNA結合域和活化結構域是獨立發(fā)揮作用的，DNA結合域的功能只是把活化結構域“拴在”起始復合體附近，使之能夠發(fā)揮活化轉錄的作用。而DNA結合域和活化結構域之間的聯結區(qū)域（connector）是具有足夠柔性的，這樣，不論DNA結合域所結合的具體位點在哪里，都能使活化結構域找到其靶蛋白。3、反式作用因子中的DNA識別結合域

反式作用因子是能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。螺旋-轉角-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）鋅指（Zincfinger）結構堿性-亮氨酸拉鏈（basic-Leucinezippers）堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic-helix-loop-helix）螺旋-轉角-螺旋(H-T-H)結構

該結構域主要包含兩個或以上α-螺旋區(qū)和螺旋區(qū)中間的轉折區(qū)。主要通過一個靠C端的α-螺旋與DNA雙螺旋大溝結合。鋅指（Zincfinger）結構

是一種常出現在DNA結合蛋白中的結構。是由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys或2個Cys和2個His配位的Zn構成，形成的結構像手指狀。Cys2/Cys2鋅指Cys2/His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1，TFⅢA等具有Cys2/Cys2鋅指區(qū)的轉錄因子典型的類固醇激素受體結構示意圖一些具有Cys2/His2鋅指區(qū)的轉錄因子和蛋白質轉錄因子SP1（GC盒）、連續(xù)的3個鋅指重復結構。TFIIIA結構域示意圖堿性-亮氨酸拉鏈結構特點為蛋白形成的α-螺旋結構上每6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，這些亮氨酸出現在-螺旋的一個方向，每兩個蛋白組成一個二聚體，使亮氨酸相對排列，形成拉鏈樣結構，在拉鏈區(qū)的氨基端有個約30個殘基的堿性區(qū)(富含賴氨酸和精氨酸)。此區(qū)的作用是與DNA結合，它也形成-螺旋。不同轉錄因子的亮氨酸拉鏈結構氨基酸組成圖堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（bHLH）蛋白質的C端的氨基酸殘基形成兩個α-螺旋，中間被非螺旋的環(huán)狀結構隔開，蛋白質的N端是堿性區(qū)，為DNA結合區(qū)。堿性-螺旋-環(huán)-螺旋類蛋白通常也是組成二聚體的形式，這才具有結合DNA的能力。二聚體bHLH蛋白與DNA結合模式圖4、常見的轉錄活化結構域

一般是DNA結合結構域以外的30-100氨基酸殘基組成，主要包括以下幾種特征性結構：酸性α-螺旋結構域（acidicα–helixdomain）富含谷氨酰胺結構域（glutamine-richdomain）富含脯氨酸結構域（proline-richdomain）（1）酸性α-螺旋(acidicα-helix)/帶負電荷的螺旋結構

該結構域含有由酸性氨基酸殘基組成的保守序列，多呈帶負電荷的親脂性α-螺旋。包含這種結構域的轉錄因子有GAL4、GCN4、糖皮質激素受體和AP-1/Jun等。（2）谷氨酰胺豐富區(qū)（glutamine-richdomain）SP1是啟動子GC盒的結合蛋白，共有4個參與轉錄活化的區(qū)域，其中最強的轉錄活化域含25%左右的谷氨酰胺。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳動物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有這種結構域。（3）脯氨酸豐富區(qū)（proline-richdomain）CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端與其轉錄激活功能有關，含有20-30%的脯氨酸殘基，其它如Oct2、Jun哺乳動物轉錄因子中也富含這種結構。幾種常見的轉錄活化結構域三、真核基因轉錄調控的模式

細胞是生命活動的基本單位。細胞通過DNA的復制和細胞分裂將本身所固有的遺傳信息由親代傳至子代，實現增殖繁衍。同時，它們還不斷地“感知”環(huán)境變化，并對環(huán)境變化作出特定的應答。

細胞應答可以分為3個階段：感知外界信息（信息由細胞膜至核內）

染色質結構的改變，相應轉錄因子的活化

特定基因的表達過程問題1：信號是如何順利通過細胞膜和核膜的阻隔到達核內，從而影響基因表達的特定區(qū)域？

目前認為，細胞表面受體與配體分子的高親和力特異性結合，能誘導受體蛋白構象變化，使細胞胞外信號順利通過質膜進入細胞內。受體（receptor）：是細胞膜上或細胞內能特別識別生物活性分子并與之結合的成分。它能把識別和接受的信號正確無誤地放大并傳遞到細胞內部，進而引起生物學