第九章 真核生物基因表达调控-佘

9.真核生物基因表达的调控9.1DNA水平的调控9.2染色质水平上的基因活化调节9.3转录水平的调控9.4转录后水平的调控9.5翻译水平调控9.6翻译后水平调控9.7原核与真核基因表达调控差异内容介绍9.1.1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。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性totipotency9.1DNA水平的调控9.1.2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9.1.2.1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。在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增9.1.2.2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。9.1.3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9.2染色质水平上的基因活化调节9.2.1真核染色体的结构9.2.2染色体对基因的表达有调控作用9.2.3组蛋白和有关蛋白质的改变9.2.4转录活跃区对核酸酶的敏感性提高9.2.5甲基化程度降低9.3转录水平的调控真核生物细胞中有成千上万个基因表达，不同类型细胞由不同组合的基因表达。那么，每种细胞如何保证正确的基因组合表达？一种途径是基因重复：基因有多个拷贝，不同类型细胞表达不同的拷贝，不同拷贝的表达处于不同调控系统。另一种途径是复合控制系统：真核生物单拷贝基因转录调控系统,网络9.3.1Britten-DavidsonmodelSensor感受位点：位于整合基因5‘端，接受调控信号，激活整合基因表达Integrator整合基因：产生激活因子Gene结构基因Receptor接受位点：位于结构基因5’端，被激活因子识别RNA/proSI

RGmRNA9.3.2基因转录的顺式调控元件

cis-element由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反式作用因子结合，实现对基因转录的调控。按照功能分为启动子、增强子、沉默子按照调控水平分为:基础转录水平的顺式调控元件，如启动子；特异诱导高效表达的顺式调控元件，如增强子9.3.2.1启动子UPE:upstreampromotorelementUAS:upstreamactivatingsequence9.3.2.2.Enhancer

sv40促进转录，不具有启动子专一性功能与方向，位置无关远距离发挥作用(100~500bp，10Kb)组织或细胞特异性必须有两个(以上)增强子成份紧密相连，enhanson

增强子的特点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9.3.2.3Responseelement应答元件、效应元件：一组受到共同调控的基因，都有一个相同的元件（序列），此元件能与某一个(类)专一蛋白结合，使基因对其作出反应含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似，有时有多个拷贝；与转录起点距离不固定，一般位于上游元件或增强子内；常是启动子的上游元件或增强子Eukaryoticresponseelements.ResponseElementTranscriptionFactorConsensusSequenceMREmetalCGNCCCGGNCNCCRECREB(cAMP)TGACGTCAEREEstrogenreceptorAGGTCANNNTGACCTGREGlucocorticoidreceptor糖皮质激素AGAACANNNTGTTCTHSEHeatshockfactorGAANNTTCNNGAATRE佛波酯TGACTCASRESerumresponsefactorCC(A/T)6GGEREethyleneAGCCGCCT*(A/T)6

meanssixAorT;N=any.9.3.2.4silencer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，matingtypeß-珠蛋白ε基因簇T淋巴细胞激活所需要的CD4/CD8基因SawadaS.,1994,Alineage-specifictranscriptionalsilencerregulatesCD4geneexpressionduringTlymphocytedevelopment.Cell77:917-929对细胞亚型成熟过程中特异性的选择表达9.3.3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transcriptionactivedomain：30-100aaregulardomain：与其它因子或调控蛋白结合9.3.3.1TF结构特征1.结构特点构成任何一种特征序列或结构的基本单位，是超二级结构已发现4种结构基元在DNA结合中起主要作用DNA结合结构域数据库TRANSFACDNA结合结构域即家族成员TRRD转录调控区数据库COMPEL混合DNA元件的特性补充内容

多肽链的构象，C

-N，C

-C—螺旋ß-折叠ß-turn,转角R1的C=O与R4的NH形成氢键（1）HTH,Helix-turn-helix2个

螺旋被一个

转角隔开识别螺旋，与DNA在大沟中特异结合穿过大沟，与DNA非特异结合S386许多调控蛋白都有HTHλ阻遏蛋白与cro蛋白CAP酵母接合型调控蛋白α1，α2果蝇的触角足基因Antp玉米的Kn1水稻的OSH1果蝇的engrailed果蝇的触角足蛋白哺乳动物转录因子

Homeodomain最早在果蝇的homeoticloci（决定身体结构）中发现.同形异位现象(homeosis):果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因从酵母到人类都存在homeobox,DNA序列高度保守

Homeodomain有3个—helix,H1与H2平行H2与H3形成HTHmotifH3位于大沟中，与DNA特异结合N末端位于小沟中，与DNA接触（2）ZincfingerA.Cys2/His2,经典~23aaCys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-HisCys，His与Zn++结合形成4面体结构，使中部的氨基酸回折成环，凸出如手指中部芳香族氨基酸保守，疏水串联重复排列，两指间7-8aa锌指数目多少不等S395SP1zyj271TFIIIA344aa，N端与DNA结合9个锌指，每个～30aa与5srRNA基因内启动子（50bp)结合B.Cys2/Cys2zincfingerCys-X2-Cys-X13—Cys-X2-CysZn++与4个Cys结合DNA结合序列较短，对称无大量重复性锌指Cys2/Cys2与Cys2/His2不同例如GAL4，酵母的转录因子哺乳类的固醇类激素受体糖皮质激素受体ZYJ272

-COOH，每隔7个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面-NH2,富含碱性氨基酸，＋，碱性DNA结合域(3)Leuzipper依靠Leu的疏水作用,2个helix相互缠绕，形成拉链结构baseZIPmotifY形结构GCN4在真核生物中广泛存在C/EBP增强子结合蛋白GCN4酵母激活因子CREB（cAMP应答元件结合蛋白）原癌基因jun,fos编码产物Leu拉链可以homodimer,heterodimer起作用，说明用各种不同组合，可产生不同的调控蛋白，能阅读多种序列（功能的灵活性）（4）bHLH（Helix-loop-helix）40～50aa含2个-helix（15~16aa）,由连接区（12~28aa）连接；两亲性,amphipathic；通过疏水面作用形成二聚体－NH2端为碱性结合区，16aaMyoD-DNA缺乏碱性区的蛋白质，即使形成（同、异）二聚体，也无法同DNA结合zyj2782.转录激活域A酸性激活域如GCN4，GAL4Prich-Gln如SP1,AP2,oct1,oct2Qrich-pro如CTF/NF1不规则的，含双性-helix实验：使用不同的激活域（A,P,Q）与GAL4的结合域构成融合蛋白，检测其激活转录的能力。DNA结合域只是为激活域在DNA分子上寻找一个立足之地。酵母双杂交的技术基础9.3.3.2反式作用因子的种类TF(I,II,III）

通用转录因子，基础因子：结合在TATA盒上的蛋白质因子，转录必须，TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等

转录调控因子，上游因子：识别并结合在上游元件UPE上，

诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控constitutiveexpressioninducibleexpressionRNApolII的上游元件及其转录因子s356S356C末端DNA结合域,3个Zn指2个活化结构域,rich-Gln在大沟中结合GCbox，一个SP1结合～20bp,无组织特异性，作用无方向性，可提高转录10-25倍最初在SV40中发现，普遍存在于脊椎动物中，每个细胞中有6万个（1）SP1ThespecifictranscriptionfactorSP1bindstoGCrichsequenceinTATAlesspromoterglutamine-richdomainsGC250150SP1110TBPzincfingermotifs（2）CTF结合CCAATbox，作用于大沟，无组织专一性每个细胞中有30万个有许多蛋白质可与CAAT结合NF1,腺病毒复制原点的核因子1C/EBP,大鼠肝中CCAAT结合蛋白CTF家族CP家族一种元件可被一种以上的TF识别！一个特定蛋白质能识别不止一种序列！真核生物的转录因子，虽然具有较高程度的独立性，仍然可能与原核生物的σ因子起着相同作用，即赋予核心酶识别特异序列，并与之结合的本领。所以没有大量转录因子，RNA聚合酶II本身不可能识别真核中数量巨大的启动子。9.3.4真核基因转录调控机制基因转录的调控需要顺～反因子、蛋白质之间的相互作用9.3.4.1顺式元件与反式作用因子的相互作用1调控模型调控蛋白以多聚体（2,4）结合识别序列为palindromicseq.

Y277S380节省编码DNA，减少装配的随机错误迅速开关基因，提高调控特异性平移对称螺丝对称两倍轴对称二倍旋转对称2蛋白质如何识别DNA特定序列？蛋白质的识别螺旋嵌入DNA大沟中非特异性结合：结合部位附近的正电区域（由带正电的氨基酸侧链组成），与DNA主链的PO4离子产生静电作用，二者距离远，作用弱特异性结合：当到达靶位点时，蛋白质分子上特定位点上的H供体和受体的空间取向正好于DNA靶位点互补，结果形成氢键，使二者距离缩短（1.0~1.5nm），作用力增强106倍这种寻找方式比在DNA上跳动能更迅速地找到靶位点CroS3893,例,cI和cro组成的转录开关系统S387cIS388螺旋3嵌入大沟中,特异结合氨基端手臂伸到DNA背后,在大沟中与DNA接触调控蛋白识别DNA采用的HTH模式具有普遍意义S3909.3.4.2cis-factor互作的模式Loopinghypothesis：位于2个不同的DNA结合位点上的2个蛋白质，可以通过2个结合位点之间的DNA形成loop得以相互作用，影响基因转录实验证据：

λ：cI在OR1上的结合使OR2的结合能力提高GaloperonAraoperonSV40早期启动子Enhancer，热休克蛋白HeatShockProteins(HSPs),是在从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白质。当有机体暴露于高温的时候，就会由热激发合成此种蛋白，来保护有机体自身。许多热休克蛋白具有分子伴侣活性。按照蛋白的大小，热休克蛋白共分为五类，分别为HSP100，HSP90，HSP70，HSP60以及小分子热休克蛋白smallHeatShockProteins(sHSPs)(Kyeongetal.,1998)。9.3.4.3诱导型转录因子活性调控

--热休克应答基因家族（genefamily):真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些基因称为基因家族。如：编码组蛋白和免疫球蛋白的基因都属于基因家族。

同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇(genecluster)。1HSP（heatshockprotein)aa序列高度保守蛋白质功能高度保守是一种分子伴侣chaperone2

hsp核苷酸序列高度保守，如人与E.Coli40～60％多基因家族，多拷贝，成簇存在大部分无内元，如hsp70，转录后不须剪切即可产生成熟mRNA，适应需要HSE,

heatshockelement位于hsp上游核心序列nGAAn，首尾排列－GAANNTTCNNGAA－保守，几乎存在于所有的HSP中。把HSE连接在其它基因的上游，该基因可获得热诱导性。HSE在进化中的保守性是热休克应答普遍性的分子基础之一HSF,heatshockfactor，

HSE结合蛋白，热激转录因子DNA结合区：3个螺旋，形成疏水区多聚化区：4个Leu拉链，三聚体有活性C末端（452～488）保守区5热休克应答的调控机制常温下，HSF在体内以单体存在，不与DNA结合（无活性）这是由于拉链1,4相互作用，加上Hsp70,hsp90的共同作用，使HSF保持单体热激后，大量变性和错误折叠的蛋白质出现,

与Hsp70,hsp90竞争结合,使拉链区暴露,多聚化，与HSE结合HSF解离，形成HSF单体多聚化与HSE结合产生HSPHSP积累，可与HSF结合脱离HSE热激shen256热休克应答现象普遍存在

热休克基因家族是迄今被发现的最保守的遗传系统

热休克反应可被多种因素诱导，应激反应9.4转录后水平调控9.4.1hnRNA选择加工及运输实验发现，在海胆囊胚细胞中，约有2万种不同序列的hnRNA，其中1.3万种加工形成mRNA；在成体肠细胞中，约有2.5万种hnRNA，只有3000种加工成mRNA。在囊胚中存在，而肠细胞中没有的mRNA序列，大多数可在肠mRNA中发现。说明海胆中许多基因的转录并不因组织的不同而有很大的差异。不同组织调控自己mRNA水平的主要方式似乎不在转录水平，而在对hnRNA的选择加工，似乎只有一小部分基因的调控发生在转录水平。除了转录水平调控外，mRNA水平还决定于hnRNA加工、mRNA运输，但对其机制了解不多hnRNA核内不均一RNA↓hnRNP与RNA结合蛋白形成核糖核蛋白,蛋白