第八章真核基因表示調控Eukaryotegeneexpressionregulation真核生物基因轉錄調控專家講座第1頁目標要求掌握基因表示定義、特點、方式掌握順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調控相同和不一樣之處掌握開啟子、增強子和轉錄因子概念、結構、功效及其相互關系真核生物基因轉錄調控專家講座第2頁序言(introduction)Centraldogma真核生物基因轉錄調控專家講座第3頁transcriptiontranslationgeneexpression序言(introduction)真核生物基因轉錄調控專家講座第4頁一、基因表示概念基因表示:從DNA到蛋白質過程,就是基因轉錄及翻譯過程。基因表示產物：蛋白質或RNA細胞或生物體全套遺傳物質，稱為基因組（genome）。在某一特定時期，基因組中通常只有部分基因表示。第一節

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple真核生物基因轉錄調控專家講座第5頁二、基因表示時間性及空間性基因表示有嚴格規律性時間特異性（temporalspecificity）按功效需要，某一特定基因表示按特定時間次序發生。基因表示時間特異性與分化、發育階段相一致，又稱階段特異性（stagespecificity）。

after50years真核生物基因轉錄調控專家講座第6頁空間特異性（spatialspecificity）在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不一樣組織空間次序出現。基因表示空間特異性又稱細胞特異性（cellspecificity）或組織特異性（tissuespecificity）。真核生物基因轉錄調控專家講座第7頁

基因表示時間、空間特異性由特異基因開啟子（序列）和（或）增強子與調整蛋白相互作用決定。

決定基因表示時間、空間特異性分子基礎真核生物基因轉錄調控專家講座第8頁三、基因表示方式㈠組成性表示（constitutivegeneexpression）

㈡誘導和阻遏表示(inducingandrepressingexpression)真核生物基因轉錄調控專家講座第9頁㈠組成性表示（constitutivegeneexpression）一些基因產物對生命全過程都是必需或必不可少。這類基因在一個生物個體幾乎全部細胞中連續表示，通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。表示水平較恒定，波動小。這類基因表示被視為基本或組成性基因表示。表示只受開啟序列或開啟子與聚合酶相互作用調整。真核生物基因轉錄調控專家講座第10頁㈡誘導和阻遏表示誘導（induction）可誘導基因在特定環境信號刺激下被激活，基因表示產物增加過程。阻遏（repression）可阻遏基因對環境信號應答時被抑制，基因表示產物水平降低過程。*************************************************表示水平易隨環境信號刺激而升高(誘導)或降低(阻遏)，波動大。適應性表示（adaptiveexpression)基因除受開啟序列或開啟子與RNA聚合酶相互作用外，還經過其它調控序列中所含特異反應元件接收其它機制調整。真核生物基因轉錄調控專家講座第11頁協調表示（coordinateexpression）

功效上相關一組基因，不論其為何種表示方式，在一定機制控制下，協調一致、共同表示，即為協調表示。

這種調整稱為協調調整（coordinateregulation）。真核生物基因轉錄調控專家講座第12頁

四、基因表示調控生物學意義㈠適應環境、維持生長和增殖

編碼基因表示是否及水平決定了細胞內某種功效蛋白質分子有或無、多或少等數量改變。㈡維持個體發育與分化

在同一生長發育階段，不一樣組織器官內蛋白質分子分布差異是調整細胞表型關鍵。真核生物基因轉錄調控專家講座第13頁HOXmutantAntenna—leg左、正常果蠅觸角為具芒觸角，右、突變果蠅觸角發育為足真核生物基因轉錄調控專家講座第14頁Bithoraxmutant果蠅雙胸突變（兩節中胸，沒有后胸，因而沒有平衡棒）真核生物基因轉錄調控專家講座第15頁五、基因表示調控基本原理㈠基因表示多級調控㈡基因轉錄激活調整基本要素真核生物基因轉錄調控專家講座第16頁㈠基因表示多級調控(P238圖7-1)基因激活轉錄起始轉錄后加工mRNA降解蛋白質翻譯翻譯后加工修飾蛋白質降解等

轉錄轉錄后翻譯翻譯后真核生物基因轉錄調控專家講座第17頁㈡基因轉錄激活調整基本要素

１．特異DNA序列原核生物操縱子

操縱子(operon)由結構基因與開啟子（promoter）、操縱序列（operator）以及調整基因組成。真核生物基因轉錄調控專家講座第18頁

開啟子序列是RNA聚合酶結合并開啟轉錄特異DNA序列。

在轉錄起始點上游－１０及－３５區域存在一些相同序列，稱為共有序列（consensussequence）－１０區域是TATAAT，又稱Pribnow盒（Pribnowbox,TATAbox）－３５區域為TTGACA。

真核生物基因轉錄調控專家講座第19頁操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)結合位點開啟序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白真核生物基因轉錄調控專家講座第20頁調整基因

ControlelementStructuralgenes真核生物基因轉錄調控專家講座第21頁真核生物基因轉錄激活調整DNA序列,由若干DNA序列元件組成，因為它們常與特定功效基因連鎖在一起，所以被稱為——順式作用元件（cis-actingelement）（P257）：可影響本身基因表示活性DNA序列。真核生物基因轉錄激活調整DNA序列——順式作用元件真核生物基因轉錄調控專家講座第22頁真核生物基因轉錄調控專家講座第23頁常見有開啟子(-30區TATA盒或Hognessbox，CAAT盒，GC盒)、增強子和緘默子。順式作用元件(P255)真核生物基因轉錄調控專家講座第24頁２．調整蛋白

1)原核生物基因調整蛋白阻遏蛋白（repressor）可結合特異DNA序列——操縱序列，阻遏基因轉錄。阻遏蛋白介導負性調整機制。激活蛋白（activator）可結合開啟序列臨近DNA序列，促進RNA聚合酶與開啟序列結合，增強RNA聚合酶活性。真核生物基因轉錄調控專家講座第25頁mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時,lac操縱子處于阻遏狀態。阻遏蛋白負性調整阻遏基因真核生物基因轉錄調控專家講座第26頁mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol開啟轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶真核生物基因轉錄調控專家講座第27頁CAP分子內有DNA結合區及cAMP結合位點。當沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時，cAMP與CAP結合而刺激RNA轉錄活性；當有葡萄糖存在時，cAMP濃度降低，cAMP與CAP結合受阻，lac操縱子表示下降。

CAP正性調整真核生物基因轉錄調控專家講座第28頁真核生物基因轉錄調控專家講座第29頁2)真核基因調整蛋白--轉錄因子（transcriptionfactor）轉錄調整因子由某一基因表示后，經過與特異順式作用元件相互作用（DNA-蛋白質相互作用）反式激活另一基因轉錄，故稱反式作用因子（trans-actingfactor）(P259):能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件關鍵序列上，參加調控靶基因轉錄效率蛋白質。順式作用及順式作用蛋白。真核生物基因轉錄調控專家講座第30頁cDNAaDNA反式調整C順式調整mRNAC蛋白質CBAmRNA蛋白質AA真核生物基因轉錄調控專家講座第31頁３．DNA-蛋白質、蛋白質－蛋白質相互作用

DNA-蛋白質相互作用（DNA-proteininteraction）

反式作用因子與順式作用元件之間特異識別及結合。DNA結合位點呈對稱、或不完全對稱結構（見圖）。DNA-蛋白質間經過堿基與氨基酸相互聯絡形成復合物。真核生物基因轉錄調控專家講座第32頁真核生物基因轉錄調控專家講座第33頁

絕大多數調整蛋白結合DNA前需經過蛋白質－蛋白質相互作用形成二聚體（dimer）或多聚體（ploymer）(eg.bZIP結構P262;bHLH結構P263)。

二聚化（dimerization）就是指兩分子蛋白質單體（monomer）經過一定結構域結合成二聚體。二聚體包含同二聚體（homodimer），異二聚體（heterodimer）。

蛋白質－蛋白質相互作用（protein-proteininteraction）真核生物基因轉錄調控專家講座第34頁４．RNA聚合酶

１）開啟子與RNA聚合酶活性：開啟子核苷酸序列會影響其與RNA聚合酶親和力，直接影響轉錄起動頻率。真核RNA聚合酶單獨存在時，與開啟子親和力極低或無親和力，必須與基本轉錄因子形成復合物才能與開啟子結合。

RNA聚合酶基本轉錄因子真核生物基因轉錄調控專家講座第35頁（2）調整蛋白與RNA聚合酶活性：開啟子決定基因基礎轉錄頻率。一些特異調整蛋白在適當環境信號刺激下在細胞內表示，隨即這些調整蛋白經過DNA-蛋白質相互作用、蛋白質－蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎轉錄頻率發生改變。誘導劑、阻遏劑等小分子信號經過改變調整蛋白分子構象影響基因表示。

誘導劑、阻遏劑真核生物基因轉錄調控專家講座第36頁

第二節真核基因轉錄調整RegulationofEukaryoticGeneTranscription真核生物基因轉錄調控專家講座第37頁原核與真核生物基因表示差異RepeptitivegeneOverlappinggeneSplittinggenenointronPost-transcriptiontranscription&translation

RNAprocessingsynchronizelyEukaryoteProkaryote

DNA+histon→chromatin

NakedDNA回顧真核生物基因轉錄調控專家講座第38頁enhancer&silencerAttenuatermonocistronpolycistron(operon)m5C

geneofftransfactoracetylationphosphorylationmethylationglucosylationactiveformEukaryoteProkaryote真核生物基因轉錄調控專家講座第39頁一、真核基因組結構特點（一）

真核基因組結構龐大

哺乳類動物基因組DNA約3×109堿基對編碼基因約有40000個，占總長6%rDNA等重復基因約占5%~10%轉錄是在活化染色質結構中進行（P265）真核生物基因轉錄調控專家講座第40頁（二）單順反子(monocistron)一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復序列單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（106次）中度重復序列（103~104次）多拷貝序列（四）基因不連續性（P243）正相重復序列與反轉重復序列(invertedrepeat,5%)真核生物基因轉錄調控專家講座第41頁二、真核基因表示調控特點（一）RNA聚合酶(P256)真核RNA聚合酶有RNAPolⅠ、Ⅱ及Ⅲ。對PolⅡ催化mRNA轉錄來說，轉錄因子D(TFⅡD)起關鍵作用真核生物基因轉錄調控專家講座第42頁真核生物基因轉錄調控專家講座第43頁二、真核基因表示調控特點（二）活性染色體結構改變真核生物基因轉錄調控專家講座第44頁真核生物基因轉錄調控專家講座第45頁真核生物基因轉錄調控專家講座第46頁真核生物基因轉錄調控專家講座第47頁真核生物基因轉錄調控專家講座第48頁1.對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調整蛋白結合位點附近。真核生物基因轉錄調控專家講座第49頁2.DNA拓撲結構改變天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向3.DNA堿基修飾改變真核DNA約有5%胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表示程度呈反比。真核生物基因轉錄調控專家講座第50頁4.組蛋白改變①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調整占主導（四）轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工真核生物基因轉錄調控專家講座第51頁三、真核基因轉錄激活調整（一）順式作用元件1.開啟子真核基因開啟子是RNA聚合酶結合位點周圍一組轉錄控制組件，最少包含一個轉錄起始點（transcriptionstartsite，initiationsite）以及一個以上功效組件。TATA盒GC盒（GGGCGG）CAAT盒（GCCAAT）真核生物基因轉錄調控專家講座第52頁非經典開啟子：不含TATA盒，富含GC開啟子；既不含TATA盒，也沒有GC富含區。

關鍵開啟子元件上游開啟子元件真核生物基因轉錄調控專家講座第53頁順式作用元件２．增強子(enhancer)（P256）

指能使與它連鎖基因轉錄頻率顯著增加DNA序列。遠離轉錄起始點（１～３０kb）、決定基因時間、空間特異性表示、增強開啟子轉錄活性DNA序列，其發揮作用方式通常與方向、距離無關。增強子也是由若干功效組件——增強體（enhanson）組成。在酵母基因，有一個類似高等增強子樣作用序列，稱為上游激活序列（upstreamactivatorsequences，UAS）。

真核生物基因轉錄調控專家講座第54頁增強子作用特點：

①增強子提升同一條DNA鏈上基因轉錄效率，能夠遠距離作用(1－4kb、30kb)，在基因上游或下游都能起作用。②增強子作用與其序列正反方向無關③增強子與開啟子在結構、功效上親密聯絡，要有開啟子才能發揮作用,但對開啟子沒有嚴格專一性，同一增強子能夠影響不一樣類型開啟子轉錄。④增強子作用機理即使還不明確，但必須與特定蛋白質因子結合后才能發揮增強轉錄作用。增強子普通含有組織或細胞特異性，是由這些細胞或組織中含有特異性蛋白質因子所決定。３．緘默子（silencer）

一些基因DNA序列含有負性調整元件——緘默子。真核生物基因轉錄調控專家講座第55頁（二）反式作用因子

1.轉錄調整因子分類（按功效特征）*基本轉錄因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結合開啟子所必需一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉錄類別。真核生物基因轉錄調控專家講座第56頁真核生物基因轉錄調控專家講座第57頁*特異轉錄因子(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉錄所必需，決定該基因時間、空間特異性表示。轉錄激活因子轉錄抑制因子真核生物基因轉錄調控專家講座第58頁真核生物基因轉錄調控專家講座第59頁2.轉錄調整因子結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域真核生物基因轉錄調控專家講座第60頁A.鋅指(zincfinger)結構C——CysH——His常結合GC盒真核生物基因轉錄調控專家講座第61頁蛋白質分子肽鏈上每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，結果就造成這些亮氨酸殘基都在α螺旋同一個方向出現。兩個相同結構兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結合成二聚體，該二聚體另一端肽段富含堿性氨基酸殘基，借其正電荷與DNA雙螺旋鏈上帶負電荷磷酸基團結合。B.堿性－亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,bZIP)（與CAAT盒和病毒增強子結合）真核生物基因轉錄調控專家講座第62頁兩個HTH（HLH）以二聚體形式相連，距離恰好相當于DNA一個螺距(3.4nm)，兩個α螺旋剛好分別嵌入DNA深溝。常結合CAAT盒C、螺旋-轉角-螺旋(helixturnhelix,HTH)及螺旋-環-螺旋(helixloophelix,HLH)真核生物基因轉錄調控專家講座第63頁（三）mRNA轉錄激活及其調整TFⅡD開啟子復合物

真核RNA聚合酶Ⅱ先由基本轉錄因子TFⅡD組成成份TBP識別TATA盒或開啟元件(initiator，Inr)，并有TAF參加結合，形成TFⅡD開啟子復合物；前起始復合物PIC繼而在TFⅡA～F等參加下，RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、TFⅡB聚合，形成一個功效性前起始復合物PIC。基本轉錄因子中，TFⅡD是唯一含有位點特異DN