第十三章 真核生物基因表达调控

真核生物基因表达调控Controlofgeneexpressionineukaryote一、真核基因表达调控的特点真、原核基因表达调控的相同点和不同点相同点：与原核调控一样，真核基因表达调控有转录水平调控和转录后调控，并且以转录水平调控为最主要在真核结构基因的上游和下游（甚至基因内部）也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白质因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录不同点

Repeptitive

gene

Overlapping

gene

Splitting

gene

no

intron

Post-transcription

transcription&translation

RNA

processing

synchronizelyEukaryote

Prokaryote

DNA+histon→chromatin

Naked

DNA

enhancer&silencerAttenuater

monocistronpolycistron(operon)m5C

geneoff

transfactoractive

formEukaryoteProkaryote

acetylationphosphorylationmethylation

glucosylation二、真核细胞基因表达调控的不同层次7个层次：染色体和染色质水平上的结构变化和基因活化转录水平上的调控RNA加工水平上的调控转录后加工产物从细胞核向细胞质转运过程的调控翻译水平的调控蛋白质合成以后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪切、活性水平的控制mRNA的选择性降解的调控染色质DNADNA转录初产物（RNA）细胞核细胞质mRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质染色质水平调控转录调控转录后加工调控转运调控翻译调控mRNA降解调控翻译后加工调控真核生物基因表达调控七个层次三、染色体水平上的调控主要有：染色质结构DNA在染色体上的位置基因拷贝数的变化基因重组基因扩增

基因丢失基因重排DNA修饰

基因丢失在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。基因扩增在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象为满足正常的生长发育需要如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增:卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍，用于转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体。

编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增外界环境因素引起基因扩增基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关。

在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc原癌基因的DNA区段扩增10－200倍。

许多致癌剂可诱导DNA扩增。基因重排特异性调节，发生在特殊的细胞类型中例如：酿酒酵母接合型哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接无序的，发生在肿瘤细胞基因组中免疫球蛋白基因重拍脊椎动物和人的淋巴细胞在成熟过程中抗体基因的重排是基因重排研究中的重要实例淋巴细胞分化而来的浆细胞能够产生无数种类的抗体分子（免疫球蛋白）免疫球蛋白由两条轻链（L）和一条重链（H）组成，分别由三个独立的基因簇组成，其中κ和λ编码轻链，另一条编码重链无论重链、轻链都是由多个V和C基因簇组成的

说明编码一条完整多肽链的基因在表达之前必须经过重排重链基因座的重排酵母结合型的染色质重排单倍体细胞,aor

接合型不同接合型的细胞可以接合相同接合型的细胞不能接合MATa,MAT接合型可互变a←→

需要HO基因，编码内切酶盒式模型一个单倍体细胞中同时存在MATa和MAT在同一染色体上，活跃匣子MAT

沉寂匣子HML,HMR接合型互变与活跃匣子不同类型的沉寂匣子可以取代活跃匣子，改变接合型染色质的结构紧密压缩状态不利于基因表达，为非活性状态被阻遏状态DNA与组蛋白结合后被阻遏表达有活性状态除去H1组蛋白，使染色质处于伸展状态，部分基因活化被转录被激活状态DNA启动子上结合激活因子，形成转录复合物为激活状态异染色质化—DNA结构高度致密，处于阻遏状态，无转录活性组成型异染色质：染色质在整个细胞周期一直保持压缩状态，不具转录活性兼性异染色质：只在一定的发育阶段或者生理条件下由常染色质凝聚而成，无持久活性组蛋白对基因活性的影响是基因活性的重要调控因子，当与裸露DNA混合后，能使该基因转录停止组蛋白H1比核心组蛋白阻遏转录的作用强H1转录模板的活性能被转录因子，如sp1，Gal4等因子作为抗阻遏物，阻止H1阻遏作用，是因为转录因子能与H1竞争DNA上的结合位点

决定基因是否转录的关键是转录因子和组蛋白那个先占据到DNA上的调节位点组蛋白的乙酰化与去乙酰化核心组蛋白都能够发生乙酰化修饰，H3和H4乙酰化程度大于H2A-H2B，且H3和H4上分布着乙酰化的主要位点，Lys侧基上的ε-NH2生物功能乙酰化促进基因转录的活性促进转录起始复合物的装配组蛋白的去乙酰化导致基因沉默活性染色质对DNase的的敏感性基因活性区域对DNaseⅠ的敏感性有细胞和组织特异性，只在活跃表达的细胞中，基因才具有这种敏感性鸡卵清蛋白100kb的基因簇，在输卵管组织中都对DNaseⅠ有敏感性，而在不表达卵清蛋白肝细胞中，该基因簇区域不显示对DNaseⅠ的敏感性在染色质中的基因DNA对DNaseⅠ的敏感性只能说明该基因具有被转录的潜在能力，并非一定就能转录在染色质中的DNA潜在活性区域核小体组装较为松弛且某些位点用DNaseⅠ处理时DNA极易断裂，为高敏感位点（HS）染色质上对DNaseⅠ的敏感区域有一定的界限即使在一个基因内，各个区段对DNaseⅠ敏感程度也不同，基因编码转录大范围表现一般的敏感性，而在基因调控区的少数区域则显示高度敏感性人的β-珠蛋白基因簇上、下游两个远侧区域就是超敏感位点LCR是一种远距离顺式调控元件（基因座调控区），具有增强子和稳定活化染色质的功能，也是特异性反式调控因子的结合位点组蛋白的乙酰化能使染色质对DNaseⅠ和微球菌核酸酶的敏感性显著增强非组蛋白与染色质松散结合，或者在某些条件下才能够结合的蛋白质组分（NHP组分）核内的NHP组分参与了DNA的复制，基因产物的转运，初始转录产物RNA的加工，RNP颗粒的组装，核亚显微结构，细胞周期内核的变化和基因表达调控以及所有这些过程中信息的传递等步骤。DNA水平上的调控DNA的甲基化大多数DNA的甲基化位点存在于双链CpG岛的胞嘧啶上。★

2%~7%的动物细胞DNA胞嘧啶是被甲基化的（数值依物种而变化）。大多数甲基基团能在CG“双联体”中被找到，事实上，大多数CG序列是被甲基化的。★形成的回文结构为：

5`mCpG3`3`GpCm5`碱基甲基化的形成部位DNA甲基化抑制基因转录的机理作用机理：

DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。甲基化对转录有抑制作用，主要是通过甲基化的DNA上结合特异性转录阻遏物，或称为甲基化CpG结合蛋白而起作用，这些蛋白能与转录调控因子竞争甲基化DNA结合位点真核基因转录水平的调控真核、原核基因转录调控的区别原核生物功能相关的基因组成操纵子；真核生物不组成操纵子原核生物调节元件较少，真核生物调节元件多原核生物通常以负调控为主，其调节因子的活性主要受变构效应调节；真核生物以正调节为主，调节因子以共价修饰为主，如磷酸化和去磷酸化真核生物具有染色质结构，基因活化需要染色质重塑的过程复习原核与真核生物转录起始点上游区的结构原核生物TTGACATATAATRNA聚合酶主要接触位点正调控因子结合区负调控因子结合区-70-30-20+1mRNA-35-10增强子GC区CAAT区TATACCGCCCGGGCGGGGCCAA转录起始位点上游调节元件（UPE）mRNA真核生物UPE从种类上讲要比原核生物多真核生物基因结构模式UPE:upstreampromotorelementUAS:upstreamactivatingsequence基因基础转录的调节基因的基础转录是指由核心启动子与通用转录因子结合后起始的转录过程调节包括：转录中涉及的蛋白质因子之间的竞争，核心启动子的完整性以及转录模板DNA的损伤等（DNA损伤在转录前必须先得到修复）都影响调节基因转录。真核生物转录调控的顺式作用元件顺式作用元件：具有调节功能的特定的DNA序列只能影响同一分子中的相关基因，发生在一个序列中的突变不会改变其他染色体上等位基因的表达反式作用因子：与顺式作用元件相反的调节蛋白，可通过扩散结合于细胞内的多个靶位点，当发生突变后将同时影响不同染色体上的等位基因的表达，表现反式作用通过各种顺式作用元件和反式作用因子的复杂的相互识别与作用对基因转录的启动，延伸速率等进行调节。Ⅱ类基因转录的调控区与启动子Ⅱ类基因的转录指真核细胞RNA聚合酶Ⅱ负责转录的基因，一般为编码蛋白质的基因Ⅱ类基因调控区近端作用元件远端作用元件位置划分Ⅱ类基因调控区启动子调控元件功能划分增强子正调控作用功能增强子：指能够使和它连锁的基因效率明显增加的DNA序列，主要存在于真核生物基因组最早是在研究SV40基因表达时，发现的一段位于转录起始点上游的序列对早期、晚期两个方向转录都有增强作用，故称为增强子ENHANCER

SV40增强子的作用特点增强效应明显增强子没有基因专一性不具方向性，功能与序列取向无关能对远离基因的转录起始位点起作用增强效应具有组织或细胞特异性大多为重复序列内部一般含有一个核心序列许多增强子还受外部信号的调控SV40至少有3个不连续的21bp的增强子成分A,B,C，6个增强子元增强子的作用机制增强子和UPE都可以被反式作用的调控因子结合，引起DNA构象变化，甚至DNA螺旋弯曲，形成环状结构，结合到增强子的各种反式作用因子之间相互作用，并接触作用于启动子上的各种蛋白质因子，促进PIC组装，从而激活转录增强子序列元件是一些特异蛋白质因子结合位点，它能使模板DNA固定在细胞核特定结构如核基质上，有利于DNA拓扑异构酶发挥作用绝缘子与沉默子绝缘子：能够阻止激活或阻遏作用在染色质上传递的一类顺式作用元件例如：如果将一个绝缘子置于增强子和启动子之间，能阻止增强子对启动子的激活如果一个绝缘子在活性基因和异染色质之间，则可以保护该基因免受异染色质化而失活Anenhanceractivatesapromoterinitsvicinity,butmaybeblockedfromdoingsobyaninsulatorlocatedbetweenthem.沉默子：是基因的负调控元件，它的DNA序列被调控蛋白结合后阻断了转录起始复合物的形成或活化，使基因表达活性关闭负调控元件,不受距离和方向限制，可对异源基因的表达起作用对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用例如酵母，matingtype

ß-珠蛋白ε基因簇基因转录的反式作用因子调控蛋白质包括负调控因子（阻遏蛋白）正调控因子（转录因子）原核生物调控蛋白种类较少（由于启动子或操作子结构简单）真核生物调控蛋白种类较多，主要是转录因子DNAbindingdomain：<100aa，氢键，大沟transcriptionactive