第九章真核生物基因表达调控

第九章真核生物基因表达调控第一节概述

1.基因结构的激活（基因的活化）

2.处于活化状态基因的转录由转录起始阶段控制。

3.转录过程中的调控

4.转录产物的后加工

5.胞浆中一个特定的mRNA是否被翻译仍被调控。第二节真核生物基因转录调控一、基因转录的顺式调控元件（一）启动子的选择

1．含有TATA框的启动子

2．非典型的启动子（二）增强子

1.增强子的特性二、通用调控中的调控效应元件三、DNA结合基序四、结合相关靶DNA的同源域五、基因激活的占先模型六、基因表达与去甲基化的关系第三节mRNA前体的可变剪接一、可变剪接的方式二、可变剪接的调控机制

1．SR蛋白家族的调控

2．RNP的调节

3．外显子限定模型三、反式剪接第四节RNA编辑一、核苷酸的替换

1．Ｃ→U替换

2．A→I替换二、可读框的改变三、向导RNA第五节mRNA稳定性的调控第六节翻译水平的调控一、翻译因子磷酸化调控

1.eIF-4F通过亚单位的可逆磷酸化对蛋白质生物合成进行调控

2.其他因子磷酸化对翻译的激活作用

3.eIF-2的磷酸化对翻译的抑制作用第九章真核生物基因表达调控第一节概述

真核生物和原核生物在基因表达调控上有以下三点不同：

1.真核生物的转录激活总是伴随着转录区染色质结构的变化。

2.基因表达调控一般以正调控为主。

3.转录和翻译在时间和空间上是分离的。真核生物转录的起始是基因表达调控最主要的步骤。真核生物基因的表达能在几个连续步骤中的任一步中以基因特有（genespecific）的方式受到调控。真核生物体内各种细胞表型的差异主要是编码蛋白质的基因的表达不同引起的。这些编码蛋白质的基因都经过RNA聚合酶Ⅱ转录。真核生物基因表达调控的主要控制点包括：1.基因结构的激活（基因的活化）细胞中处于“活化”状态的基因才得到表达，变成“活化”结构是基因表达的第一步。核心组蛋白N末端乙酰化修饰与基因调控有关。“活化基因”与核心组蛋白乙酰化的增强有密切关系。最近关于组蛋白乙酰化与转录过程的直接联系已有报道。普遍认为，其N端尾链的正电荷性很可能与转录因子发生竞争，夺取DNA磷酸骨架的负电荷性。特定赖氨酸残基的乙酰化大大降低了组蛋白-DNA的相互作用，把染色体从抑制状态下释放出来，激活转录。因此，对核心组蛋白乙酰化的调节，是基因调控的一个控制点。二聚(作用)2.处于活化状态基因的转录由转录起始阶段控制。3.转录过程中的调控4.转录产物的后加工除了加帽、加尾、去除内含子和连接外显子以外，在核RNA水平上，真核生物还可以通过改变剪接类型实现调控蛋白质产物的类型。5.胞浆中一个特定的mRNA是否被翻译仍被调控。第二节真核生物基因转录调控真核生物绝大多数基因调控发生在转录起始阶段，但由于基因表达的控制可发生在多个阶段，因此RNA产物的产生并不一定会形成蛋白质产物。组织特异性基因表达调控是真核细胞分化的核心。控制胚胎发育的转录因子大多具有这方面的特点。一、基因转录的顺式调控元件真核基因的顺式作用元件按照功能可以分为启动子、增强子以及沉默基因。（一）启动子的选择RNA聚合酶Ⅱ的启动子有含有TATA框的典型启动子和不含TATA框的非典型启动子两种。1．含有TATA框的启动子TATA框是核心启动子中有效的定位成分，也是上游启动子和增强子产生诱导效应所必需的。有时一个基因上有串联着的两个TATA框，它们可分别地或有侧重地对不同的诱导物作出应答。淀粉酶基因在唾液腺和肝脏中分别选择了转录效率不同的两个转录起始点。胸(腺嘧啶脱氧核)苷激酶Sextama框2．非典型的启动子

少数基因没有典型的TATA框启动子序列。非典型启动子有的富含GC框，有的则没有GC框。富含GC的非典型启动子的转录

含有这类启动子结构的基因的转录起始是不规则的，并且只有基础水平表达。持家基因（housekeepinggene）多以这种转录方式。无TATA框、GC框的基因转录

这类基因启动子上没有TATA框，却在转录起始点附近处形成起始子（initiator，Inr）。这种元件的保守序列为PyPyANT/APyPy。RNA聚合酶Ⅱ在这些基因上的转录起始于一个或数个紧密成簇的起始元件——转录起始子的A位上。（二）增强子增强子（enhancer）最早是在SV40病毒中发现的一段长约200bp的DNA片段，可使旁侧基因的转录效率提高100倍。以后在多种真核生物甚至是原核生物都发现了增强子。增强子是真核细胞中通过启动子来提高转录效率的一种远端的顺式调控元件。增强子相对于启动子的位置不固定。有效的增强子可以位于基因的5’端，也可位于3’端，还可位于内含子区，一般跨度为100～200bp。增强子和启动子一样由多种组件构成，其基本的核心元件常由8～12bp组成，可以有完整的或部分的回文结构，以单拷贝或多拷贝串联的形式存在。

1.增强子的特性：增强子能提高同一条DNA链上相邻启动子转录的效率和速率。增强子对同源或异源基因同样有效。增强子的位置可在基因5’上游、基因内或基因的3’下游序列中。增强子在DNA双链中没有5’与3’固定的方向性，将增强子倒置依然有效。增强子可以远离转录起始点，通常在1～4kb。增强子一般有组织或细胞特异性。增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性有关。增强子必需有启动子才可以发挥作用。二、通用调控中的调控效应元件受共同控制的一组基因经常共用一个被转录调控因子识别的启动子元件。能够使基因应答此类因子的元件被称为效应元件（responseelement）。如热激效应元件和糖皮质激素效应元件等。效应元件具有与启动子上游元件或增强子相同的特点。效应元件含有短的保守序列，调控因子的结合区在保守序列上，只要单个效应元件就可以受调控因子的调控。效应元件可能位于启动子内，也可能位于增强子内。类固醇金属硫蛋白的调控说明了调控的通用原理，几个不同的元件中的任一个，无论位于启动子中还是增强子中都能独立激活基因表达。通常金属硫蛋白基因在基础水平表达，但是，当受到重金属离子如镉或糖皮质激素诱导时，表达水平提高。其调控区含有数种调控元件，表明其调控原理是当启动子受一种以上方式调控时，每一调控过程都有特定序列与相应的蛋白质结合。热激应答在原核和真核生物中许多基因的表达控制中很普遍，温度增加关闭一些基因的转录，同时开放热激基因(heatshockgene)的转录，从而引起mRNA翻译的变化。三、DNA结合基序对各种转录因子的序列进行比较，可发现其基序（motif）的共同点是都与DNA结合。基序通常很短，仅为蛋白质结构的一小部分。典型的DNA结合基序包括：锌指结构（zincfinger）基序螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix,HLH)亮氨酸拉链（leucinezipper)锌指基序锌指基序是由保守氨基酸的小基团与锌离子结合形成类似手指状的DNA结构域。锌指基序是DNA结合蛋白的一个通用基序，锌指结构通常由相对独立的结构域串连重复排列在一起而形成，通常有多个锌指。锌指数多少不等，有的有9个，如TFIIIA中；有的只由2个，仅占一个小结构域，如果蝇的调节物ADR1。下图描述了结合含三个锌指结构蛋白质的DNA晶体结构。每个锌指的C端形成α-螺旋，与DNA结合。

N端形成β-折叠。3个α-螺旋伸展进入DNA大沟的一个转折处。通用转录因子SP1有一个DNA结合域，含3个锌指基序：已知的锌指结构主要发现于促进RNA聚合酶II和RNA聚合酶III转录的转录因子中。TFIIA为典型的锌指蛋白TFIIA。类固醇受体及一些其他蛋白质有另一类锌指，称为Cys2/Cys2锌指，以区别于Cys2/His2锌指。糖皮质激素受体和雌二醇受体都有两个锌指结构。第一个锌指的右侧控制DNA的结合，第二个锌指的左侧控制形成二聚体的能力。类固醇受体糖(肾上腺)皮质激素雌激素（二）

图示：与糖皮质激素受体和雌激素受体所结合的靶序列GRE和ERE对应，它们第一个锌指上氨基酸的差异。糖皮质激素受体和雌激素受体的主要差异位于锌指区，两个氨基酸的改变就会改变两者的结合DNA上调控原件的特异性。甘氨酸谷氨酸甘氨酸丝氨酸已知的锌指结构主要发现于促进RNA聚合酶II和RNA聚合酶III转录的转录因子中。典型的锌指蛋白—TFⅡA与5SrRNA基因及产物5SrRNA都结合。螺旋-环-螺旋结构DNA结合蛋白的两个共同特点：与DNA结合的螺旋区，及能形成二聚体。螺旋-环-螺旋结构：此基序长40－50个氨基酸残基，其中含两个既亲水又亲脂的α-螺旋，α-螺旋被不同长度的环（连接区）分开。这些亲水亲脂螺旋的残基形成二聚体的能力与HLH蛋白相同。大多数HLH蛋白有一与HLH基序相邻的强碱性的区域，它是与DNA结合必需的，含有此区的HLH称为bHLH蛋白。有同样亚基组成的二聚体，及由不同亚基组成的二聚体的每个亚基都有与DNA结合的碱性区。属HLH类的蛋白有E12和E47（与免疫球蛋白基因的增强子的一个元件结合）、MyoD、肌生成素和Myf-5转录因子（参与肌肉形成）、Myc蛋白（癌基因的产物，参与生长调控）等。有一与HLH基序相邻的强碱性的区域所有HLH蛋白都有由10-24个氨基酸残基构成的环隔开的螺旋1和螺旋2区。碱性HLH蛋白紧靠着螺旋1含保守的正电荷区。亮氨酸拉链结构蛋白质相互作用是形成转录复合物的基本规则，转录因子中的结构域参与蛋白质间的相互作用。亮氨酸拉链是一个富含亮氨酸残基的结构域，参与形成二聚体。二聚体形成本身作为蛋白质识别特异DNA序列的一般规则出现。亮氨酸拉链的两亲水α-螺旋具这样的结构：疏水基团（包括亮氨酸）面向一侧，而带电荷的基团面向另一侧。在每个拉链蛋白中都有一个与重复的亮氨酸相邻的高碱性区，该区可能含一个DNA结合位点。两个亮氨酸拉链作用形成Y型结构，其中亮氨酸拉链形成的二聚体构成茎，分叉对称的两个碱性区形成臂，与DNA结合。这种结构称为bZIP基序。它解释了为什么这种蛋白质的目标序列总是没有间隔的反向重复序列。图示：亮氨酸拉链参与二聚体形成。当两个亮氨酸拉链的疏水面平行排列时，碱性亮氨酸拉链基序的碱性区维持相邻的拉链区的聚合

。拉链可能协助形成纯合或异源二聚体。亮氨酸在拉链每隔6个氨基酸残基出现一次。在C/EBP（是与CAAT框及SV40核心增强子都能结合形成二聚体的因子）上有4个重复单位，在JUN和Fos因子（与转录因子AP1能形成二聚体）上有5个重复单位。形成二聚体的能力是这些因子与DNA相互作用的关键因素。四、结合相关靶DNA的同源域同源（异型）框（homeobox)是一种编码由60个氨基酸组成的结构域序列。由于最早在果蝇的同源框基因座（其基因决定身体结构的特点）中发现而得名。同源（异型）框存在于许多真核生物的DNA结合蛋白中，负责与DNA结合，与发育调控有关。在一些动物的转录因子中也发现了与同源框类似的短序列。各种同源框基因除了同源框本身外，其余部分保守性很低。同源框共有序列有多种。同源框的C端区与原核生物阻抑蛋白的螺旋-转角-螺旋基序同源，可能有3个螺旋区。3种蛋白质的这些区域间下图。其中保守性最好的位于第3个螺旋中。果蝇的触角足五、基因激活的占先模型真核生物细胞的DNA与组蛋白组成核小体结构，如果启动子区处在核小体内，转录的起始通常会被抑制。基因激活占先模型认为，转录因子与组蛋白之间在占有DNA上存在竞争，且无论谁先占领DNA上的位点，都不能被另一方替换。基因激活占先模型的一个重要特点是如果不形成核小体构型，DNA上必需存在转录因子。如果DNA复制时没有某种转录因子，核小体形成，不能转录。转录因子和组蛋白两者谁首先与控制位点结合是起决定的因素。八基数的动力的,动力学的染色质复制时组蛋白八聚体的脱离为转录因子结合DNA提供了机会，这些转录因子的结合一直持续到下一个复制周期，抑制了组蛋白八聚体的重新与DNA结合。最近的实验结果认为组蛋白置换需要输入能量。六、基因表达与去甲基化的关系DNA的甲基化也是真核生物转录调控的方式之一。启动子区的甲基化将抑制转录的发生。甲基化可以在两个等位基因上发生。也可只发生在单个的等位基因上，这样就可造成来自父方和母方基因表达的差异。甲基化可以解释印记（imprinting)现象，印记描述了来自两个亲本的等位基因之间的行为差异。例如：鼠胚胎——源于父本的编码IGF-II(胰岛素样的生长因子II)的等位基因能够表达，而源于母本的则不能表达。最可能的解释：卵母细胞的IGF-II基因已甲基化，而精子的IGF-II基因未被甲基化，所以这两种等位基因在接合子中的表现不同。这种模型要求：甲基化发生在特定的配子发生期间，并且是可逆的。这样，我们要求一个系统能通过重新除去甲基或加上甲基，特异性地重置甲基化状态。目前已经在小鼠中发现了60多个发生甲基化的基因，大多与胚胎的发育生长有关。其中一些基因与早期胚胎发生相关，有的与胚后发育有关。鼠胚胎中某些基因的表达取决于其亲本的性别DNA的甲基化发生在特定位点上。动物细胞DNA的胞嘧啶2％－7％发生甲基化。大多数甲基化基因发生于CG联体。甲基化基因没有激活，而未甲基化基因有表达活性。因此活性基因称为甲基化不足（undermethylation)基因。甲基化是一个可逆的过程，去除甲基或添加甲基，可以特异性地重置基因的甲基化状态。甲基化模式的改变发生在胚胎发生时期。目前只确定了一种甲基酶可以将甲基添加到CpG对上。适当的靶基因甲基化可以防止它们的不适当表达。染色质重组装是指染色质或核小体的结构、成分变化，这些变化具有转录调控作用。在染色质重组装过程中，连接组蛋白H1成分的时序变化以及核心组蛋白的乙酰化，都对早期发育过程的转录调控起了关键性的作用。染色质重组装控制着早期转录抑制状态向激活状态的转变，是母型基因控制向合子型基因控制过渡，即所谓“中期囊胚转换(midblastulatransition,MBT）的重要途径。第三节mRNA前体的可变剪接mRNA前体通过不同方式的剪接，可由一个基因的转录产物产生出不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质的过程称为可变剪接（alternativesplicing）或选择性剪接。来自一个基因的mRNA前体因可变剪接产生多种成熟mRNA，翻译出不同的蛋白质，或形成一组相似的蛋白质家族，都可称为同工型蛋白质（isoform）。一、可变剪接的方式可变剪接可因mRNA前体的外显子或内含子DNA序列中发生突变、缺失，影响5’或3’剪接点的数目和位置。与mRNA前体中内含子剪接点结合的各种snRNP中，snRNA或蛋白质的异常则会剪接效率大大降低。腺病毒幼体,幼殖体有些基因常不止一个转录起始位点，在不同的组织或不同的发育阶段由同一个基因转录出不同的mRNA前体，以不同的剪接方式产生有活性的蛋白质。二、可变剪接的调控机制1．SR蛋白家族的调控剪接体的形成与多种蛋白质和RNA复合体密切相关。在可变剪接上保守的SR磷蛋白家族因子的参与起重要作用。SR蛋白家族以不同的质的组成与量的差异选择特定的mRNA前体剪接位点，不同的SR家族蛋白对适当的mRNA前体可以诱导出不同选择的剪接方式，在选择剪接上起决定作用。2．RNP的调节hnRNP-A1在不同组织中的含量变化很大，不参与组成性剪接。在选择5’和3’剪接点时具有可变剪接活性，成为参与可变剪接的调节因子，在体内与SR蛋白共同调节组织特异性的剪接。U5hnRNP在酵母中参与5’剪接点突变的可变剪接。3．外显子限定模型真核细胞mRNA前体中内含子远远大于外显子，5’与3’剪接位点可以跨越数万个核苷酸准确地组合在剪接体中。有证据表明，在前速激肽原mRNA前体的可变剪接中，外显子下游的5’剪接位点可影响其上游内含子3’的剪接。三、反式剪接剪接过程一般发生同一个RNA分子的内部，即通过剪接将一个RNA分子内的内含子剪掉，使外显子连接在一起，这种剪接方式称为顺式剪接（cis-splicing）。两种不同来源的RNA前体分子的内含子之间具有互补序列时，也可以发生反式剪接（trans-splicing）。另一种形式的反式剪接是在成熟的mRNA非翻译部分5’端剪接上一段称为“剪接前导序列”或“小外显子的RNA片段”。第四节RNA编辑RNA编辑（RNAediting）是在RNA分子上出现的一种修饰现象。主要指mRNA在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换，改变了DNA模板来源的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。RNA编辑似乎是中心法则的例外。编辑扩大了遗传信息，也可能是生物适应的一种保护措施。一、核苷酸的替换1．Ｃ→U替换最典型的例子是载脂蛋白B的RNA编辑。Ｃ→U替换使Apo-B100

CAA编码的谷氨酰胺突变为UAA的终止密码子，产生编码Apo-B48的mRNA。在蛋白质水平上只保留了Apo-B100分子N端脂蛋白装配结构域，缺少了C端低密度脂蛋白受体结合区。肠谷氨酸盐阿朴脂蛋白2．A→I替换在β珠蛋白、c-Myc、成纤维细胞生长因子基因中都有因A→I替换使互补链的U被RNA酶A水解的现象。二、可读框的改变可读框的改变主要是核苷酸的插入或缺失。G或C的插入则往往是因为模板上连续几个C（或G）之后，互补链因一种滑动力而被添加到RNA中。三、向导RNA向导RNA（gRNA）是一种线粒体内转录的短RNA（约55～70核苷酸），能以正常碱基配对或GU配对的方式，选择其5’末端“锚区”在mRNA上的互补序