1、基本概念與原理 一、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性,（一）時(shí)間特異性,目 錄,第八章 真核生物基因表達(dá)調(diào)控,（二）空間特異性,基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱(chēng)細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。,在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性(spatial specificity)。,目 錄,二、基因表達(dá)的方式,按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：,（一）組成性表達(dá),某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因(housekeeping

2、gene)。,無(wú)論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類(lèi)基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)。,（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá),在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱(chēng)為可誘導(dǎo)基因。,可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)。,如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱(chēng)為阻遏(repression)。,在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式

3、，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。,三、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理,（一）基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控,基因激活,轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工 mRNA降解,轉(zhuǎn)錄起始,（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素,基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。,1. 特異DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì),指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識(shí)別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被識(shí)別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對(duì)稱(chēng)、或不完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。,絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過(guò)

4、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。,3. RNA聚合酶, 原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性,RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。, 調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性,一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過(guò)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。,第一節(jié) 概述 真核生物和原核生物在基因表達(dá)調(diào)控上有以下幾點(diǎn)不同： 1. 真核生物的轉(zhuǎn)錄激活總是伴隨著轉(zhuǎn)錄區(qū)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。 2. 基因表達(dá)調(diào)控一般以正調(diào)控為主。 3.真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間和空間上是分離的，調(diào)控的環(huán)節(jié)更多，復(fù)雜性更高。 4 真核生物基本上是采取逐個(gè)基因調(diào)

5、控表達(dá)的形式。,真核生物轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)調(diào)控最主要的步驟。 真核生物基因的表達(dá)能在幾個(gè)連續(xù)步驟中的任一步中以基因特有（gene specific）的方式受到調(diào)控。 真核生物體內(nèi)各種細(xì)胞表型的差異主要是編碼蛋白質(zhì)的基因的表達(dá)不同引起的。這些編碼蛋白質(zhì)的基因都經(jīng)過(guò)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄。,DNA水平的調(diào)控,染色質(zhì)丟失 低等生物及動(dòng)物紅細(xì)胞，不可逆 基因擴(kuò)增 基因重排 基因片段改變?cè)暯禹樞?，重排為完整的轉(zhuǎn)錄單位,DNA甲基化 與基因的表達(dá)成反比關(guān)系 直接改變基因的構(gòu)型影響轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件結(jié)合 5端調(diào)控序列甲基化后與核內(nèi)甲基化CG序列結(jié)合蛋白結(jié)合 DNase高敏感區(qū)為去甲基化的標(biāo)志,真核細(xì)胞會(huì)發(fā)

6、生基因擴(kuò)增(gene amplification)，即基因組中的特定段落在某些情況下會(huì)復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。基因的擴(kuò)增無(wú)疑能夠大幅度提高基因表達(dá)產(chǎn)物的量，但這種調(diào)控機(jī)理至今還不清楚。,真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要控制點(diǎn)包括： 1. 基因結(jié)構(gòu)的激活（基因的活化） 2. 處于活化狀態(tài)基因的轉(zhuǎn)錄由轉(zhuǎn)錄起始階段控制。 3. 轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的調(diào)控 4. 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的后加工 除了加帽、加尾、去除內(nèi)含子和連接外顯子以外，在核RNA水平上，真核生物還可以通過(guò)改變剪接類(lèi)型實(shí)現(xiàn)調(diào)控蛋白質(zhì)產(chǎn)物的類(lèi)型。 5. 胞漿中一個(gè)特定的mRNA是否被翻譯仍被調(diào)控。,基因結(jié)構(gòu)的激活（基因的活化） 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中DNA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀

7、態(tài)都影響基因的活化，有以下現(xiàn)象： （1）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。 異染色質(zhì)(heterochromatin) 中從未見(jiàn)有基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)； （2）組蛋白的作用，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；核小體結(jié)構(gòu)中的組蛋白乙?；?acetylation)和泛素化(ubiquitination)，以及H3組蛋白巰基化等現(xiàn)象，都是核小體不穩(wěn)定或解體的因素或特征。轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。,（3）轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦缸饔妹舾卸仍黾?。?duì)DNase 高敏感點(diǎn)多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)的附近，該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白 結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。 （4）DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變

8、化。 RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方DNA的構(gòu)象是正性超螺旋，正性超螺旋會(huì)拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動(dòng)轉(zhuǎn)錄；,（5）DNA堿基修飾變化 甲基化最常發(fā)生在某些基因5側(cè)區(qū)的CpG序列中，實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。 由此可見(jiàn)，染色質(zhì)中的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個(gè)被激活的過(guò)程，但目前對(duì)激活機(jī)制還缺乏認(rèn)識(shí)。,細(xì)胞中處于“活化”狀態(tài)的基因才得到表達(dá)，變成“活化”結(jié)構(gòu)是基因表達(dá)的第一步。核心組蛋白N末端乙?；揎椗c基因調(diào)控有關(guān)?！盎罨颉迸c核心組蛋白乙酰化的增強(qiáng)有密切關(guān)系。,最近關(guān)于組蛋白乙酰化與轉(zhuǎn)錄過(guò)程的直接聯(lián)系已有報(bào)道。 普遍

9、認(rèn)為，其N(xiāo)端尾鏈的正電荷性很可能與轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，奪取DNA磷酸骨架的負(fù)電荷性，因此特定賴(lài)氨酸殘基的乙?；蟠蠼档土私M蛋白-DNA的相互作用，把染色體從抑制狀態(tài)下釋放出來(lái)，激活轉(zhuǎn)錄。 因此，對(duì)核心組蛋白乙?；恼{(diào)節(jié)，是基因調(diào)控的一個(gè)控制點(diǎn) 。,基因的活化,染色質(zhì)重組裝是指染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)、成分變化，這些變化具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。 在染色質(zhì)重組裝過(guò)程中，連接組蛋白H1成分的時(shí)序變化以及核心組蛋白的乙酰化，都對(duì)早期發(fā)育過(guò)程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控起了關(guān)鍵性的作用。 染色質(zhì)重組裝控制著早期轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)向激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，是母型基因控制向合子型基因控制過(guò)渡（即所謂“中期囊胚轉(zhuǎn)換(midblastula transi

10、tion, MBT）的重要途徑。,第二節(jié) 真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控,真核生物絕大多數(shù)基因調(diào)控發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始階段，但由于基因表達(dá)的控制可發(fā)生在多個(gè)階段，因此RNA產(chǎn)物的產(chǎn)生并不一定會(huì)形成蛋白質(zhì)產(chǎn)物。 組織特異性基因表達(dá)調(diào)控是真核細(xì)胞分化的核心?？刂婆咛グl(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子大多具有這方面的特點(diǎn)。,一、基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件,真核基因的順式作用元件按照功能可以分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子以及沉寂子。 （一） 啟動(dòng)子的選擇 RNA聚合酶的啟動(dòng)子有含有TATA框的典型啟動(dòng)子和不含TATA框的非典型啟動(dòng)子兩種。,哺乳類(lèi)RNA聚合酶啟動(dòng)子中常見(jiàn)的元件,TATA框是核心啟動(dòng)子中有效的定位成分，也是上游啟動(dòng)子和增強(qiáng)子產(chǎn)生誘導(dǎo)效應(yīng)所

11、必需的。,1含有TATA框的啟動(dòng)子,有時(shí)一個(gè)基因上有串聯(lián)著的兩個(gè)TATA框，它們可分別地或有側(cè)重地對(duì)不同的誘導(dǎo)物作出應(yīng)答。淀粉酶基因在唾液腺和肝臟中分別選擇了轉(zhuǎn)錄效率不同的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。,2非典型的啟動(dòng)子 少數(shù)基因沒(méi)有典型的TATA框啟動(dòng)子序列。非典型啟動(dòng)子有的富含GC框，有的則沒(méi)有GC框。 富含GC的非典型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄 含有這類(lèi)啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)的基因的轉(zhuǎn)錄起始是不規(guī)則的，并且只有基礎(chǔ)水平表達(dá)。持家基因（housekeeping gene）多以這種轉(zhuǎn)錄方式。,無(wú)TATA框、GC框的基因轉(zhuǎn)錄 這類(lèi)基因啟動(dòng)子上沒(méi)有TATA框，卻在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近處形成起始子（initiator，Inr） 。這種元件的保

12、守序列為PyPyANT/APyPy。RNA聚合酶在這些基因上的轉(zhuǎn)錄起始于一個(gè)或數(shù)個(gè)緊密成簇的起始元件轉(zhuǎn)錄起始子的A位上。,（二）、增強(qiáng)子 增強(qiáng)子（enhancer）最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的一段長(zhǎng)約200bp的DNA片段，可使旁側(cè)基因的轉(zhuǎn)錄效率提高100倍。以后在多種真核生物甚至是原核生物都發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)子。 增強(qiáng)子是真核細(xì)胞中通過(guò)啟動(dòng)子來(lái)提高轉(zhuǎn)錄效率的一種遠(yuǎn)端的順式調(diào)控元件。,增強(qiáng)子相對(duì)于啟動(dòng)子的位置不固定。有效的增強(qiáng)子可以位于基因的5端，也可位于3端，還可 位于內(nèi)含子區(qū)，一般跨度為100200 bp。 增強(qiáng)子和啟動(dòng)子一樣由多種組件構(gòu)成，其基本的核心元件常由812bp組成，可以有完整的或部分的

13、回文結(jié)構(gòu)，以單拷貝或多拷貝串聯(lián)的形式存在。,1. 增強(qiáng)子的特性： 增強(qiáng)子能提高同一條DNA鏈上相鄰啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的效率和速率。 增強(qiáng)子對(duì)同源或異源基因同樣有效。 增強(qiáng)子的位置可在基因5上游、基因內(nèi)或基因的3下游序列中。 增強(qiáng)子在DNA雙鏈中沒(méi)有5與3固定的方向性，將增強(qiáng)子倒置依然有效。,增強(qiáng)子可以遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，通常在14 kb。 增強(qiáng)子一般有組織或細(xì)胞特異性。 增強(qiáng)子的活性與其在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的空間方向性有關(guān)。 增強(qiáng)子必需有啟動(dòng)子才可以發(fā)揮作用。,（三）沉寂子 最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細(xì)胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實(shí)這種負(fù)調(diào)控順式元件的存在。目前對(duì)這種在基因轉(zhuǎn)錄降低或關(guān)閉中起作用

14、的序列研究還不多，但從已有的例子看到：沉寂子的作用可不受序列方向的影響，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。,二、通用調(diào)控中的調(diào)控效應(yīng)元件,受共同控制的一組基因經(jīng)常共用一個(gè)被轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子識(shí)別的啟動(dòng)子元件。 能夠使基因應(yīng)答此類(lèi)因子的元件被稱(chēng)為效應(yīng)元件（response element）。如熱激效應(yīng)元件和糖皮質(zhì)激素效應(yīng)元件等。為順式作用元件。,效應(yīng)元件具有與啟動(dòng)子上游元件或增強(qiáng)子相同的特點(diǎn)。它們含有短的保守序列，調(diào)控因子的結(jié)合區(qū)在保守序列上，只要單個(gè)效應(yīng)元件就可以受調(diào)控因子的調(diào)控。 效應(yīng)元件可能位于啟動(dòng)子內(nèi)，也可能位于增強(qiáng)子內(nèi)。,金屬硫蛋白的調(diào)控說(shuō)明了調(diào)控的通用原理，幾個(gè)不同的元件中的

15、任一個(gè)，無(wú)論位于啟動(dòng)子中還是增強(qiáng)子中都能獨(dú)立激活基因表達(dá)。 熱激應(yīng)答在原核和真核生物中許多基因的表達(dá)控制中很普遍，溫度增加關(guān)閉一些基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)開(kāi)放熱激基因(heat shock gene)的轉(zhuǎn)錄，從而引起mRNA翻譯的變化。,三、反式作用因子,以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的因子可統(tǒng)稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors, TF)。 RNA聚合酶是一種反式作用于轉(zhuǎn)錄的蛋白因子。 在真核細(xì)胞中RNA聚合酶通常不能單獨(dú)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作。對(duì)TF研究最多。 RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性依賴(lài)于基本轉(zhuǎn)錄因子，在轉(zhuǎn)錄前先形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，其轉(zhuǎn)錄效率受許多蛋白因子的影響，協(xié)調(diào)表達(dá)更

16、為復(fù)雜。,人類(lèi)型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄因子 因子 分子量 功能 RNA Pol 10K 依賴(lài)模板合成RNA TFA 12,19,35K 穩(wěn)定TFD和DNA的結(jié)合，激活TBP亞基 TFB 33K 結(jié)合模板鏈（-10+10），起始Pol結(jié)合，和TFE/F 相互作用 TFD (TBP,30K) TBP亞基識(shí)別TATA，將聚合酶組入復(fù)合體中，TAFs識(shí)別 特殊啟動(dòng)子 TFE 34K() 結(jié)合在Pol的前部，使復(fù)合體的保護(hù)區(qū)延伸到下游 57K() TFF 38, 74K 大亞基具解旋酶活性（RAP74）,小亞基和Pol結(jié)合， 介導(dǎo)其加入復(fù)合體 TFH 具激酶活性，可以磷酸化PolC端的CTD，使Pol逸出， 延伸

17、 TFI 120K 識(shí)別Inr，起始TFF/D結(jié)合 TFJ 在TFF后加入復(fù)合體，不改變DNA的結(jié)合方式 TFS RNA合成延伸,不同基因由不同的上游啟動(dòng)子元件組成，能與不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，這些轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)與基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體作用而影響轉(zhuǎn)錄的效率。 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有許多不同的轉(zhuǎn)錄因子，看到的現(xiàn)象是：同一DNA序列可被不同的蛋白因子所識(shí)別； 能直接結(jié)合DNA序列的蛋白因子是少數(shù)，但不同的蛋白因子間可以相互作用，因而多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子是通過(guò)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)間作用與DNA序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的(見(jiàn)圖)。轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合都會(huì)引起構(gòu)象的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄的效率。,作為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子從功能上分析

18、其結(jié)構(gòu)可包含有不同區(qū)域，DNA結(jié)合域(DNA binding domain)，多由60100個(gè)氨基酸殘基組織的幾個(gè)亞區(qū)組成；轉(zhuǎn)錄激活域(activating domain)，常由30100氨基酸殘基組成，這結(jié)構(gòu)域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類(lèi)，以酸性結(jié)構(gòu)域最多見(jiàn)；連接區(qū)，即連接上兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的部分。 不與DNA直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒(méi)有DNA結(jié)合域，但能通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活域直接或間接作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率。,DNA結(jié)合基序,與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子大多以二聚體形式起作用，與DNA結(jié)合的功能域（又稱(chēng)基序motif）典型的有以下幾種： 鋅指結(jié)構(gòu)（zinc finger）基序 螺旋-

19、環(huán)-螺旋（helix-loop-helix, HLH) 亮氨酸拉鏈（leucine zipper) 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helixturnhelix, HTH),鋅指基序,鋅指基序是由保守氨基酸的小基團(tuán)與鋅離子結(jié)合形成類(lèi)似手指狀的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。 鋅指基序是DNA結(jié)合蛋白的一個(gè)通用基序，鋅指結(jié)構(gòu)通常由相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域串連重復(fù)排列在一起而形成。,每個(gè)重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配價(jià)鍵與4個(gè)半胱氨酸、或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有多個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。例如與GC盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的

20、3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。,通用轉(zhuǎn)錄因子SP1有一個(gè)DNA結(jié)合域，含3個(gè)鋅指基序。,已知的鋅指結(jié)構(gòu)主要發(fā)現(xiàn)于促進(jìn)RNA聚合酶II和RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子中。 典型的鋅指蛋白TFA與5S rRNA基因及產(chǎn)物5S rRNA都結(jié)合。,螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu),此基序長(zhǎng)4050個(gè)氨基酸殘基，其中含兩個(gè)既親水又親脂的- 螺旋 ，-螺旋被不同長(zhǎng)度的環(huán)（連接區(qū)）分開(kāi)。 大多數(shù)HLH蛋白有一與HLH基序相鄰的強(qiáng)堿性的區(qū)域，它是與DNA結(jié)合必需的，含有此區(qū)的HLH稱(chēng)為bHLH蛋白。,螺旋轉(zhuǎn)角螺旋(helixturnhelix, HTH)及螺旋-環(huán)-螺旋(helixloophelix,HLH) 這類(lèi)結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)螺旋

21、，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角或環(huán)連接，兩個(gè)這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個(gè)螺距(3.4nm)，兩個(gè)螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝。,亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu),亮氨酸拉鏈?zhǔn)且粋€(gè)富含亮氨酸殘基的結(jié)構(gòu)域，參與形成二聚體。在每個(gè)拉鏈蛋白中都有一個(gè)與重復(fù)的亮氨酸相鄰的高堿性區(qū)，該區(qū)可能含一個(gè)DNA結(jié)合點(diǎn)。 亮氨酸拉鏈形成的二聚體構(gòu)成莖，分叉對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)堿性區(qū)形成臂，與DNA結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為bZIP基序。,該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是蛋白質(zhì)分子的肽鏈上每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在螺旋的同一個(gè)方向出現(xiàn)。 兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結(jié)合成二聚體，該二聚體的另一端

22、的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(fù)電荷的磷酸基團(tuán)結(jié)合。 若不形成二聚體則對(duì)DNA的親和結(jié)合力明顯降低。 在肝臟、小腸上皮、脂肪細(xì)胞和某些腦細(xì)胞中有稱(chēng)為C/EBP家族的一大類(lèi)蛋白質(zhì)能夠與CAAT盒和病毒增強(qiáng)子結(jié)合，其特征就是能形成bZIP二聚體結(jié)構(gòu)。,(3)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)： l 見(jiàn)于真核生物DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的C端，與癌基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。由兩段-螺旋平行排列構(gòu)成，其-螺旋中存在每隔7個(gè)殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側(cè)鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA結(jié)合。,酵母菌的Gcn4轉(zhuǎn)因子以二聚體的結(jié)合結(jié)構(gòu)結(jié)合在DNA上,亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)解釋了為什么這種蛋白質(zhì)的目標(biāo)序列總

23、是沒(méi)有間隔的反向重復(fù)序列。,四、結(jié)合相關(guān)靶DNA的同源域,同源（異型）框（homeobox)是一種編碼由60個(gè)氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域序列。由于最早在果蠅的同源框基因座（其基因決定身體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)）中發(fā)現(xiàn)而得名。 同源（異型）框存在于許多真核生物的DNA結(jié)合蛋白中，負(fù)責(zé)與DNA結(jié)合，其C端與原核生物阻抑蛋白的HTH基序同源，與發(fā)育調(diào)控有關(guān)。在一些動(dòng)物的轉(zhuǎn)錄因子中也發(fā)現(xiàn)了與同源框類(lèi)似的短序列。,從上述可見(jiàn)：轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)質(zhì)在于蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，構(gòu)象的變化正是蛋白質(zhì)和核酸“活”的表現(xiàn)。 但對(duì)生物大分子間的辨認(rèn)、相互作用、結(jié)構(gòu)上的變化及其在生命活動(dòng)中的意義，人們的認(rèn)識(shí)和研究還只在起

24、步階段，其中許多內(nèi)容甚至重要的規(guī)律我們可能至今還一無(wú)所知，有待于努力探索。,五、蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合,蛋白質(zhì)與雙鏈DNA的結(jié)合分為普遍性結(jié)合和特異性結(jié)合。 特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)能識(shí)別特定DNA序列，同堿基的接觸是結(jié)合的關(guān)鍵。接觸包括：（1）蛋白質(zhì)側(cè)鏈同堿基直接形成氫鍵；（2）多肽骨架同堿基偶然形成氫鍵；（3）水分子介導(dǎo)的氫鍵；（4）疏水接觸等。 雙鏈DNA的大溝對(duì)位點(diǎn)特異性識(shí)別更為重要。在特異性識(shí)別中，蛋白質(zhì)和堿基序列之間存在著某種匹配的結(jié)構(gòu)因素。,蛋白質(zhì)與雙鏈DNA的結(jié)合的規(guī)律：（1）識(shí)別序列的DNA具有對(duì)稱(chēng)性；（2）接觸區(qū)只在DNA分子的一側(cè)。（3）蛋白質(zhì)分子通常有一到多個(gè)螺旋區(qū)，其中一個(gè)是

25、“識(shí)別螺旋”。（4）蛋白質(zhì)與DNA分子都發(fā)生構(gòu)象的變化，通過(guò)誘導(dǎo)、配合進(jìn)行相互作用。 總之，蛋白質(zhì)與DNA的相互識(shí)別、結(jié)合是兩類(lèi)分子在立體結(jié)構(gòu)上弱化學(xué)鍵的相互作用與吻合。,H-Bonding in a Protein-DNA Interaction,反式作用因子的活性調(diào)節(jié),表達(dá)式調(diào)節(jié) 合成后即有活性，不能積累 共價(jià)修飾 磷酸化、去磷酸化，糖基化 配體結(jié)合 激素受體 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用 復(fù)合物的解離與形成,反式作用因子與順式元件的結(jié)合 反式作用因子的作用方式 成環(huán) 扭曲 滑動(dòng) Oozing 反式作用因子的組合式調(diào)控作用 組合式基因調(diào)控（conbinatorial gene regulatio

26、n）幾種反式作用因子組合而發(fā)揮特定作用,六、基因激活的占先模型,真核生物細(xì)胞的DNA與組蛋白組成核小體結(jié)構(gòu)，如果啟動(dòng)子區(qū)處在核小體內(nèi)，轉(zhuǎn)錄的起始通常會(huì)被抑制。 基因激活占先模型模型認(rèn)為，轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白之間在占有DNA上存在競(jìng)爭(zhēng)，且無(wú)論誰(shuí)先占領(lǐng)DNA上的位點(diǎn)，都不能被另一方替換。,基因激活占先模型的一個(gè)重要特點(diǎn)是如果不形成核小體構(gòu)型，DNA上必需存在轉(zhuǎn)錄因子。如果DNA 復(fù)制時(shí)沒(méi)有某種轉(zhuǎn)錄因子，核小體形成，不能轉(zhuǎn)錄。 轉(zhuǎn)錄因子和組蛋白兩者誰(shuí)首先與控制位點(diǎn)結(jié)合是起決定的因素。,復(fù)制時(shí)組蛋白八聚體的脫離為轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA提供了機(jī)會(huì)，這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合一直持續(xù)到下一個(gè)復(fù)制周期，抑制了組蛋白八聚體的

27、重新與DNA結(jié)合。 最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為組蛋白置換需要輸入能量。,七、基因表達(dá)與去甲基化的關(guān)系,DNA的甲基化也是真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的方式之一。啟動(dòng)子區(qū)的甲基化將抑制轉(zhuǎn)錄的發(fā)生。 甲基化可以在兩個(gè)等位基因上發(fā)生。也可只發(fā)生在單個(gè)的等位基因上，這樣就可造成來(lái)自父方和母方基因表達(dá)的差異。,甲基化對(duì)復(fù)制的影響：,原核細(xì)胞：甲基化影響顯著，只有復(fù)制起點(diǎn)對(duì)稱(chēng)甲基化才能有效復(fù)制。 真核細(xì)胞： 延遲從同一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)開(kāi)始的DNA復(fù)制再起始（reinitiatiing）； 促進(jìn)復(fù)制起始相關(guān)蛋白與相應(yīng)DNA序列的結(jié)合； 通過(guò)影響起始相關(guān)蛋白的表達(dá)，間接地影響復(fù)制的起始 。,甲基化顯著抑制基因轉(zhuǎn)錄,甲基化DNA序列

28、構(gòu)型發(fā)生改變，影響相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)這段序列的識(shí)別和結(jié)合。； 識(shí)別、結(jié)合甲基化序列的蛋白質(zhì)(包括MeCP1、2；MBD1、2等)與甲基化序列結(jié)合后，募集轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白到局部，使局部組蛋白去乙?；?、染色質(zhì)重構(gòu)、異染色質(zhì)化等； 識(shí)別、結(jié)合甲基化序列的蛋白質(zhì)結(jié)合甲基化的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子序列，干擾轉(zhuǎn)錄因子的活性 ； 甲基轉(zhuǎn)移酶自身就可以與一些轉(zhuǎn)錄抑制蛋白相互作用，抑制基因轉(zhuǎn)錄 。,甲基化可以解釋印記（imprinting)現(xiàn)象，印記描述了來(lái)自?xún)蓚€(gè)親本的等位基因之間的行為差異。 甲基化發(fā)生在在特定的配子發(fā)生期間，并且是可逆的。目前已經(jīng)在小鼠中發(fā)現(xiàn)了60多個(gè)發(fā)生甲基化的基因，大多與胚胎的發(fā)育生長(zhǎng)有關(guān)。其中一些基因

29、與早期胚胎發(fā)生相關(guān)，有的與胚后發(fā)育有關(guān)。,DNA的甲基化發(fā)生在特定位點(diǎn)上。動(dòng)物細(xì)胞DNA的胞嘧啶27發(fā)生甲基化。大多數(shù)甲基化基因發(fā)生于CG聯(lián)體。 甲基化基因沒(méi)有激活，而未甲基化基因有表達(dá)活性。因此活性基因稱(chēng)為甲基化不足（undermethylation)基因。,甲基化是一個(gè)可逆的過(guò)程，去除甲基或添加甲基，可以特異性地重置基因的甲基化狀態(tài)。甲基化模式的改變發(fā)生在胚胎發(fā)生時(shí)期。目前只確定了一種甲基酶可以將甲基添加到CpG對(duì)上。 適當(dāng)?shù)陌谢蚣谆梢苑乐顾鼈兊牟贿m當(dāng)表達(dá)。,第三節(jié) mRNA前體的可變剪接,一、可變剪接 mRNA前體通過(guò)不同方式的剪接，可由一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物產(chǎn)生出不同的成熟mRNA，

30、從而翻譯出不同的蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為可變剪接（alternative splicing）或選擇性剪接。 有些基因常不止一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，在不同的組織或不同的發(fā)育階段由同一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄出不同的mRNA前體，以不同的剪接方式產(chǎn)生有活性的蛋白質(zhì)。,二、可變剪接的調(diào)控機(jī)制,1SR蛋白家族的調(diào)控 剪接體的形成與多種蛋白質(zhì)和RNA復(fù)合體密切相關(guān)。在可變剪接上保守的SR磷蛋白家族因子的參與起重要作用。 SR蛋白家族以不同的質(zhì)的組成與量的差異選擇特定的mRNA前體剪接位點(diǎn)，不同的SR家族蛋白對(duì)適當(dāng)?shù)膍RNA前體可以誘導(dǎo)出不同選擇的剪接方式，在選擇剪接上起決定作用。,2RNP的調(diào)節(jié) hnRNP-A1在不同組織中的含量

31、變化很大，不參與組成性剪接。在選擇5和3剪接點(diǎn)時(shí)具有可變剪接活性，成為參與可變剪接的調(diào)節(jié)因子，在體內(nèi)與SR蛋白共同調(diào)節(jié)組織特異性的剪接。 U5hnRNP在酵母中參與5剪接點(diǎn)突變的可變剪接。,3外顯子限定模型 真核細(xì)胞mRNA前體中內(nèi)含子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外顯子，5與3剪接位點(diǎn)可以跨越數(shù)萬(wàn)個(gè)核苷酸準(zhǔn)確地組合在剪接體中。 有證據(jù)表明，在前速激肽原mRNA前體的可變剪接中，外顯子下游的5剪接位點(diǎn)可影響其上游內(nèi)含子3的剪接。,Recent genome-wide analyses of alternative splicing indicate that 4060% of human genes have al

32、ternativesplice forms, suggesting that alternative splicing is one of the most significant components of the functional complexity of the human genome. Here we review these recent results from bioinformatics studies, assess their reliability and consider the impact of alternative splicing on biologi

33、cal functions. Although the big picture of alternative splicing that is emerging from genomics is exciting, there are many challenges. High-throughput experimental verification of alternative splice forms, functional characterization, and regulation of alternative splicing are key directions for res

34、earch. We recommend a community-based effort to discover and characterize alternative splice forms comprehensively throughout the human genome.,-A genomic view of alternative splicing Barmak Modrek & Christopher Lee nature genetics volume 30 january 2002,三、反式剪接,RNAi,RNAi技術(shù)可引起DNA甲基化或mRNA 降解，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后基因沉默或后成的基因沉默。是研究基因功