第章八基因的表達與調控（下）

——真核基因表達調控的一般規律一、真核生物的基因結構與轉錄活性二、真核基因轉錄機器的主要組成三、蛋白質磷酸化對基因轉錄的調控四、蛋白質乙酰化對基因轉錄的影響五、激素與熱激蛋白對基因表達的影響六、其他水平上的基因調控生物體任何時候只表達部分基因IttakeslotsofenergytoexpressgenesThusitwouldbewastefultoexpressallgenesallthetimeBydifferentialexpressionofgenes,cellscanrespondtochangesintheenvironmentDifferentialexpression,allowscellstospecializeinmulticelledorganisms.Differentialexpressionalsoallowsorganismstodevelopovertime.真核和原核在基因表達調控上的巨大差別是由兩者基本生活方式不同所決定的原核：單細胞，調控目的是為了適應環境，方式主要為：on－off真核：多細胞，調控目的是為了完成發育和分化，方式多層次、多方式，能在特定的時間和空間激活特定的基因。真核基因調控瞬時調控（可逆調控）：對環境反應（底物、激素、酶）發育調控（不可逆調控）：決定真核細胞的生長、分化、發育按調控的先后轉錄后調控轉錄水平調控翻譯水平調控RNA的加工成熟蛋白質加工水平調控研究基因調控主要應回答3個問題1、什么是誘發基因轉錄的信號？2、基因調控主要是在那一步實現的？3、不同水平基因調控的分子機制是什么？一、真核基因結構與轉錄活性真核與原核基因調控的共同點（Similarityofregulationbetweeneukaryotesandprokaryote）：Principlesarethesame:signals,activatorsandrepressors,recruitmentandallostery,cooperativebindingExpressionofagenecanberegulatedatthesimilarsteps,andtheinitiationoftranscriptionisthemostpervasivelyregulatedstep.

真核與原核細胞在轉錄、翻譯及DNA空間結構方面有如下差異：1、真核細胞一條成熟mRNA只翻譯一條多肽鏈，原核為多基因操縱子2、真核DNA與組蛋白、非組蛋白結合，很少有裸露DNA3、真核細胞DNA中含大量不轉錄的重復序列，大部分真核基因含不被翻譯的內含子4、真核生物能進行DNA的重排、增加拷貝數5、真核生物轉錄調節區很大6、真核生物轉錄在細胞核內進行，翻譯在胞質中進行7、真核生物基因要經過復雜的成熟和剪接過程才能被翻譯成蛋白質Alotmoreregulatorbindingssitesinmulticellularorganismsreflectsthemoreextensivesignalintegration真核生物基因表達調控水平：GenestructureTranscriptionRNAprocessing(splicingorothertypesofprocessing)mRNAtransportmRNAdegradationandstoregeTranslationPosttranslationalmodulationofproteinactivityFigure14.1EukaryoticmRNAIsTranscribedintheNucleusbutTranslatedintheCytoplasm

RegulationofGeneExpressionSixstepsatwhicheucaryoticgeneexpressioncanberegulated.DNARNAtranscriptmRNAmRNAinactivemRNAproteininactiveproteinNUCLEUSCYTOSOLtranscriptionalcontrolRNAprocessingcontrolRNAtransportandlocalizationcontrol

translationcontrol

mRNAdegradationcontrol

proteinactivitycontrol（一）基因家族基因家族（genefamily）：真核細胞中許多相關的基因按功能成套組合1、簡單多基因家族一般以串聯方式前后相連。例：◆大腸桿菌的rRNA30S的前rRNA甲基化酶切17S、tRNA、25S、5SrRNA前體核酸酶降解成熟的16S、tRNA、23S、5SrRNA◆真核生物：40S前rRNA甲基化切割18S、28S、5.8S一、真核基因結構與轉錄活性Figure14.2AModeratelyRepetitiveSequenceCodesforrRNA

2、復雜多基因家族一般由幾個相關基因家族構成，家族之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位例：◆海膽▲5個組蛋白基因處于一個6000bp的片段中，分別被間隔序列隔開，且這個串聯單位可有1000個拷貝▲每個基因都為單順反子，都無內含子▲各基因轉錄方向相同，轉錄和翻譯的速度受到調節，H2A、H2B、H3、H4數量相等，H1為它們的一半▲在一個特定的細胞中，并不是所有串聯的單位都得到轉錄。◆果蠅：tRNA基因家族特點：基因家族中含有3個tRNALys基因基因家族中的每個基因都單獨按各自的方向轉錄3、發育調控的復雜多基因家族血紅蛋白α簇：16號染色體的短臂上，30kb，ζ為胚胎期基因β簇：11號染色體的短臂上，50－60kb，?為胚胎期基因，Gγ

和Aγ為胎兒型基因，δ和β

為成人期基因。圖8－6，8－7每個基因家族中，基因排列的順序就是它們在發育階段的表達順序珠蛋白的演變：原始珠蛋白產生于8億年前，由單基因編碼，現代珠蛋白基因家族是由同一個原始基因通過一系列的重復、突變和轉位演變而成的。單基因，單亞基突變，雜合基因，四聚體進一步演化新亞型Figure14.7TheGlobinGeneFamily

Figure14.8DifferentialExpressionintheGlobinGeneFamily

（二）真核基因斷裂結構斷裂基因（interruptedgene）：外顯子（exon）：內含子（intron）：斷裂基因特點：▲不同基因內含子的數量和大小不同（舉例膠原蛋白）▲內含子的功能尚不清楚（？）▲只有真核生物具有切除基因中內含子，產生功能型mRNA和蛋白質的能力▲斷裂基因的結構形式為某些重要蛋白質的編碼區提供了進行重組的潛在位點EukaryoticGeneComplexityYeastintronsrarepromotersadjacentgenomedense“large”Eukaryotesintronscommon,LONGERthanexonsPromoter/enhancergenomesparseFungiintronscommon,shortrelativetoexonspromoter/enhancergenomedense2、外顯子與內含子的連接區定義：外顯子和內含子的交界序列特征：內含子兩端序列間沒有廣泛的同源性外顯子和內含子連接區高度保守GT-AG法則：供體位點（donorsite,左剪接位點）受體位點（acceptorsite,右剪接位點）線粒體基因和酵母tRNA不同3、外顯子與內含子的可變調控RNAsplicingistheprocessofexcisingthesequencesinRNAthatcorrespondtointrons,sothatthesequencescorrespondingtoexonsareconnectedintoacontinuousmRNA.組成型剪接：一個基因的轉錄產物通過剪接只產生一種成熟mRNA，編碼一個多肽.選擇性剪接：基因的轉錄產物通過不同的剪接方式產生不同的mRNA，并翻譯成不同的蛋白質例：小鼠淀粉酶基因（起始外顯子不同S，L）Figure2.27Alternativesplicingusesthesamepre-mRNAtogeneratemRNAsthathavedifferentcombin-ationsofexons.

2.9SomeDNAsequencescodeformorethanoneproteinFigure2.28AlternativesplicinggeneratestheaandbvariantsoftroponinT.

2.9SomeDNAsequencescodeformorethanoneprotein（三）真核生物DNA水平上的基因表達調控1、開放型活性染色質結構對轉錄的影響真核基因的活躍轉錄是在常染色質上進行的，轉錄前染色質在特定區域解旋松弛，形成自由DNA。這種變化包括：▲核小體結構的消除或改變▲

DNA本身局部結構的變化，從右旋型變為左旋型這些變化可導致結構基因暴露，促進轉錄因子與啟動區DNA結合，誘發基因轉錄活躍染色質的特點▲更容易被DNA酶Ⅰ降解，可被單鏈核酸酶降解例：雞成紅細胞染色質：β－血紅蛋白基因比卵清蛋白基因更易被DNA酶Ⅰ切割，而在雞輸卵管細胞中則相反。DNA酶I超敏感位點：果蠅唾液腺染色體中，膠原蛋白基因sgs4原因：活躍表達基因啟動區部分序列解開成單鏈，不能纏繞在核小體上，使啟動區DNA裸露于組蛋白表面，形成了對DNA酶Ⅰ的超敏感現象。而這是基因轉錄所必須的▲燈刷型染色體：泡狀或環狀結構，染色體充分伸展，與基因的活性轉錄有關。▲兩種狀態可逆2、基因擴增Amplificationreferstotheproductionofadditionalcopiesofachromosomalsequence,foundasintrachromosomalorextrachromosomalDNA.基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性大量增加的現象，它使細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發育的需要，是基因活性調控的一種方式。例：▲非洲爪蟾的卵母細胞rRNA基因▲果蠅卵巢顆粒細胞中卵殼蛋白基因3、基因的重排與變換基因重排：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，這種方式稱為基因重排。例：▲免疫球蛋白V區、C區、J區在胚胎細胞中相隔較遠，編碼產生免疫球蛋白的細胞發育分化時，通過染色體內DNA重組把這幾個基因片段連接在一起，產生了具有表達活性的免疫球蛋白基因。▲酵母的：交配型轉換（MATa，MATα）人血紅蛋白基因表達：

β鏈基因家族的調節基因和受體基因▲胚胎發育早期：S1缺失，形成調節啟動基因R1A1，產生ε鏈▲胚胎發育后期：S2缺失，形成R2A2，產生γ鏈▲出生后：S3缺失，形成R3A3，產生β和σ鏈α肽鏈基因也同樣（四）甲基化與基因活性的調控DNAmethylation◆

DNA的甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導基因活化和表達◆

DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達◆

DNA甲基化與遺傳病1、DNA甲基化DNA甲基化主要針對：A、C、G高等生物CpG中的C通常甲基化，極易自發脫氨成為T，因而CpG出現頻率很低，而非甲基化C-U突變易被識別而校正。由于CpG通常成串出現在DNA上，這段序列往往被稱為CpG島。日常型：在甲基化母鏈的指導下，使另一條DNA鏈甲基化從頭合成型：催化未甲基化的CpG，不需母鏈指導甲基化酶ReplicationofmethylatedDNAgiveshemimethylatedDNA,whichmaintainsitsstateatGATCsitesuntiltheDammethylaserestoresthefullymethylatedcondition.

Geneexpressionisassociatedwithdemethylation2、DNA甲基化抑制基因轉錄的機理DNA甲基化導致某些區域DNA構象變化，從而影響蛋白質與DNA的相互作用，抑制了轉錄因子與啟動區DNA的結合效率。機理：甲基化的DNA常由B-DNA向Z-DNA過渡，由于后者結構收縮，螺旋加深，使許多蛋白質因子賴以結合的元件縮入大溝而不利于轉錄的起始。◆

5-甲基胞嘧啶的分布不是隨機的，基因的5‘端和3’端往往富含甲基化位點，◆轉錄程度與啟動區甲基化密度和啟動子的強度有關，甲基化CpG的密度與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圖8－14弱啟動子：強啟動子：例：低密度CpG：小鼠α-珠蛋白、人γ-珠蛋白高密度CpG：人α-珠蛋白不同程度甲基化，并裝上增強子序列，表達情況：圖8-15◆

DNA甲基化提高該位點的突變頻率3、DNA甲基化與X染色體失活雌性胎生哺乳類動物細胞中兩條X染色體之一在發育早期隨機失活X染色體失活中心（Xic）：人在Xq13區，小鼠在3XD失活的染色體上的絕大多數基因為關閉狀態，DNA高度甲基化Xist基因：只在失活染色體上表達機制：Xist基因在活性染色體上總是甲基化的，而在失活染色體上是去甲基化的。其產物是一功能性RNA分子，能與Xic位點作用，引起后者構象變化，易與蛋白因子結合，最終導致X染色體失活。二、真核基因轉錄機器的主要組成轉錄水平的調控是基因表達調控中最重要的環節。（一）真核基因的轉錄特異性基因轉錄的基本條件包括：①啟動子(特別是核心啟動子)②轉錄模板(轉錄起始點（+1）---終止點)③RNAPolⅡ④普通轉錄因子(GTFs)圖3-9

一個典型的真核細胞基因結構示意圖點擊數：823

更新時間：2005-6-1922:10:43

1、啟動子(promoter)

與基因轉錄啟動有關的一組DNA序列，一般位于RNApoII轉錄起始點上游100-200bp以內，其功能是決定轉錄的起始點和調控轉錄頻率．啟動子區域包括核心啟動子和啟動子上游近側序列：1）核心啟動子(corepromoter)是決定轉錄起始位置的關鍵序列，也是普通轉錄因子TFⅡD的結合位點，

TATA盒(TATAbox)

位于轉錄起始點上游-30～-25bp．起始子(initiator，Inr)Inr是與轉錄起始位點重疊的短的較保守序列．下游核心啟動子注：①不是所有基因都含有這三種序列．有的只有其中之一，有的兩者都無．②這些核心啟動子的序列和它們之間的間隔多變2）上游啟動子元件(UpstreamPromoterelement，UPE)

位于較上游(-70bp)，能較強影響轉錄起始的頻率，如CAAT盒和GC盒．其中GC盒是轉錄因子SPl的結合位點。2、轉錄模板：包括從轉錄起始位點到RNA聚合酶Ⅱ轉錄終止處的全部DNA序列3、RNA聚合酶Ⅱ

負責真核生物蛋白編碼基因的轉錄(產物mRNA)，有10-12個亞基，最大亞基的羧基末端結構域(CTD)具有7個氨基酸(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Set)的重復序列，其中有多個磷酸化位點．CTD磷酸化對調控基因轉錄有重要作用．4、基礎轉錄因子(basaltranscriptionfactor)

真核基因轉錄除RNA聚合酶外還需要許多蛋白因子——轉錄因子參加，其中一些轉錄因子是RNA聚合酶Ⅱ轉錄起始必需的，并且可以維持基礎水平的轉錄，因此稱為基礎轉錄因子或普通轉錄因子(generaltranscriptionfactor)1）RNA聚合酶II的普通轉錄因子(TFII)▲TFIID是由TATA盒結合蛋白(TATAbindingprotein，TBP)和8種TBP協同因子(TBPassociatedfactor，TAF)組成的復合物，TFIID可識別和結合核心啟動子(TATA盒和Inr)；▲

TFⅡB的C端與TFIID和DNA的復合物結合，N-端與TFⅡF協同作用募集RNA聚合酶II，再加上TFIIE,TFIIH形成完整的轉錄復合物．▲

TFIIH有蛋白激酶活性，可使RNAPol最大亞基CTD磷酸化，使轉錄起始過渡到轉錄延伸．▲

TFIIA有助于TFIID與TATA盒核心啟動子結合．2）TAF的作用

TFIID中包括至少8種TBP協同因子,分子量為30－250kD,分別命名為TAFⅡ-30～250．TAFⅡ150識別起始子(1nr)序列．TAF是基因轉錄調控的輔助因子，它的作用是通過與多種轉錄調控因子（激活物或阻遏物）的轉錄調控結構域結合，而介導轉錄激活或抑制。TFIID介導形成轉錄前起始復合物(PIC) TATAbox在－25~－30處，由TFIID的TBP亞基結合,TFIIA參與促進TATA-TFIID穩定復合物的形成，TFIIB和TFIIF偶聯結合RNA聚合酶II形成封閉型前起始復合物(pre-initiationcomplex,PIC)，ATP水解供能(TFIIE的ATPase活性)和TFIIF解旋作用使得啟動子下游構象變化而解開雙螺旋，形成開放型起始復合物。無TATAbox基因由INR結合蛋白結合并與TBP相互作用促進復合物的形成。5、RNA聚合酶II的轉錄終止位點

▲

PolyA位點及其上游保守序列AATAAA對于初級轉錄產物的準確切割及加polyA是必需的。▲

RNA聚合酶II在polyA位點下游0.5-2kb處終止轉錄（二）基因轉錄的順式調控元件

順式調控元件(cis-regulatingelement)是指對基因表達有調控活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處于一個DNA分子上的基因．

1、啟動子(promoter)2、增強子(enhancer)

能顯著提高基因轉錄效率的一類順式調控元件（其核心序列常為8-12bp)．

增強子的作用特點：

1）增強效應十分明顯

2）增強效益與位置和取向無關

3）大多為重復序列，50bp，核心序列:G)TGGA/TA/TA/T(G)4）增強子一般具有嚴密的組織或細胞特異性．

5）無基因專一性，對同源基因或異源基因同樣有效；

6）許多增強子還受外部信號的調控增強子的作用原理，可能有如下三種機制：（思考）▲影響模板附近的DNA雙螺旋結構，或在反式因子的參與下，增強子與啟動子“成環”連接，活化基因轉錄▲將模板固定在細胞核特定位置，有利于改變DNA雙螺旋結構的張力。▲可以作為反式作用因子和RNA聚合酶Ⅱ進入染色質的入口增強子成環模型:

增強子結合蛋白酸性活化結構域與轉錄起始蛋白因子相互作用使DNA彎曲而影響基因轉錄。5’DNA3’EnhancersEnhancerTranscribedRegion3’5’TFTFTF3’5’TFTFTF5’RNARNAPol.RNAPol.ManybasesPromoter3、負調控元件—沉寂子

負調控元件是能抑制基因表達的序列．如沉寂子(silencer)4、其它順式調控元件

1）應答元件(responsiveelements)

真核細胞中對某些特定的環境作出應答的基因，常具有相同的順式元件—應答元件．應答元件能被在一些特定情況下表達的調控因子識別(又稱為可誘導的順式調控元件／反式作用因子)。

2）轉座元件對基因表達的調控

概念：能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質（一）轉錄因子的種類按功能分:1)普遍性轉錄因子,如TFIID等；

2)轉錄激活因子，結合UPE/enhance3)轉錄抑制因子，為負調控因子；按靶位點的特異性分

1)組織/細胞特異性結合因子；

2)序列特異性結合因子:大多數DNA結合蛋白;3)基因特異性結合因子:結合特定基因的序列;三、反式作用因子

類型I基因的轉錄因子（rRNA)

UBF:upstreambindingfactor,可結合核心啟動子和上游啟動子序列，與HMG-1的DNA結合結構域具相似結構；

SL-1:

結合核心啟動子序列，由TBP和3種TAFs組成；

TFIC和TFIA:

結合和激活RNApolI；類型III基因的轉錄因子（tRNA)

TFIIIA:

結合5SrRNA基因內部