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第九章 真核生物的基因表达调控

第九章 真核生物的基因表达调控. 第一节 特点 一 . 与原核生物的相同点 1. 有转录水平和转录后的调控 2. 在真核生物的结构基因的上游和下游也同样存在相应的特异调控因子 二 . 不同点 1. 细胞结构的不同造成调控系统的不同 2. 原核生物多为操纵子为单位进行调控 3. 真核生物有致密的染色体结构 、 庞大的基因组 4. 真核生物基因组 DNA 中有许多重复序列，基因内部被内含子隔开，基因组之间分布着大段的非编码序列. 5. 染色质结构及与 DNA 相互结合的蛋白质结构，成为调节基因的开关

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第九章 真核生物的基因表达调控

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  1. 第九章 真核生物的基因表达调控 第一节 特点 一. 与原核生物的相同点 1. 有转录水平和转录后的调控 2. 在真核生物的结构基因的上游和下游也同样存在相应的特异调控因子 二. 不同点 1. 细胞结构的不同造成调控系统的不同 2. 原核生物多为操纵子为单位进行调控 3. 真核生物有致密的染色体结构、庞大的基因组 4. 真核生物基因组DNA中有许多重复序列，基因内部被内含子隔开，基因组之间分布着大段的非编码序列

  2. 5. 染色质结构及与DNA相互结合的蛋白质结构，成为调节基因的开关 6. 核膜的存在，使得转录和翻译在时间与空间上被分隔开，从而形成多层次的调控系统 ☞ 真核生物的基因调控贯穿于DNA到功能蛋白质的全过程，涉及基因结构的变化、转录的起始及其后加工、mRNA的转运及翻译的几个调控阶段

  3. 第二节 真核细胞基因表达调控的步骤 • 1. 染色体核染色质水平上的结构变化与基因活化 • 2. 转录水平上的调控，包括基因的开启与关闭，转录效率的高低 • 3. RNA水平上的调控包括初始转录产物的特异性剪接、修饰、活化与编辑等 • 4. 转录后加工产物的转运调控 • 5. 翻译水平的调控 • 6. 蛋白质合成后的选择性调控 • 7. 控制mRNA的选择性降解的调控

  4. 短期调控:基因的快速活化或封闭 • 长期调控:基因被永久性地或半永久地开启或关闭，从而不间断和不可逆地改变细胞的生活特性，最终导致细胞的分化，成为具有特定生理机能的细胞。

  5. 第三节 DNA染色体水平的调控 一. 概述 染色质的结构、DNA在染色体上的位置、基因 拷贝数的变化、基因重组、基因丢失、基因重排 以及基因修饰等 二. 染色质的结构 以核小体为基本结构单位形成染色质，其组装 影响着DNA的复制、基因的表达和细胞周期进程

  6. 紧密压缩状态: DNA分子被紧密地压缩在细胞核内，从而导致基因处于非活性状态 • 被阻遏状态: DNA分子与组蛋白结合导致染色质处于被阻遏状态 • 有活性状态:能使基因处于可转录状态的染色质的结构，称为染色质的活性状态 • 被激活状态:当启动子被激活因子结合，从而促使RNA聚合酶等在启动子区域形成转录复合物，使染色质成为激活状态

  7. 三. 异染色质 在细胞核中处于凝聚状态，不具有转录活性。组成型异染色质在整个细胞周期一直保持压缩状态，其DNA不含有基因，而兼型异染色质只在一定的发育阶段或生理条件下由常染色质凝聚而成，没有持久的活性。 四. 组蛋白对基因活性的影响 组蛋白是基因活性的重要调控因子，当组蛋白与裸露的基因DNA混合后，能使该基因的转录停止。经研究表明，组蛋白H1比核心组蛋白阻遏转录的作用强，组蛋白H1与连接DNA相结合后稳定了核小体的结构，通过维持染色质的高级结构而抑制了转录过程。

  8. 五. 组蛋白的乙酰化-去乙酰化 与基因活化、染色质变化及基因表达水平密切相关，是一个动态过程，组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase, HAT)催化 • 乙酰化能促进基因转录的活性 • 组蛋白乙酰化与转录起始复合物装配 • 组蛋白的去乙酰化与基因沉默

  9. 六. 活性染色质对DNase的敏感性 基因组不同区域的染色质被不同浓度的酶水解的特性定义为基因组DNA对酶的敏感性。 染色质对DNaseI敏感性的表现 • 基因活性区域对DNaseI的敏感性有细胞和组织特异性，只有在活跃表达的细胞中，基因才具有这种敏感性 • 该基因具有被转录的潜在能力，并非就一定能转录 • 有一定界限 • 基因编码转录的大范围表现为一般敏感性，而只有基因的调控区域才显示高度敏感性 • 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

  10. 第四节 DNA水平上的调控 一. DNA甲基化 • 位点:5‘CG３’二核苷酸序列 • 密度: GC碱基对形成CpG序列约为1/100 bp • 机理:动态过程，需要构建性甲基化酶与维持性甲基化酶的参与 • 检测:通过特殊的限制性内切酶进行检测确认

  11. 二. DNA甲基化与转录抑制 • 通过甲基化的DNA上结合特异性转录阻遏物，即甲基化CpG结合蛋白，该蛋白能与转录调控因子竞争甲基化DNA结合位点而起作用 • 甲基化影响DNA与蛋白质的相互作用 • C上加5-甲基能增强或减弱DNA与蛋白质之间的相互作用 • 能使基团拥挤在DNA大沟内，导致DNA构象偏离标准的B型 综上所述，DNA构象的变化能极大程度地改变阻遏蛋白或激活蛋白的结合能力

  12. 第五节 真核基因转录水平的调控 一. 真核与原核生物转录调控的异同 1. 基因组结构的不同 2. 调节元件与数量的不同 3. 转录都受反式调节因子的调节 ① 通过调节因子的生物合成 ② 通过它们进行构象转变或共价修饰 4. 染色质改型

  13. 二. 基因基础转录调节 • 概述:由核心启动子与通用转录因子结合后起始的转录过程 • 作用:由它所控制的基因呈组成型表达，用以合成细胞所必需的各种成分，又称持家基因 • 机理:依赖各种通用转录因子间的相互作用，按照特定的时空次序组建转录起始复合物，其中TBP与TATA框的结合是这一过程的开始

  14. 三. 真核生物转录调控的顺式作用元件 （一） 顺反子 • 概述:由染色体上突变位确定的遗传功能单位 • 顺式作用元件:具有调节功能的特定DNA序列只能影响统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，这样的序列即为顺式作用元件 • 分类:启动子、增强子与沉默子

  15. （二） II型基因转录调控

  16. （三）增强子的作用机能 • 概述:能使与它连锁的基因转录效率明显增加的DNA序列 • 机能 • 作用效率明显，能使基因转录频率增加10-200倍 • 无基因专一性，对于同源或异源基因以及不同的基因组合上都有促进转录作用，而且可以位于基因的不同区域 • 不具有方向性

  17. 4. 能远距离对启动子产生影响，即对远距离基因的转录起始位点起作用 5. 增强效应具有组织和细胞特异性，只有在特定的蛋白质参与下才能发挥其功能 6. 多为重复序列，一般长度约为50bp，适合与某些蛋白质因子结合 7. 增强子内部一般都含有一个核心序列(G)TGGA/TA/TA/T(G),该序列是在另一个基因附近产生增强效应时所必需 8. 受外部信号的调控 上述机能有别于上游调控元件

  18. 机制 • 与反式作用因子结合，引起DNA构象变化，形成环状结构，同时增强子上的各种反式作用因子间的相互作用促进转录起始复合物的组装，从而激活转录 • 是一些特异蛋白质因子的结合位点，能使模板DNA固定在细胞核特定机构上，有利于DNA拓扑异构酶发挥作用 假说: • 增强子为转录因子提供进入启动子区的位点 • 能改变染色质的构象

  19. 与启动子的异同 • 位置不固定 • 无方向性 • 由模块组成的顺式元件，但是更密集

  20. （四）绝缘子与沉默子 • 绝缘子:近年发现的一类特殊顺式作用元件，不同于增强子，其功能为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结构域之内。 • 沉默子: 基因的负调控元件，与调控蛋白结合后阻断转录起始复合物的形成与活化，使基因表达活性被关闭

  21. 四. 感受应答调控 真核生物通过两种机制精确控制基因表达： * 构成重复结构，不同类型的细胞有选择地表达重复序列中特定拷贝。 * 单一拷贝基因的复合控制，调控蛋白经内外源信号分子激活后，大幅度提高启动转录频率，即感受应答调控模型(Britten-Davidson model)。

  22. 一. 基本原理

  23. 应答元件（Response Elements)：一个或多个，位于启动子或增强子处，或远离的上游区域内，为具有活性的转录调控蛋白因子识别并结合。 • 编码转录调控蛋白因子的调节基因远离结构基因，在其结构基因上游还有一个或多个感受位点(Sensor Site)，负责接受细胞内外的信息传递。

  24. 二. 基本形式 1、单调节基因-单结构基因模式 多种信号分子可来自不同细胞类型，或同类细胞的不 同时段，完成基因表达的时空特异表达控制。 2、单调节基因-多结构基因模式 多个单拷贝基因具有相同的应答元件，热休克响应 -转录调控因子控制20多个热休克相关结构基因。 3、多调节基因-单结构基因模式 一个结构基因拥有多个应答元件，分别为不同的因子识 别和不同程度的调控，从而实现在不同细胞中的时序表达。 4、多调节基因-多结构基因模式 多元复合控制机制

  25. 五. 真核生物转录调控元件的相互作用 • 应答元件具有与启动子或增强子上游调控元件相同的 • 基本特征： 短保守序列 • 2. 位置：转录起始位点上游200bp内的不固定位置 • 3. 功能：通过蛋白质与DNA的特异性结合将可诱导性的转录 • 调控因子激活形式吸引至启动子－增强子区域，以便其实 • 施正调控作用。 • 热休克响应：普遍存在于原核生物与真核生物中，当环境温 • 度升高时，关闭一些基因的表达，同时启动热休克基因组的 • 转录。 • 原核：有-10区特征的启动子，其表达依赖于新δ 因子的 • 合成。 • b. 真核：通用HSE保守序列，为热休克转录调控因子HSTE • 所识别，HSTE在激活（磷酸化）后，使热休克基因转录。 • 一个HSE与HSTE结合会促进另外位置二者的作用。

  26. 4.转录调控因子作用机理： a. DNA结合功能域：识别相应的应答元件序列并与之结合 b. 转录激活功能域：借助长臂伸缩，作用于转录基本因 子，进而激活转录启动。 c. 结合功能域与激活功能域无必然联系

  27. 5. 真核生物转录调控因子的激活方式： 转录调控因子由调节基因编码，其表达依赖于感受位点 与信号分子的相互作用，但合成后并不直接作用于相关 基因的应答元件，而是经过修饰才能具有活性。诱导和激 活是转录调控因子活性产生的两大要素。 同质异型蛋白质：组织特异性表达，只在特定类型细胞中 合成，表达后即有调控功能，不需激活程序。广泛存在于 真核细胞中，作为DNA结合功能域，与多种形式的转录 激活功能域组合形成各种转录调控因子。 转录调控因子激活方式： （1）磷酸化（热休克转录因子）与去磷酸化激活 （2）配体结合激活（影响调控因子的定位、运输及与DNA结合） （3）抑制剂释放激活（NF-κB） （4）亚基置换激活

  28. 六. 真核生物的转录因子 • 与转录模板链结合调节转录的一类蛋白质调节因子，包括激活因子和阻遏因子。它们与顺式作用元件中的上游激活元件、应答元件、启动子、增强子和沉默子等序列特异性结合，对真核生物基因的转录分别起促进和阻遏作用。 • 结构:通常由DNA结合结构域和转录激活结构域组成，另外，还有许多转录因子具有二聚化结构域，以形成同型或异型的二聚体

  29. DNA结合结构域 1. 螺旋-转角-螺旋结构域，这类结构域的特点 是它的DNA结合蛋白包含一个60个氨基酸的同 源域，该同源域是由一段称为同源框序列编码 2. 锌指结构域:有C2H2型和C4型两种 a. C2H2型:有一个12氨基酸的环，通过2个半胱氨酸和两个组氨酸残基固定，这四个残基与锌离子在空间上形成一个四面体结构，这种锌指折叠形成一个紧密的结构，由两条β链和一个α螺旋组成，后者与DNA大沟结合 b. C4型:锌离子与4个半胱氨酸结合。

  30. 二聚体结构域 1. 亮氨酸拉链:肽链上每隔7个残基就有位于DNA结合域C端α螺旋上的一个疏水亮氨酸残基， α螺旋的侧面每两圈就出现一个亮氨酸，形成一个疏水的表面，由此α螺旋熟睡表面间就可以相互作用形成二聚体 2. 螺旋-环-螺旋结构域:与亮氨酸拉链相似，只是它的2个α螺旋被一个非螺旋的多肽环分成两个单体蛋白， C端α螺旋一侧的疏水残基可以二聚化

  31. 转录激活结构域 • 酸性激活结构域 • 富含谷氨酰胺结构域 • 富含脯氨酸结构域 • 阻抑物结构域 • 阻断激活因子的DNA结合位点 • 非DNA结合复合体的形成 • 掩盖激活结构域

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