1、8,真核生物基因表達(dá)的調(diào)控,真核生物基因調(diào)控的特點(diǎn) DNA水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后成熟調(diào)控 翻譯水平的調(diào)控 翻譯后水平的調(diào)控,本,章,概,要,真核基因表達(dá)的調(diào)控是當(dāng)前分子生物學(xué)這一 前沿學(xué)科中的前沿領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究證明， 許多重要生命現(xiàn)象的深層問(wèn)題都集結(jié)于此， 形成了許多的熱點(diǎn)探索課題。在一定程度上 可以說(shuō)基因的表達(dá)調(diào)控是分子生物學(xué)的真諦 所在。, 真核生物細(xì)胞內(nèi)絕大部分DNA是用于儲(chǔ)存調(diào)控信息,的，用于合成蛋白質(zhì)的信息僅占很小一部分。, 真核生物能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的 基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的 分化發(fā)育過(guò)程，并使組織器官在一定環(huán)境條件下保 持正常功

2、能。, 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控更加復(fù)雜、多層次、涉及,更多的蛋白質(zhì)因子參與。,真核生物的染色質(zhì)由DNA 與組蛋白結(jié)合形成為核小體，活躍 轉(zhuǎn)錄區(qū)與非轉(zhuǎn)錄區(qū)的核小體結(jié)構(gòu)明顯不同，活躍轉(zhuǎn)錄區(qū)的 DNA 對(duì)核酸酶的敏感性提高。,例如，當(dāng)用DNA酶消化未發(fā)生轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)時(shí)，通常得到 的是約200 bp長(zhǎng)的片段，而在活躍轉(zhuǎn)錄區(qū)消化后形成更小 的片段，且長(zhǎng)短不一。,1.染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)有調(diào)控作用,第一節(jié) 真核生物基因調(diào)控的特點(diǎn),真核生物染色質(zhì)由DNA與5 種組蛋白結(jié)合組成，它們 折疊和纏繞形成核小體， 進(jìn)一步折疊纏繞形成細(xì)胞 分裂中期染色體。染色質(zhì) 的結(jié)構(gòu)對(duì)基因的表達(dá)起總 體控制作用。,原核生物存在正

3、調(diào)控和負(fù)調(diào)控兩個(gè)同等重要的方面。而在真 核生物中主要是正調(diào)控，且一個(gè)基因需有多個(gè)激活物誘導(dǎo)。,3.基因表達(dá)調(diào)控的多層次性,原核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯在細(xì)胞內(nèi)同一地點(diǎn)進(jìn)行，翻譯可以對(duì)轉(zhuǎn) 錄發(fā)生影響。真核生物的基因表達(dá)調(diào)控貫穿在從DNA到蛋白質(zhì) 的全過(guò)程，涉及基因結(jié)構(gòu)的活化、轉(zhuǎn)錄的起始、轉(zhuǎn)錄本的加 工、轉(zhuǎn)運(yùn)和mRNA的翻譯等。,基因轉(zhuǎn)錄是遺傳信息傳遞過(guò)程中第一個(gè)具有高度選擇性的環(huán) 節(jié)，真核基因的表達(dá)調(diào)控以轉(zhuǎn)錄水平為主。,2.以正調(diào)控為主,4.具有細(xì)胞特異性或組織特異性,在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，隨著細(xì)胞需 求的不斷改變，各種基因變得有 活性或沉寂。 Kn1決定玉米細(xì)胞命運(yùn)的基 因，是植物分生組織所必需的， 在正常

4、的葉片中無(wú)活性。不正確 表達(dá)會(huì)刺激維管束細(xì)胞增生，形 成節(jié)狀組織。擬南芥中發(fā)現(xiàn)類似 基因KNAT1,基因封閉,異染色質(zhì)化,染色體DNA的修飾 染色體組蛋白的修飾 基因丟失 基因擴(kuò)增 基因重排,第二節(jié) DNA水平的調(diào)控,（1）異染色質(zhì)化,緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達(dá)，因此異染色質(zhì)區(qū)的基因很 少表達(dá)?？赡茉颍航M蛋白是帶正電荷的堿性蛋白質(zhì)，可與 DNA鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基相結(jié)合，封閉了DNA分子，從而妨 礙基因轉(zhuǎn)錄。,1. 基因封閉,例如，雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞有兩個(gè)X染色體，但雄性只有一個(gè)X 染色體。為了避免雌性表現(xiàn)過(guò)多X染色體的基因，在胚胎時(shí)期 其中一個(gè)X染色體會(huì)被去活。去活的X染色體即使在細(xì)胞分裂

5、 的間期亦表現(xiàn)出濃縮的異染色質(zhì)狀態(tài)，能用顯微鏡觀察到。,（2）染色體DNA的修飾,DNA的甲基化修飾也可引起基因失活。真核DNA中的胞嘧啶約 有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶（m5C），甲基化最常發(fā)生在 某些基因5側(cè)區(qū)的CpG序列中，甲基化可能影響了DNA的構(gòu)象 或DNA的穩(wěn)定性，阻礙了轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而 影響轉(zhuǎn)錄。,脊椎動(dòng)物的基因組大部分CpG被甲基化，未被甲基化的CpG大 多存在于經(jīng)常被轉(zhuǎn)錄的基因，主要包括管家基因。,（3）染色體組蛋白的修飾,組蛋白磷酸化、乙酰化、泛素化以及H3組蛋白巰基化等現(xiàn) 象，會(huì)改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的開(kāi)關(guān)。 組蛋白的N端含有數(shù)個(gè)賴氨酸，它

6、們的側(cè)鏈基團(tuán)在細(xì)胞正常 的pH范圍內(nèi)帶正電荷，DNA的磷酸根帶負(fù)電荷，能與之緊密 結(jié) 合 ， 使 轉(zhuǎn) 錄 因 子 或RNA 聚 合 酶 很 難 與DNA 結(jié) 合 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 錄 。 組蛋白的賴氨酸殘基被乙?；缶筒粠щ姾?，與DNA的結(jié)合 力降低，有利于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)合。 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶、組蛋白去乙酰酶,基因丟失是在某些低等真核生物的個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞 分化時(shí)一些不需要的基因被消除的現(xiàn)象。某些原生動(dòng)物、 昆蟲(chóng)及甲殼綱動(dòng)物通過(guò)這種方式可以消除某些基因的活 性，控制細(xì)胞的分化。,例如， 馬蛔蟲(chóng) 體細(xì)胞核中失去一部分基因，這些基因的丟 失決定了細(xì)胞的分化方向，而生殖細(xì)胞卻沒(méi)有染 色體破碎 和丟失

7、現(xiàn)象，生殖細(xì)胞核內(nèi)仍保存基因組的完整性。,四膜蟲(chóng) 生殖細(xì)胞小核 DNA降解后剩余片段復(fù)制建成大 核 具 有 轉(zhuǎn) 錄 活 性,2. 基因丟失,基因組中的特定基因在某些情況下復(fù)制產(chǎn)生大量拷貝的現(xiàn)象， 可使細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需 要，是基因活性調(diào)控的一種方式。,3.基因擴(kuò)增(gene amplification),特定的發(fā)育時(shí)期 非洲爪蟾在卵裂期和胚胎期能通過(guò)rRNA基因 的大量擴(kuò)增形成大量核糖體，供卵裂和胚胎發(fā)育所用。,特定的環(huán)境條件 環(huán)境條件改變時(shí)，有些生物的基因會(huì)發(fā)生生 理適應(yīng)性擴(kuò)增。例 如 組 織 培 養(yǎng) 細(xì) 胞 在 有 適 當(dāng) 抗 生 素 存 在時(shí)，可 以有選擇地

8、擴(kuò)增某一基因。,異常細(xì)胞中 在某些情況下基因擴(kuò)增發(fā)生在異常的細(xì)胞中。人 類 癌 細(xì) 胞 中 的 許 多 致 癌 基 因 ， 經(jīng) 大 量 擴(kuò) 增 后 高 效 表 達(dá)，導(dǎo)致細(xì) 胞生長(zhǎng)失控。, 原癌基因是一些與調(diào),節(jié)和控制細(xì)胞生長(zhǎng)、 分裂和細(xì)胞周期相關(guān) 的基因。, 原癌基因的結(jié)構(gòu)變化,或者失控就會(huì)演變成 癌基因。,某些基因片段改變?cè)瓉?lái)存在的順序而重新排布的現(xiàn)象。重排可 以僅僅是空間位置或方向的不同，也可同時(shí)伴有某些基因片段 的添加或丟失。重排可使一種基因轉(zhuǎn)換為另一種基因，也可能 產(chǎn)生一種新的基因。,4.基因重排（gene rearrangement）,非定向重排 轉(zhuǎn)座子在染色體上的移動(dòng)，轉(zhuǎn)座子的插入

9、可激 活或抑制某些基因。,定向重排與變換 小鼠免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因，免疫球蛋白的 肽 鏈 由 可 變 區(qū) （V 區(qū) ） 、 恒 定 區(qū) （C 區(qū) ） 以 及 連 接 區(qū) （J 區(qū) ） 組 成 的 ，V 、C 和J 基 因 在 小 鼠 胚 胎 細(xì) 胞 中 是 相 隔 較 遠(yuǎn) 的 。 當(dāng) 免 疫 細(xì) 胞 發(fā) 育 分 化 時(shí) ， 能 通 過(guò) 基 因 重 排 ， 把3 個(gè) 遠(yuǎn) 離 的 基 因 緊密地連接在一起，從而使多個(gè)基因編碼一條肽鏈。,原核生物基因表達(dá)是以操縱子為單位，調(diào)控區(qū)很小， 調(diào)控蛋白結(jié)合在調(diào)節(jié)位點(diǎn)上可直接促進(jìn)或抑制RNA聚 合酶的結(jié)合而調(diào)控轉(zhuǎn)錄。,真核生物基因組中無(wú)操縱子結(jié)構(gòu)。基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)

10、區(qū) 較大，轉(zhuǎn)錄激活與起始需要多種元件和蛋白因子的參 與，包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、通用轉(zhuǎn)錄因子、上游因子 、誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶等。 轉(zhuǎn)錄調(diào)控是通過(guò) 順式作用元件和反式作用因子的相互作用實(shí)現(xiàn)的。,第三節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,調(diào)控基因表達(dá)的一段DNA序列，一般自身沒(méi)有轉(zhuǎn)錄功能,它們 與特定的功能基因連鎖在一起，可與許多同起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)的 蛋白因子相互作用而調(diào)控轉(zhuǎn)錄。,1.順式作用元件(cis-acting elements),啟動(dòng)子(promoter) 增強(qiáng)子（enhancer） 沉默子（silencer）,能顯著提高基因轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件。由若干短的元件組 成的，增強(qiáng)子一般都在100bp以上，

11、因此又稱遠(yuǎn)上游序列。,增強(qiáng)子,轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄所必需的一段DNA序列。通常轉(zhuǎn) 錄因子和RNA聚合酶在啟動(dòng)子部位可裝配成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合 物，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。,啟動(dòng)子(promoter),與增強(qiáng)子的功能相反結(jié)構(gòu)相似，對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行負(fù)調(diào)控即抑制 基因的表達(dá)。與沉默子作用的蛋白因子稱為阻遏物，二者結(jié)合 后能抑制基因的轉(zhuǎn)錄。,沉默子是最早在酵母中發(fā)現(xiàn)的，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)順式作用元件的存在。,沉默子,沉默子的作用可不受序列方向的影響 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,2.反式作用因子（trans-acting factors）,真核RNA聚合酶不包

12、含類似于原核生物因子的亞基，不能識(shí) 別DNA上的啟動(dòng)子，需借助于其他反式作用因子來(lái)辨認(rèn)啟動(dòng)子 并解開(kāi)DNA的雙螺旋，這些與順式作用元件結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的 可擴(kuò)散蛋白稱為反式作用因子。分為三類： 通用或基本轉(zhuǎn)錄因子 結(jié)合在啟動(dòng)子上與RNA聚合酶一起形成 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，是RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始必需的，可以維持基 礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。,上游因子,結(jié)合在啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的上游控制位點(diǎn)。,可誘導(dǎo)因子 與應(yīng)答元件相互作用。,轉(zhuǎn)錄因子必需能同DNA上的調(diào)控元件識(shí)別與結(jié)合，并且這些轉(zhuǎn) 錄因子還要與其他轉(zhuǎn)錄因子或RNA聚合酶之間相互作用才能形 成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物而起始轉(zhuǎn)錄。,DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域、連接區(qū),不與D

13、NA直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒(méi)有結(jié)合DNA結(jié)構(gòu)域，但能通過(guò)激 活轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)域作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率。還有一些轉(zhuǎn) 錄因子具有結(jié)合配體結(jié)構(gòu)域，可以與一些小分子物質(zhì)結(jié)合來(lái)調(diào) 控轉(zhuǎn)錄因子自身的活性。,3. 反式作用因子的結(jié)構(gòu)模式,由60100個(gè)氨基酸殘基組成的幾個(gè)亞區(qū)組成。與轉(zhuǎn)錄因子結(jié) 合的DNA區(qū)常是一段反向重復(fù)序列，因此許多轉(zhuǎn)錄因子常以 二聚體形式與DNA結(jié)合。,DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA binding domain）,鋅指結(jié)構(gòu)域,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域/同源異形域 螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域 亮氨酸拉鏈,鋅指環(huán)上突出的賴氨酸和精氨酸參與同DNA的結(jié)合。每個(gè)重復(fù) 的指狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，多個(gè)指狀

14、結(jié)構(gòu)間常通過(guò)78,個(gè)氨基酸殘基相連。由于重復(fù)出現(xiàn)的-螺旋幾乎聯(lián)成一線，這,種蛋白質(zhì)與DNA序列的結(jié)合牢固且特異性很高。TFA、SP1 鋅指與基因的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，鋅指的尖端可進(jìn)入DNA的大溝或 小溝，以識(shí)別它特異結(jié)合的DNA序列并與之結(jié)合。,Cys2/His2鋅指,鋅指結(jié)構(gòu)域（zinc finger）,類固醇受體家族等一些蛋白的鋅指結(jié)構(gòu)為Cys2/Cys2類型，4 個(gè)半胱氨酸和1個(gè)Zn2+結(jié)合。,實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)將類固醇受體的后兩個(gè)半胱氨酸殘基突變?yōu)榻M 氨酸殘基時(shí)，它就不能再活化其靶基因了?？梢?jiàn)Cys2/Cys2 鋅指和Cys2/His2鋅指是不同類型的鋅指。,Cys2/Cys2鋅指,目前發(fā)現(xiàn)許多真

15、核生物的調(diào)控蛋白也含有與螺旋-轉(zhuǎn)角-螺,旋相似的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。例如在調(diào)控胚胎發(fā)育和正常細(xì)胞 分化基因表達(dá)中起作用的調(diào)控蛋白所具有的 同源異形域 。,螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域 （helix-turn-helix，HTH） 首先在原核DNA調(diào)控蛋白中發(fā)現(xiàn)。如降解物基因活化蛋白 CAP 和 噬菌體的阻遏物 Cro 蛋白。, 螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）,長(zhǎng)約20個(gè)氨基酸，至少有 兩個(gè)螺旋其間由短肽段 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的大溝。,兩條均含有亮氨

16、酸殘基的蛋 白質(zhì)通過(guò)疏水鍵結(jié)合成二聚 體，二聚體的另一端的肽段 富含堿性氨基酸殘基（Lys、 Arg ） ， 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。亮氨酸拉鏈蛋白 在真核中廣泛存在，,亮氨酸拉鏈（leucine zipper,LZIP）,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)。,轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域,（transcription activating domain）,轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域本身并不具有調(diào)控轉(zhuǎn)錄活性的功 能，其轉(zhuǎn)錄活化功能是由另一種結(jié)構(gòu)域，即轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域 所作用的。 轉(zhuǎn)錄激活域通常是由30100氨基

17、酸殘基組成，根據(jù)氨基酸組 成的特點(diǎn)主要包括以下三種類型： 酸性-螺旋結(jié)構(gòu)域 富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域 富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域,酸性-螺旋結(jié)構(gòu)域,含有酸性氨基酸殘基組成的保守序列，多呈帶負(fù)電荷的疏水 性 - 螺 旋 。 含 有 這 種 結(jié) 構(gòu) 域 的 轉(zhuǎn) 錄 因 子 有 酵 母 的GAL4 和 GCN4，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的糖皮質(zhì)激素受體以及AP1家族的Jun 等。,對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的特異誘導(dǎo)活性相對(duì)較低，可能與TF-D復(fù)合物 中某個(gè)通用因子或RNA聚合酶作用發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能，并 有穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的作用。,富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域,SPl 是啟動(dòng)子GC 盒的結(jié)合蛋白，除結(jié)合DNA 的鋅指結(jié)構(gòu)以 外，SP1共有4個(gè)參與

18、轉(zhuǎn)錄活化的區(qū)域，其中最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄激活 域很少有極性氨基酸而谷氨酰胺含量卻達(dá)25左右。酵 母 的 HAP1、HAP2和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的Oct-1、Oct-2、Jun、AP2以及 血清應(yīng)答因子(SRF)等都有同樣的結(jié)構(gòu)域。,富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域,CTF家族的C末端與其轉(zhuǎn)錄激活功能有關(guān)，含有20%30%,的脯氨酸殘基。脯氨酸的存在可防礙-螺旋的形成。在,Oct2、Jun、AP2、SRF等哺乳動(dòng)物因子中也有富含脯氨酸的結(jié) 構(gòu)域。,基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控,基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子是所有啟動(dòng)子起始RNA 合成的必需因子，與RNA 聚合酶結(jié) 合形成圍繞在起始位點(diǎn)周圍的復(fù)合 物，決定轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)。,轉(zhuǎn) 錄 起 始 復(fù) 合 物 TBP （ TF-D ） 、 TF-B和TF-F與RNA聚合酶可在 啟動(dòng)子上形成最低限度的復(fù)合物， 開(kāi) 始 轉(zhuǎn) 錄 mRNA ， 隨 著 TF -E 和 TF-H 的加入形成完整的轉(zhuǎn)錄復(fù)合 物并轉(zhuǎn)錄出長(zhǎng)鏈的RNA。加入TF-A 可再進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)錄效率。,4. 反式作用因子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,RNA聚合酶的基本轉(zhuǎn)錄因子,RNA聚合酶啟動(dòng)子元件與 TFD、A、B、F、RNA 聚 合酶、TFE、H和TFI 等順序結(jié)合，形成最基本 的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。,一個(gè)啟動(dòng)子要達(dá)到足夠的轉(zhuǎn) 錄效率和具有特異性，要依 靠上游啟動(dòng)子元件、增強(qiáng)子 和應(yīng)答元件