第11章 真核基因表达调控

1、Molecular Biology Chapter 11Regulation of Gene Expression in Eukaryotes 真核基因表达调控2022-5-19真核基因表达调控 2011.122 11.1 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1232022-5-19真核基因表达调控 2011.124 2022-5-19真核基因表达调控 2011.125 2022-5-19真核基因表达调控 2011.126 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1272022-5-19真核基因表达调控 2011.128 2022-5-19真核基因表达调控 2011.129活物

2、活物2022-5-19真核基因表达调控 2011.1210 2022-5-19真核基因表达调控 2011.12112022-5-19真核基因表达调控 2011.12122022-5-19真核基因表达调控 2011.1213 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1214 2022-5-19真核基因表达调控 2011.12152022-5-19真核基因表达调控 2011.12162022-5-19真核基因表达调控 2011.12172022-5-19真核基因表达调控 2011.12182022-5-19真核基因表达调控 2011.1219 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1

3、2202022-5-19真核基因表达调控 2011.12212022-5-19真核基因表达调控 2011.12222022-5-19真核基因表达调控 2011.1223染色质状态：染色质状态：紧密压缩状态紧密压缩状态被阻遏状态：与组蛋白紧密结合被阻遏状态：与组蛋白紧密结合有活性状态：如除去有活性状态：如除去H1时时被激活状态：结合通用转录因子被激活状态：结合通用转录因子或激活因子时状态或激活因子时状态异染色质化：异染色质化： 组成型异染色质组成型异染色质 兼性异染色质兼性异染色质3. 组蛋白对基因活性的影响组蛋白对基因活性的影响H1组蛋白对活性染色质的影响组蛋白对活性染色质的影响 H1组蛋白比

4、核心组蛋白阻遏转录的作用强组蛋白比核心组蛋白阻遏转录的作用强 H1组蛋白通过维持染色质的高级结构而抑制组蛋白通过维持染色质的高级结构而抑制转录过程转录过程2022-5-19真核基因表达调控 2011.1225 染色质动态结构调整染色质动态结构调整 定义：即定义：即DNA和组蛋白组分及结构以及核小体和染色质和组蛋白组分及结构以及核小体和染色质的组分和结构的变化过程。如组蛋白，非组蛋白与的组分和结构的变化过程。如组蛋白，非组蛋白与DNA的亲和性，特异转录因子的结合和解离，最终核小体结的亲和性，特异转录因子的结合和解离，最终核小体结构的空间改变，染色质构的空间改变，染色质DNA伸展。伸展。 过程：过

5、程：1.非活化基因位于串珠状核小体或更高结构染色质非活化基因位于串珠状核小体或更高结构染色质中；中；2. ATP帮助蛋白因子结合染色质帮助蛋白因子结合染色质DNA区域，局部染区域，局部染色质转变为去阻遏状态；色质转变为去阻遏状态；3. 蛋白因子导致染色质活化；蛋白因子导致染色质活化；4.吸引通用转录因子，组装成吸引通用转录因子，组装成PIC。 核小体置换的三种方式：核小体置换的三种方式：1.持久性置换，持久性置换，2. 诱导性置换，诱导性置换，3. 持久和诱导两种特性并存有活性状态：如除去持久和诱导两种特性并存有活性状态：如除去H1时时 染色质构象变化染色质构象变化 Nucleosome sl

6、iding (核小体滑动核小体滑动) Nucleosome remodeling (核小体变构核小体变构) Nucleosome displacement (核小体解体核小体解体) Nucleosome replacement (核小体重聚核小体重聚)染色质重塑复合物染色质重塑复合物 定义：即影响核小体构象改变和能和转录调控因子相互定义：即影响核小体构象改变和能和转录调控因子相互作用一系列蛋白质复合物。作用一系列蛋白质复合物。 作用：对基因转录起始非常重要作用：对基因转录起始非常重要 种类：种类：1.酵母中酵母接合型转换酵母中酵母接合型转换/蔗糖不发酵（蔗糖不发酵（SWI/SNF)；2. 酵母

7、细胞的染色质结构重塑复合物（酵母细胞的染色质结构重塑复合物（RSC）3. 果蝇胚果蝇胚胎的核小体重塑因子（胎的核小体重塑因子（NURF）；）；4.ACF。 特征：特征： SWI/SNF复合物具有依赖复合物具有依赖DNA的的ATPase活性和解活性和解旋酶活性，可以降低旋酶活性，可以降低DNA的螺旋程度，使结构松散乃至的螺旋程度，使结构松散乃至解体解体染色质重塑复合物染色质重塑复合物SWI/SNF引起核小体引起核小体构象改变和染色质重塑的机制模型构象改变和染色质重塑的机制模型 模型模型1：SWI/SNF引起组蛋白引起组蛋白H2A-H2B二聚体在核小体上二聚体在核小体上解离，引起八聚体构象变化，利

8、用解离，引起八聚体构象变化，利用ATP水解驱动水解驱动DNA和和组蛋白解离，复合物沿组蛋白解离，复合物沿DNA移动移动 模型模型2： SWI/SNF复合物和核小体结合，利用复合物和核小体结合，利用ATP水解能水解能量，使量，使DNA与核小体的缠绕方式改变，不影响八聚体结与核小体的缠绕方式改变，不影响八聚体结构构2022-5-19真核基因表达调控 2011.1231目前已发现的多种染色质重塑复合目前已发现的多种染色质重塑复合物都有以下功能：物都有以下功能：使重建的核小体去稳定，有特异使重建的核小体去稳定，有特异转录激活作用；转录激活作用；对转录有抑制作用；对转录有抑制作用；对转录偶联的修复作用；

9、对转录偶联的修复作用；基因组内非转录区核苷酸的切除基因组内非转录区核苷酸的切除修复功能等。修复功能等。真核生物基因活化蛋白在真核生物基因活化蛋白在基因转录起始区的核小体移位基因转录起始区的核小体移位4. 组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化去乙酰化 组蛋白乙酰化与基因活化，染色质变化及基因表达水组蛋白乙酰化与基因活化，染色质变化及基因表达水平密切相关，是一动态过程平密切相关，是一动态过程 核心组蛋白都能发生乙酰化修饰，有核心组蛋白都能发生乙酰化修饰，有32个潜在的乙酰个潜在的乙酰化位点化位点 发生在发生在Lys的侧链氨基上的侧链氨基上 乙酰化是一可逆反应，由组蛋白乙酰转移酶（乙酰化是一可逆反

10、应，由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）催化。）催化。组蛋白乙酰化促进基因转录活性组蛋白乙酰化促进基因转录活性组蛋白乙酰化促进转录起始复合物的装配。组蛋白乙酰化促进转录起始复合物的装配。 乙酰化修饰可使组蛋白正电荷减少，消弱与乙酰化修饰可使组蛋白正电荷减少，消弱与DNA结合能结合能力，引起核小体解聚，使染色质处于较松弛状态，组力，引起核小体解聚，使染色质处于较松弛状态，组蛋白乙酰化是转录调控蛋白和蛋白乙酰化是转录调控蛋白和DNA相互作用的识别信相互作用的识别信号号低乙酰化或去乙酰化常伴随转录沉默。低乙酰化或去乙酰化常伴随转录沉默。组蛋白的乙酰化组蛋白的

11、乙酰化-去乙酰化的生物功能去乙酰化的生物功能组蛋白的其他修饰组蛋白的其他修饰组蛋白组蛋白去乙酰去乙酰化酶化酶赖氨酸特赖氨酸特异去甲基异去甲基化酶化酶组蛋白乙酰化与基因活化组蛋白乙酰化与基因活化组蛋白甲基化和基因活化或沉默都相关，组蛋白甲基化和基因活化或沉默都相关，依赖于修饰的氨基酸位点和甲基化的数目依赖于修饰的氨基酸位点和甲基化的数目异肽酶异肽酶组蛋白单泛素化和基因活化或沉默相关，组蛋白单泛素化和基因活化或沉默相关，依赖于基因依赖于基因磷酸酶磷酸酶组蛋白磷酸化和基因活化相关组蛋白磷酸化和基因活化相关ADP-核糖核糖基水解酶基水解酶SUMO-特特异蛋白酶异蛋白酶2022-5-19真核基因表达调控

12、 2011.12355. 活性染色质对活性染色质对DNase的敏感性的敏感性2022-5-19真核基因表达调控 2011.12362022-5-19真核基因表达调控 2011.1237活性染色质的活性染色质的DNase敏感性几个特征敏感性几个特征基因活性区域对基因活性区域对DNase的敏感性有细胞和组的敏感性有细胞和组织特异性。织特异性。染色质基因对染色质基因对DNase的敏感性表明该基因有的敏感性表明该基因有转录的潜在能力，并非一定能转录转录的潜在能力，并非一定能转录。染色质基因对染色质基因对DNase的敏感性区域有界限。的敏感性区域有界限。一个基因内部各部分的一个基因内部各部分的DNase

13、的敏感性程度的敏感性程度不同，基因调控是少数区域表现高度敏感性。不同，基因调控是少数区域表现高度敏感性。组蛋白乙酰化可以使染色质对酶的敏感性增强组蛋白乙酰化可以使染色质对酶的敏感性增强。DNase的高敏位点：的高敏位点： LCR（locus control region）是具有组织和维持活性染色质的功能结构域是具有组织和维持活性染色质的功能结构域并增强下游基因表达的并增强下游基因表达的DNA序列，即顺式作序列，即顺式作用元件的一种。用元件的一种。有时像增强子一样起作用，但是具有方向依有时像增强子一样起作用，但是具有方向依赖性。赖性。含有含有DNA高敏位点簇。高敏位点簇。出现在出现在-globi

14、n 基因位点的上游或其他基因基因位点的上游或其他基因位点的上游区域。位点的上游区域。地中海贫血病中球蛋白基因LCR区中35kb的缺失转录活性基因比无转录活性基因具更高DNase敏感度LCR 是-globin 基因高水平表达的保证 LCRs-globin基因不同发育阶段的表达是通过染色质环的形成而实现的LCR 募集不同转录调控蛋白而形成发育阶段特异的染色质环，使转录复合体从LCR转移到相应的globin基因的启动子区域 6. 非组蛋白非组蛋白定义：大量与染色质松散结合或在某些条件下才定义：大量与染色质松散结合或在某些条件下才结合的蛋白。结合的蛋白。特征：特征：1.种类多，多是酸性蛋白质。种类多，

15、多是酸性蛋白质。2.具有种属和具有种属和组织特异性，发育，及细胞周期特异性。组织特异性，发育，及细胞周期特异性。3.大多大多是磷蛋白，以磷酸化或去磷酸化方式调节。是磷蛋白，以磷酸化或去磷酸化方式调节。含量丰富的非组蛋白：高迁移率蛋白（含量丰富的非组蛋白：高迁移率蛋白（HMG）。）。2022-5-19真核基因表达调控 2011.12447.核基质与基因活化核基质与基因活化2022-5-19真核基因表达调控 2011.1245 u 核基质的网状构造是核基质的网状构造是DNA分子复制以及分子复制以及RNA转录转录和加工的结构支架，通过募集转录因子和染色质和加工的结构支架，通过募集转录因子和染色质变构

16、复合体来控制转录。变构复合体来控制转录。u DNA与核基质的结合具有特异性。与核基质的结合具有特异性。一些低等生物（线虫，昆虫），甲壳类动物细胞一些低等生物（线虫，昆虫），甲壳类动物细胞在个体发育过程中丢失掉某些基因去除这些基因在个体发育过程中丢失掉某些基因去除这些基因活性，通过改变基因数目达到调控目的，只有分活性，通过改变基因数目达到调控目的，只有分化产生殖细胞的细胞保留整套染色体。化产生殖细胞的细胞保留整套染色体。 高等动物高等动物Rbc在发育成熟过程也有染色质丢失。在发育成熟过程也有染色质丢失。 这些调控是不可逆的。这些调控是不可逆的。8.基因丢失（染色质的丢失）基因丢失（染色质的丢失）

17、9.基因的扩增基因的扩增定义：基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物一种调节手段。例子：非洲爪蟾（chan，癞蛤蟆）卵母细胞rRNA基因（rDNA）是一般体细胞的4000倍（2000000/500），这是由于卵母细胞rRNA的大量扩增，以适应胚胎发育对核糖体的大量需要。氨甲蝶呤，重金属镉汞分别诱导二氢叶酸还原酶，金属硫铁Pr.及其它抗药性基因的扩增。原癌基因拷贝数增加，其表达产物增加使细胞持续分裂导致癌变。定义：基因重排定义：基因重排是通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排成为1个完整的转录单位。实例：免疫球蛋白.Ig基因

18、在B淋巴细胞和浆细胞生成过程的重排。 Ig有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区及2者之间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同区重排连接是抗体多样性（106）分子基础。9. 基因重排（基因重排（gene rearrangement） 在所有物种中，胚系Ig基因的构成基本上相同。Ig重链和轻链(和链)基因座都由多个编码V区(可变区）和C区（恒定区）蛋白质的基因组成，并被非编码的DNA（连接区，J区）所分隔。 V、C、J区在胚胎期细胞中相距较远，细胞发育分化时，免疫球蛋白重链基因DNA重排，大量间隔序列被切除，使位于J-C之间的增强子序列得以发挥作用，增强基因转录。2022-5-19

19、真核基因表达调控 2011.12512022-5-19真核基因表达调控 2011.12522022-5-19真核基因表达调控 2011.1253 真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一种被称为维持型甲基转移酶，另一种是构建型（从头合成型）甲基转移酶。 前者主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。后者催化未甲基化的CpG成为m CpG，速度很慢。 日常型甲基转移酶常常与DNA内切酶活性相耦联，有3种类型。II类酶活性包括内切酶和甲基化酶两种成分，而I类和III类都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基化，又能降解外源无甲基化DNA。 由于甲

20、基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等真核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类基因组中约存在4万个CG 序列，大多位于转录单元的5区。 没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被氧化成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢复成C。已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它就变为T, 无法被区分。因此, CpG序列极易丢失。pDNA甲基化抑制基因转录的机理：甲基化抑制基因转录的机理： DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性，从而影响到DNA与蛋白质相互作用方式的改变，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。主要是不利于模板DNA与RNA聚合酶的结合。如：引起BDNA向ZDNA过渡

21、启动区DNA上的DNA甲基化密度与基因转录受抑制程度相关，其影响与MeCP1结合DNA的能力成正相关。甲基化CpG的密度和启动子强度间的平衡决定该启动子是否有转录活性。 MeCP1为甲基化CpG结合蛋白，为转录阻遏蛋白，可以和转录调控因子竞争性结合甲基化位点。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1257 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1258 1. 2022-5-19真核基因表达调控 2011.12592022-5-19真核基因表达调控 2011.12602022-5-19真核基因表达调控 2011.1261 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1262 【

22、2022-5-19真核基因表达调控 2011.12632022-5-19真核基因表达调控 2011.12642022-5-19真核基因表达调控 2011.12652022-5-19真核基因表达调控 2011.12662022-5-19真核基因表达调控 2011.1267 启动子：位于转录起始点上游100bP 范围内，是RNA聚合酶进行 精确而有效的转录所必需的。两种必须的DNA调控序列 增强子：其作用在于增强转录的速率， 特点是可以远近距离发生作 用，没有方向性。 2022-5-19真核基因表达调控 2011.12682022-5-19真核基因表达调控 2011.1269增强子增强子 增强子是

23、指能使与它连锁的基因（位于同一条增强子是指能使与它连锁的基因（位于同一条DNA链上，但可远链上，但可远程作用）转录效率明显增加的程作用）转录效率明显增加的DNA序列。通过特定的转录因子序列。通过特定的转录因子与它结合与它结合,实现对转录的增强作用。增强子结构较复杂，实现对转录的增强作用。增强子结构较复杂，SV40的的增强子至少含增强子至少含3个不连续的个不连续的1520bp的增强子成份，分别为的增强子成份，分别为A、B、C。三个增强子成份能互相协同，促进转录。三个增强子成份能互相协同，促进转录。增强子必须有增强子必须有2个和个和2个以上增强子成份才具有自动的促进转录个以上增强子成份才具有自动的

24、促进转录的功能。的功能。增强子可以进一步分割成亚单位，叫做增强子可以进一步分割成亚单位，叫做增强子元增强子元（enhanson）。）。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1270最早发现的最早发现的SV40增强子位于转录起点上游约增强子位于转录起点上游约200bp处处的超敏感位点，含有两个正向重复的的超敏感位点，含有两个正向重复的72bp序列序列。 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1271目前，在病毒、植物、动物和人类正常细胞里都发现有增强子目前，在病毒、植物、动物和人类正常细胞里都发现有增强子存在，作为基因表达的重要顺式调控元件，它存在，作为基因表达的重要顺式调控元件

25、，它能极大促进启动能极大促进启动子的转录活性，其作用有几个明显特点：子的转录活性，其作用有几个明显特点： 增强转录效应明显，增强转录效应明显，一般能使转录频率增加一般能使转录频率增加10200倍，有倍，有的可增加上千倍，如经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋的可增加上千倍，如经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因，其表达频率比该基因正常的转录高白基因，其表达频率比该基因正常的转录高6001 000倍。倍。 能以很远距离能以很远距离(数千核苷酸外数千核苷酸外)对启动子产生影响对启动子产生影响 其功能与序列的取向无关，其功能与序列的取向无关，无论增强子以什么方向排列，无论增强子以什么方向排列，甚至

26、和基因相距甚至和基因相距3 000bp，或在基因下游，均表现出增强效，或在基因下游，均表现出增强效应；应； 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1272 大多为重复序列，一般约大多为重复序列，一般约50bp，适合与某些蛋白因子结合，适合与某些蛋白因子结合，内部含核心序列：内部含核心序列： (G)TGGA/TA/TA/T(G)，该序列在另一，该序列在另一个基因附近产生增强效应时所必需个基因附近产生增强效应时所必需. 其增强效应有严密的组织和细胞特异性，即只有特异蛋白其增强效应有严密的组织和细胞特异性，即只有特异蛋白(转转录因子录因子)参与才能发挥功能；参与才能发挥功能； 没有基因专一性

27、，没有基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；可在不同的基因组合上表现增强效应； 受外部信号调控，受外部信号调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应；强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应； 没有生物种属的特异性，其作用受到细胞发育和分化影响没有生物种属的特异性，其作用受到细胞发育和分化影响 增强子与启动子相似，是一类具有模块组织顺式元件，都由增强子与启动子相似，是一类具有模块组织顺式元件，都由模块组成。模块组成。 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1273 增强子的作用机制增强子的作用机制 真核

28、生物的真核生物的DNA的两个远距离位点间的的两个远距离位点间的环凸环凸，使与之，使与之结合的两个蛋白质能够相互作用，这是结合的两个蛋白质能够相互作用，这是增强子的行为增强子的行为模式模式。有。有4种增强子远程作用模型：种增强子远程作用模型： 拓扑结构改变拓扑结构改变 滑动滑动 环凸环凸 促追踪促追踪(facilitated tracking)2022-5-19真核基因表达调控 2011.12742022-5-19真核基因表达调控 2011.1275 归纳增强子作用机制有以下几点：归纳增强子作用机制有以下几点：增强子如同增强子如同UPE一样，都可被反式作用的调控因子一样，都可被反式作用的调控因子

29、结合引起结合引起DNA构象变化，甚至构象变化，甚至DNA螺旋弯曲形成螺旋弯曲形成环状结构。结合到增强子上的各种反式作用因子间环状结构。结合到增强子上的各种反式作用因子间相互作用，并接触作用于启动子上的各种蛋白因子，相互作用，并接触作用于启动子上的各种蛋白因子，促进转录起始复合物促进转录起始复合物(PIC)组装，激活转录；组装，激活转录；增强子件是一些特异蛋白因子的结合位点，它能使增强子件是一些特异蛋白因子的结合位点，它能使模板模板DNA固定在细胞核特定结构如核基质上，有利固定在细胞核特定结构如核基质上，有利于于DNA拓扑异构酶发挥作用。拓扑异构酶发挥作用。2022-5-19真核基因表达调控 2

30、011.1276 2022-5-19真核基因表达调控 2011.1277隔离子和沉默子隔离子和沉默子 隔离子隔离子 (insulator)又称绝缘子绝缘子，是一类特殊，是一类特殊顺式作用元件，隔离子与增强子不同。顺式作用元件，隔离子与增强子不同。 隔离子的功能：隔离子的功能：阻止激活或阻遏作用在染色阻止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性限定于一定的质上的传递，使染色质的活性限定于一定的范围（或结构域之内）。范围（或结构域之内）。 如果将一个绝缘子置于增强子和启动子之间，如果将一个绝缘子置于增强子和启动子之间，它能它能阻止阻止增强子对启动子的激活。增强子对启动子的激活。 另一方面，如

31、果一个绝缘子在活性基因和异另一方面，如果一个绝缘子在活性基因和异染色质间，它可染色质间，它可保护保护该基因免受异染色质化该基因免受异染色质化而失活。而失活。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1278 隔离子作用模型隔离子作用模型 已知增强子能对很远距离的启动子发生作用。已知增强子能对很远距离的启动子发生作用。 果蝇果蝇cut基因位点的翅缘增强子与启动子相隔约基因位点的翅缘增强子与启动子相隔约85kb，如此远的范围，某些增强子还能与其靠得很近，产如此远的范围，某些增强子还能与其靠得很近，产生激活作用。生激活作用。 高等生物细胞阻止这种不应有的激活是采用隔离作高等生物细胞阻止这种不应有

32、的激活是采用隔离作用。用。 大多数隔离子能保护基因免受附近增强子或沉默子大多数隔离子能保护基因免受附近增强子或沉默子的激活或抑制作用。的激活或抑制作用。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1279 隔离子有两种功能：隔离子有两种功能：增强子屏蔽增强子屏蔽(enhancer blocking) 阻碍物阻碍物(barrier)活性活性增强子屏蔽是指隔离子具有阻止增强子激活增强子屏蔽是指隔离子具有阻止增强子激活转录效应的能力。转录效应的能力。阻碍物是指隔离子区域阻止染色质浓缩蔓延到阻碍物是指隔离子区域阻止染色质浓缩蔓延到靶基因区域的能力，防止基因发生沉默。靶基因区域的能力，防止基因发生沉默

33、。并非所有隔离子都同时具有增强子屏蔽和阻碍并非所有隔离子都同时具有增强子屏蔽和阻碍物功能，某些隔离子被物功能，某些隔离子被特化为只有一种功能。特化为只有一种功能。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1280隔离子是在基因区和增强子区隔离子是在基因区和增强子区(或沉默子区或沉默子区)形成一个边界，使形成一个边界，使基因不能感受到激活基因不能感受到激活(或抑制或抑制)作用。作用。 隔离子的作用隔离子的作用 隔离子作用机制的两种模型隔离子作用机制的两种模型(1)增强子屏障：在启动子和增强子间增强子屏障：在启动子和增强子间的隔离子阻止启动子感受增强子的转的隔离子阻止启动子感受增强子的转录激活

34、作用；录激活作用；(2)阻碍物活性，在启动阻碍物活性，在启动子和浓缩、阻抑状态的染色质间的隔子和浓缩、阻抑状态的染色质间的隔离子可阻止启动子受浓缩染色质离子可阻止启动子受浓缩染色质(由由沉默子诱导沉默子诱导)对基因转录的阻抑的作对基因转录的阻抑的作用用(阻止浓缩染色质侵蚀启动子阻止浓缩染色质侵蚀启动子)。(1)滑动模型：滑动模型：激活因子结合到增强子上，激活因子结合到增强子上，同时刺激信号或转录激活因子沿同时刺激信号或转录激活因子沿DNA滑向滑向启动子，隔离子与一个或多个附着的蛋白启动子，隔离子与一个或多个附着的蛋白质一起，阻挡滑向启动子的信号；质一起，阻挡滑向启动子的信号；(2)环化模型：环

35、化模型：两个隔离子位于增强子的两个隔离子位于增强子的两侧，当蛋白因子结合隔离子后它们相互两侧，当蛋白因子结合隔离子后它们相互作用将增强子隔离在环中，使其不能激活作用将增强子隔离在环中，使其不能激活附近启动子的转录附近启动子的转录。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1281 沉默子（沉默子（silencer） 是基因的负调控元件，沉默子的是基因的负调控元件，沉默子的DNA序列被调控序列被调控蛋白结合后能阻断转录起始复合物的形成或活化，蛋白结合后能阻断转录起始复合物的形成或活化，使基因表达活性关闭。真核细胞中沉默子的数量使基因表达活性关闭。真核细胞中沉默子的数量远远少于增强子。远远少于

36、增强子。2022-5-19真核基因表达调控 2011.128211.6 基因表达的转录后水平的调控基因表达的转录后水平的调控 调控重点：调控重点：对对mRNA稳定性调控稳定性调控以酪蛋白mRNA和转铁蛋白受体mRNA的稳定性为例讨论。（1）酪蛋白）酪蛋白mRNA的稳定性的稳定性哺乳动物乳腺组织对哺乳动物乳腺组织对催乳素催乳素(prolactin)的应答是一个的应答是一个对对mRNA稳定性调控的实例。稳定性调控的实例。当培养的乳腺组织用催乳素刺激时，能产生以乳蛋白当培养的乳腺组织用催乳素刺激时，能产生以乳蛋白中的中的酪蛋白酪蛋白做出响应。处理乳腺组织做出响应。处理乳腺组织24h后酪蛋白后酪蛋白m

37、RNA水平增加了约水平增加了约20倍。但这并不意味着酪蛋白倍。但这并不意味着酪蛋白mRNA的合成效率增加了的合成效率增加了20倍。实际上转录效率只倍。实际上转录效率只增加了增加了23倍，酪蛋白倍，酪蛋白mRNA水平的提高主要是因为水平的提高主要是因为酪蛋白酪蛋白mRNA的稳定性增加了约的稳定性增加了约20倍。倍。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1283 用脉冲示踪实验用脉冲示踪实验测定酪蛋白测定酪蛋白mRNA半衰期半衰期（半衰期指半数（半衰期指半数mRNA降解所需时间）降解所需时间） 在催乳素有或无的条件下，在体内短时间放射性标记酪蛋白在催乳素有或无的条件下，在体内短时间放射性标

38、记酪蛋白mRNA，然后对细胞进行放射性核苷酸脉冲使标记的核苷酸，然后对细胞进行放射性核苷酸脉冲使标记的核苷酸掺入到转录的掺入到转录的RNA中，之后将细胞转移到非放培养基中，随中，之后将细胞转移到非放培养基中，随着标记着标记RNA的降解和未标记的降解和未标记RNA的取代，可跟踪测定的取代，可跟踪测定RNA放射性的丢失。放射性的丢失。 经多次示踪实验后，将酪蛋白经多次示踪实验后，将酪蛋白mRNA与已克隆的酪蛋白基因与已克隆的酪蛋白基因进行杂交，测定酪蛋白进行杂交，测定酪蛋白mRNA的水平。标记的酪蛋白的水平。标记的酪蛋白mRNA消失得越快，说明它的半衰期越短。消失得越快，说明它的半衰期越短。 结果

39、显示：在催乳素存在下，酪蛋白结果显示：在催乳素存在下，酪蛋白mRNA的半衰期迅速增的半衰期迅速增加，从加，从1.1h上升到上升到28.5h。同时响应催乳素的总。同时响应催乳素的总poly(A)十十mRNA的半衰期仅增加了的半衰期仅增加了1.34倍。说明倍。说明催乳素选择性地稳催乳素选择性地稳定了酪蛋白定了酪蛋白mRNA，使酪蛋白的表达极大地增强。，使酪蛋白的表达极大地增强。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1284（2）转铁蛋白受体）转铁蛋白受体mRNA的稳定性的稳定性控制哺乳动物转铁蛋白受体控制哺乳动物转铁蛋白受体mRNA的稳定性是转录后的稳定性是转录后基因表达调控的又一实例。基

40、因表达调控的又一实例。即控制哺乳动物铁离子的稳态即控制哺乳动物铁离子的稳态 (调控铁离子浓度调控铁离子浓度)。铁。铁离子是所有真核细胞所必需的矿物元素，但高浓度的离子是所有真核细胞所必需的矿物元素，但高浓度的铁离子对细胞有毒害。细胞须精确调节铁离子浓度。铁离子对细胞有毒害。细胞须精确调节铁离子浓度。哺乳动物细胞通过调节两个蛋白质的量来调节铁哺乳动物细胞通过调节两个蛋白质的量来调节铁离子浓度，一个是离子浓度，一个是离子运输蛋白离子运输蛋白，称为，称为转铁蛋白受体转铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)，另一个是，另一个是离子储存蛋白离子储存蛋白，又称又称铁蛋白铁蛋白(f

41、erritin)。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1285 转铁蛋白是转铁蛋白是离子耐受蛋白离子耐受蛋白，可通过细胞表面的转铁，可通过细胞表面的转铁蛋白受体蛋白受体TfR进入细胞。一旦进入细胞便将离子传进入细胞。一旦进入细胞便将离子传递给胞内的其它蛋白，如需要铁离子的细胞色素。递给胞内的其它蛋白，如需要铁离子的细胞色素。另一种情况另一种情况:若细胞吸收了过多铁离子，就以铁蛋白若细胞吸收了过多铁离子，就以铁蛋白的形式将其储存下来。的形式将其储存下来。 当细胞需要较多铁离子时，就会增加转铁蛋白受体当细胞需要较多铁离子时，就会增加转铁蛋白受体浓度，使更多铁离子进入细胞，同时减少铁蛋白浓

42、浓度，使更多铁离子进入细胞，同时减少铁蛋白浓度，使铁离子不要储存太多，能够利用的更多。度，使铁离子不要储存太多，能够利用的更多。 此外，如果一个细胞有太多的铁离子，就会减少转此外，如果一个细胞有太多的铁离子，就会减少转铁蛋白受体浓度并增加铁蛋白浓度。铁蛋白受体浓度并增加铁蛋白浓度。 生物细胞采用转录后的基因表达调控来完成这两项生物细胞采用转录后的基因表达调控来完成这两项工作，即调节铁蛋白工作，即调节铁蛋白mRNA的翻译效率和调节转铁的翻译效率和调节转铁蛋白受体蛋白受体mRNA的稳定性。的稳定性。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1286 快速周转决定子快速周转决定子(rapid t

43、urnover determinant)能引能引起起mRNA不稳定。不稳定。 已知铁离子通过控制已知铁离子通过控制mRNA的稳定性来调节的稳定性来调节转铁蛋白转铁蛋白受体受体TfR基因的表达，一个蛋白质结合到基因的表达，一个蛋白质结合到TfR mRNA 3-UTR的一个或多个的一个或多个铁应答元件（铁应答元件（IRE）上，上，IRE结结合蛋白能保护合蛋白能保护mRNA免受降解。免受降解。 这种调节要求这种调节要求TfR mRNA本身就是不稳定的。因为如本身就是不稳定的。因为如果它是稳定的果它是稳定的mRNA，那么通过进一步提高稳定性所，那么通过进一步提高稳定性所得到的相对增益就很少。得到的相对

44、增益就很少。Harford等人证明这种不稳等人证明这种不稳定性由定性由快速周转决定子（位于快速周转决定子（位于3-UTR）引起。引起。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1287 已知细胞内已知细胞内TfRmRNA的水平受铁离子浓度的调节，的水平受铁离子浓度的调节，这一应答由这一应答由3-UTR决定，而非启动子，决定，而非启动子，是铁离子是铁离子调节了调节了TfRmRNA的半衰期而非的半衰期而非mRNA的合成速率。的合成速率。 在铁螯合剂去铁胺有或无的情况下，检测在铁螯合剂去铁胺有或无的情况下，检测TfR mRNA的降速率发现的降速率发现: 铁浓度低时铁浓度低时 TfR mRNA非常

45、稳定；而在高铁浓度非常稳定；而在高铁浓度时时TfR mRNA降解很快。这两种情况下的降解很快。这两种情况下的TfR mRNA半衰期分别是半衰期分别是30h和和1.5 h，因此铁离子能，因此铁离子能使使TfR mRNA的稳定性下降为原先的约的稳定性下降为原先的约1/20。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1288 顺乌头酸酶顺乌头酸酶(aconitase)是一种既可作为转铁蛋白受是一种既可作为转铁蛋白受体体mRNA的铁应答元件的铁应答元件IRE，又可结合铁蛋白，又可结合铁蛋白mRNA中中IRE的蛋白质的蛋白质(IRP1)，它在柠檬酸循环中，它在柠檬酸循环中可将柠檬酸转化为异柠檬酸。可

46、将柠檬酸转化为异柠檬酸。 顺乌头酸酶的活化形式是含铁蛋白，不能结合到顺乌头酸酶的活化形式是含铁蛋白，不能结合到IRE上，但缺乏铁的顺乌头酸酶的脱辅基形式上，但缺乏铁的顺乌头酸酶的脱辅基形式(apoprotein)可以与可以与mRNA的的IRE结合。结合。2022-5-19真核基因表达调控 2011.128911.7.1 细胞对转录因子的调控细胞对转录因子的调控 转录因子是真核转录因子是真核RNA聚合酶在转录中所需要的各种蛋白质因子。聚合酶在转录中所需要的各种蛋白质因子。 转录因子的生化本质是蛋白质和多肽，可以正或负向调控基因转录。转录因子的生化本质是蛋白质和多肽，可以正或负向调控基因转录。 转

47、录因子通常受上一级信号或转录因子被修饰的调控，转录因子通常受上一级信号或转录因子被修饰的调控，归纳为：归纳为：核受体核受体(如糖皮质激素受体如糖皮质激素受体)与其配体与其配体(如糖皮质激素如糖皮质激素)的结合可促使胞质的结合可促使胞质内受体与抑制性蛋白解离，当该受体转移到核中，就可激活转录因子；内受体与抑制性蛋白解离，当该受体转移到核中，就可激活转录因子；核受体与配体的结合能使核受体从转录阻遏物转变为激活因子；核受体与配体的结合能使核受体从转录阻遏物转变为激活因子；当激活因子被当激活因子被磷酸化磷酸化后，能与辅激活因子互作，激活转录；后，能与辅激活因子互作，激活转录；当转录因子被当转录因子被泛

48、素化泛素化(ubiquitylation) (使其附加泛素多肽使其附加泛素多肽)后可激活转录；后可激活转录；转录因子被泛素化后，将其标记的蛋白水解，从而对转录实施负调控；转录因子被泛素化后，将其标记的蛋白水解，从而对转录实施负调控；对转录因子的对转录因子的SUMO修饰修饰(sumoylation，使其附加，使其附加SUMO多肽多肽)，能使，能使其转入细胞核内，导致其活性不能发挥；其转入细胞核内，导致其活性不能发挥；当转录因子被当转录因子被甲基化甲基化后其活性就能被调节；后其活性就能被调节；当转录激活因子被当转录激活因子被乙酰化乙酰化后，能使其活性得到调节。后，能使其活性得到调节。11.7 转录

49、因子对基因表达的调控转录因子对基因表达的调控2022-5-19真核基因表达调控 2011.1290总结前人研究，与转录因子有关的调控如下：总结前人研究，与转录因子有关的调控如下：1）辅激活因子）辅激活因子某些某些类激活因子类激活因子（RNA聚合酶聚合酶转录激活因转录激活因子）通过结合一种或多种通用转录因子或子）通过结合一种或多种通用转录因子或RNApol实现调控。实现调控。 在体外转录实验中，当增加一个激活因子的浓在体外转录实验中，当增加一个激活因子的浓度来抑制另一个激活因子活性时度来抑制另一个激活因子活性时(前提是两种激前提是两种激活因子必须竞争第三种因子活因子必须竞争第三种因子)就会发生压

50、制现象就会发生压制现象，表明体系中必定存在为前两种激活因子所必需，表明体系中必定存在为前两种激活因子所必需第三种因子，一般都是通用转录因子。第三种因子，一般都是通用转录因子。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1291 R Kornberg部分纯化了一种能解除激活因子抑制作部分纯化了一种能解除激活因子抑制作用的酵母蛋白，证明它有用的酵母蛋白，证明它有辅激活因子辅激活因子(coactivator)活性。即在体外可刺激被激活的转录，但不是本底活性。即在体外可刺激被激活的转录，但不是本底水平的转录。称这种因子为水平的转录。称这种因子为中介物中介物(mediator)，它，它能介导激活因子的

51、激活效应。能介导激活因子的激活效应。 利用酵母利用酵母CYCl基因启动子和一个基因启动子和一个GAL4结合位点驱结合位点驱动的无动的无G框转录进行转录分析发现：框转录进行转录分析发现： 在激活因子在激活因子GAL4-VP16 (一种嵌合激活因子，带有一种嵌合激活因子，带有GAL4的的DNA结合域及结合域及VP16的转录激活域的转录激活域)存在或不存在或不存在条件下，不断增加中介物的浓度，在无激活因存在条件下，不断增加中介物的浓度，在无激活因子条件下，中介物对转录无影响；子条件下，中介物对转录无影响；有激活因子时中有激活因子时中介物对转录有极大促进作用。介物对转录有极大促进作用。说明中介物能与不

52、止说明中介物能与不止一个具有一个具有酸性激活域酸性激活域的激活因子协作。的激活因子协作。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1292将酵母将酵母CYC1启动子置于启动子置于GAL4结合位点的下游及无结合位点的下游及无G框的上框的上游，此无游，此无G框的转录取决于框的转录取决于CYC1启动子和启动子和GAL4。然后在。然后在无无GTP并加入不同浓度中介物，并加入不同浓度中介物，或无或无/有激活因子有激活因子GAL4-VP16条件下，体外转录以上重组载条件下，体外转录以上重组载体。用一种标记核苷酸标记体体。用一种标记核苷酸标记体外转录物。检测标记的外转录物。检测标记的RNA发发现，现，当

53、有激活因子时中介物极当有激活因子时中介物极大地刺激了转录，但对本底转大地刺激了转录，但对本底转录无激活效果。录无激活效果。(引自：引自：Nature 350 ）2022-5-19真核基因表达调控 2011.1293 类中介复合物类中介复合物(mediator-like complex)已从高等真已从高等真核生物中纯化出来，包括：核生物中纯化出来，包括： SRB和含和含MED的辅因子的辅因子SMCC以及以及甲状腺素受体相甲状腺素受体相关蛋白关蛋白(TRAP)。SMCC/TRAP是已知的哺乳动物类是已知的哺乳动物类中介复合物中最多的一种。中介复合物中最多的一种。2022-5-19真核基因表达调控

54、2011.1294 已知环腺苷酸已知环腺苷酸(cAMP)刺激细菌操纵子的转录是通过刺激细菌操纵子的转录是通过结合激活因子结合激活因子CAP，并使，并使CAP与位于操纵子调控区与位于操纵子调控区的激活因子靶位点结合而实现，的激活因子靶位点结合而实现，cAMP也间接参与也间接参与真核生物的基因转录激活，真核生物的基因转录激活，它通过一系列信号转导它通过一系列信号转导途径发挥作用，当真核细胞中途径发挥作用，当真核细胞中cAMP水平升高时，水平升高时，能激活能激活蛋白激酶蛋白激酶A (PKA)的活性，使的活性，使PKA进入细胞进入细胞核，在核内核，在核内PKA使使cAMP应答元件结合蛋白应答元件结合蛋

55、白(CREB ) 磷酸化，之后磷酸化，之后CREB与与cAMP应答元件应答元件(CRE)结合，结合，激活相关基因的转录。激活相关基因的转录。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1295 cAMP应答元件结合蛋白应答元件结合蛋白CREB的的磷酸化是转录激活磷酸化是转录激活所必需的，它定位在细胞核，在磷酸化或未磷酸化所必需的，它定位在细胞核，在磷酸化或未磷酸化情况下都能很好地结合情况下都能很好地结合CRE，CREB磷酸化使转录磷酸化使转录能被激活是因为能被激活是因为CREB结合蛋白结合蛋白(CBP)的作用。当的作用。当CREB被蛋白激酶被蛋白激酶A磷酸化后，磷酸化后，CBP能与能与CRE

56、B更好更好地结合而导致地结合而导致CBP召集基本转录因子的各元件或以召集基本转录因子的各元件或以整体形式召集聚合酶全酶，通过偶联整体形式召集聚合酶全酶，通过偶联CREB到转录到转录装置上，在此装置上，在此CBP发挥辅激活因子作用。发挥辅激活因子作用。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1296(1)未磷酸化的未磷酸化的CREB 与与CRE结合，但大量的基本组份结合，但大量的基本组份(如如RNA聚合酶与通用转录因子聚合酶与通用转录因子)不与启动子结合，甚至可能还不与启动子结合，甚至可能还未组装，未组装，基因未被激活；基因未被激活；(2) PKA将将CREB磷酸化并使磷酸化并使其结合其结

57、合CBP。之后。之后CBP与基与基本组份中至少一个组份结合，本组份中至少一个组份结合，召集基本组份结合到启动子召集基本组份结合到启动子上，上，此时转录被激活。此时转录被激活。2022-5-19真核基因表达调控 2011.12972）激活因子的泛素化）激活因子的泛素化被激活的基因有时会因转录激活因子的降解而失活，被激活的基因有时会因转录激活因子的降解而失活，如如同源结构域同源结构域(LIM homeodomain, LIM-HD)家族家族的转录因子与辅阻遏物及辅激活因子结合，这些辅激的转录因子与辅阻遏物及辅激活因子结合，这些辅激活因子称为活因子称为CLIM，辅阻遏物称为，辅阻遏物称为RLIM。C

58、LIM蛋白和蛋白和RLIM蛋白两者竞争结合蛋白两者竞争结合LIM-HD激活因激活因子。子。RLIM蛋白具有使蛋白具有使LIM-HD结合的结合的CLIM蛋白降解蛋白降解并取而代之的作用，并取而代之的作用，RLIM蛋白降解蛋白降解CLIM蛋白的方法蛋白的方法是先结合是先结合CLIM再对其再对其Lys残基附加多拷贝的泛素残基附加多拷贝的泛素(ubiquitin)小分子蛋白质，形成小分子蛋白质，形成泛素化蛋白泛素化蛋白（biquitylated protein )。2022-5-19真核基因表达调控 2011.1298 一旦附加的泛素分子链足够长时，该蛋白质被送到一旦附加的泛素分子链足够长时，该蛋白质

59、被送到胞质的胞质的蛋白酶体蛋白酶体（proteasome）。蛋白酶体可降解任何被。蛋白酶体可降解任何被送入的泛素化蛋白。送入的泛素化蛋白。 与泛素相关的蛋白酶体行使控制蛋白质质量的功能，与泛素相关的蛋白酶体行使控制蛋白质质量的功能，约有约有20%的细胞蛋白质由于转录或翻译错误而不正的细胞蛋白质由于转录或翻译错误而不正常，这些异常蛋白质对细胞有潜在破坏性。因此在常，这些异常蛋白质对细胞有潜在破坏性。因此在它们造成危害之前就被泛素标记并送至蛋白酶体进它们造成危害之前就被泛素标记并送至蛋白酶体进行降解。行降解。 其它正确合成的蛋白质也能被氧化或高温等胁迫所其它正确合成的蛋白质也能被氧化或高温等胁迫所

60、变性。此时细胞有一种变性。此时细胞有一种分子伴侣分子伴侣(chaperone protein)能够去能够去折叠，使变性蛋白质重新正确折叠。有时变性太严折叠，使变性蛋白质重新正确折叠。有时变性太严重以致不能重新正确折叠时，变性蛋白质将被泛素重以致不能重新正确折叠时，变性蛋白质将被泛素化后再由蛋白酶体降解。化后再由蛋白酶体降解。2022-5-19真核基因表达调控 2011.12993）激活因子的）激活因子的SUMO修饰修饰 SUMO修饰修饰(sumoylation)是在目标蛋白的是在目标蛋白的Lys残基上附加残基上附加1个或多个拷贝的个或多个拷贝的101个氨基酸的个氨基酸的多肽多肽SUMO (sm