1、基基 因因 的的 表表 达达 调调 控控 Gene Regulation第七章第七章 真核生物基因的真核生物基因的表达调控表达调控主要内容主要内容第一节第一节 真核生物基因表达调控概述真核生物基因表达调控概述第二节第二节 DNA水平的表达调控水平的表达调控第三节第三节 转录水平的表达调控转录水平的表达调控第四节第四节 其他水平上的表达调控其他水平上的表达调控第一节第一节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控概述概述一、调控的细胞学基础一、调控的细胞学基础 原核生物一般为自由生原核生物一般为自由生活的活的单细胞有机体单细胞有机体。直接。直接暴露在变化莫测的环境中，暴露在变化莫测的环境中，食物
2、供应无保障，只有根食物供应无保障，只有根据环境条件的变化而改变据环境条件的变化而改变其代谢途径，才能维持自其代谢途径，才能维持自身的生存和繁衍。因而，身的生存和繁衍。因而，营养条件和环境因素是其营养条件和环境因素是其基因表达调控的主要信号基因表达调控的主要信号。真核生物主要由真核生物主要由多细多细胞胞组成。食物来源和代谢组成。食物来源和代谢途径相对比较稳定。但是途径相对比较稳定。但是由于它们多为多细胞有机由于它们多为多细胞有机体，在个体发育中出现细体，在个体发育中出现细胞分化，而不同类型的细胞分化，而不同类型的细胞在质和量上对蛋白质的胞在质和量上对蛋白质的需求是不同的。因而，需求是不同的。因而
3、，激激素水平和发育阶段是其基素水平和发育阶段是其基因表达调控的主要信号因表达调控的主要信号。原核生物原核生物真核生物真核生物 真核生物和原核生物细胞结构的不同，导致其真核生物和原核生物细胞结构的不同，导致其基本生活方式完全不同，所以基本生活方式完全不同，所以在基因表达调控上各在基因表达调控上各具特点具特点。对于原核生物而言对于原核生物而言，既无充足的能源贮备，又，既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领，也不能象动物一样无高等植物制造有机物的本领，也不能象动物一样主动获取食物。因此，主动获取食物。因此，调控是为了适应环境，获取调控是为了适应环境，获取营养，达到生存最优化营养，达到生存最
4、优化。调控特点体现一个。调控特点体现一个“快快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。能力。-适应环境获取营养、解决适应环境获取营养、解决“温饱温饱”问题问题 真核基因表达调控的最显著特征真核基因表达调控的最显著特征是是程序调控程序调控、按按“既定方针办既定方针办”。在特定时间和特定的细胞中。在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现激活特定的基因，从而实现“预定预定”的、有序的、的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和不可逆转的分
5、化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常生理功能，器官在一定的环境条件范围内保持正常生理功能，期间仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。期间仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能。或器官仍能维持正常功能。-“处世不惊处世不惊”二、真核生物基因表达调控的种类二、真核生物基因表达调控的种类1、根据基因表达调控的性质可分为两大类：、根据基因表达调控的性质可分为两大类：第一类是第一类是瞬时调控瞬时调控或称为或称为可逆调控可逆调控，它相当于原，它相当于原核细胞对环境条件变化所
6、做出的反应。瞬时调控核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降，及细胞周期不同包括某种底物或激素水平升降，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。阶段中酶活性和浓度的调节。第二类是第二类是发育调控发育调控或称或称不可逆调控不可逆调控，是真核基因，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。发育的全部进程。2、根据基因表达调控在同、根据基因表达调控在同一事件中发生的先后次一事件中发生的先后次序又可分为：序又可分为：uDNA水平的调控水平的调控 Gene Regulation at DNA levelu
7、转录水平的调控转录水平的调控 Transcriptional Regulationu转录后水平的调控转录后水平的调控 Post transcriptional Regulationu翻译水平的调控翻译水平的调控 Translational Regulationu蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控 Protein maturation and Processing第二节第二节 DNA水平的基因表达调控水平的基因表达调控v基因丢失基因丢失v基因扩增基因扩增v基因重排基因重排vDNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控v染色体结构与调控染色体结构与调控一、基因丢失（一、基因丢失（Gene loss
8、）在细胞分化过程中，可以在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖产生生殖细胞的那些细胞细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。一直保留着整套的染色体。例如：例如：在蛔虫胚胎发育过程中，有在蛔虫胚胎发育过程中，有27DNA丢失。丢失。在高在高等动植物中，尚未发现类似现象。等动植物中，尚未发现类似现象。二、基因扩增（二、基因扩增（
9、Gene amplification）基因扩增是指基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现某些基因的拷贝数专一性增大的现象象。它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足。它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。例如：例如：非洲爪蟾的卵母细胞中原有非洲爪蟾的卵母细胞中原有rDNA约约500个拷贝，个拷贝，在减数分裂在减数分裂的的粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为贝数约为200万个，扩增近万个，扩增近4000倍，可用于合成倍，可用于合成1012个核个核糖体，以满足卵
10、裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。三、基因重排（三、基因重排（gene re-arrangement）将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录的位点从而启动转录，这种方式被称为，这种方式被称为基因重排基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫免疫球蛋白结构基因的表达球蛋白结构基因的表达。免疫球蛋白由免疫球蛋白由B-淋巴细胞合成，其肽链主要由可淋巴细胞合成，其肽链主要由可变区（变区（V区）、恒定区（区）、恒定区（C区）以及两者之间的区）以及两者之间
11、的连接区（连接区（J区）组成。区）组成。人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数量比较的数量比较所有所有Ig分子都含有两类轻链中的一类，即分子都含有两类轻链中的一类，即型或型或型。型。V、C和和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，从个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。四、四、DNA的甲基化与基因活性调控的甲基化与基因活
12、性调控 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，存在甲基化是最早发现的修饰途径之一，存在于所有高等生物中。于所有高等生物中。DNA甲基化能关闭甲基化能关闭某些基因的某些基因的活性，而活性，而去甲基化则诱导去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。了基因的重新活化与表达。DNA甲基化能引起染色质结构、甲基化能引起染色质结构、DNA构象、构象、DNA稳定性及稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。从而控制基因表达。1DNA甲基化的主要形式甲基化的主要形式 DNA甲基化甲基化主要主要形成形成5-甲基甲基胞嘧啶胞嘧啶（5-mC）和）和少量少量的的N6-甲基甲基
13、腺嘌呤腺嘌呤（N6-mA）及及7-甲基甲基鸟嘌呤鸟嘌呤（7-mG）。）。真核生物中，真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和和GATC中。其中，中。其中，CpG二核苷酸通常成串出二核苷酸通常成串出现在现在DNA上，因而被称为上，因而被称为CpG岛（岛（CpG island）。它们大。它们大多位于多位于结构基因启动子的核心序列结构基因启动子的核心序列和和转录起始点转录起始点，其中有，其中有6090%的的CpG 被甲基化，被甲基化，。2、真核生物甲基化酶的分类、真核生物甲基化酶的分类真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：真核生物细胞内存在两种甲基化
14、酶活性：u日常型（日常型（maintenance）甲基转移酶）甲基转移酶：在：在甲基化母链甲基化母链指导下指导下可使可使半甲基化的半甲基化的DNA甲基化。例如甲基化。例如:DNA复复制之后新链的甲基化。制之后新链的甲基化。u从头合成（从头合成（de novo synthesis）甲基转移酶）甲基转移酶：催化未：催化未甲基化的甲基化的CpG成为成为mCpG，不需要母链指导不需要母链指导，但速，但速度很慢。度很慢。日常型甲基转移酶引起的半甲基化日常型甲基转移酶引起的半甲基化DNA的甲基化的甲基化3、甲基化抑制基因转录的机制、甲基化抑制基因转录的机制uDNA甲基化会导致某些区域甲基化会导致某些区域D
15、NA构象改变构象改变，使染色，使染色质高度螺旋化质高度螺旋化,凝缩成团凝缩成团,直接直接影响了转录因子与启影响了转录因子与启动子区动子区DNA的结合效率的结合效率。uDNA的甲基化不利于模板与的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合聚合酶的结合，从，从而而降低转录活性降低转录活性。u甲基化的甲基化的CpG可以通过与可以通过与甲基化甲基化CpG结合蛋白结合蛋白1（Methyl CpG-binding protein1,MeCP1）的结合）的结合间间接接影响转录因子与影响转录因子与DNA的结合的结合。甲基化对基因转录的影响甲基化对基因转录的影响4、DNA甲基化程度与转录启动子的关系甲基化程度与转录启
16、动子的关系 对对弱启动子弱启动子来说，少量甲基化就能使其完全失来说，少量甲基化就能使其完全失去转录活性。当这类去转录活性。当这类启动子被增强时启动子被增强时，即使不去甲，即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。基化也可以恢复其转录活性。甲基化密度较高时甲基化密度较高时，即使增强后的启动子仍无转录活性。即使增强后的启动子仍无转录活性。甲基化对转录的抑制强度与甲基化甲基化对转录的抑制强度与甲基化CpG结合蛋白结合蛋白因子因子MeCP1结合结合DNA的能力成正相关的能力成正相关，甲基化的密甲基化的密度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性有转录活
17、性。甲基化对基因转录影响模式图甲基化对基因转录影响模式图5、DNA甲基化对基因表达的其他影响甲基化对基因表达的其他影响 DNA甲基化通过对基因转录的抑制，可直接参与细甲基化通过对基因转录的抑制，可直接参与细胞分化和个体发育。随着细胞的分化和个体发育，胞分化和个体发育。随着细胞的分化和个体发育，当当需要某些基因保持需要某些基因保持“沉默沉默”时，它们将迅速被甲基化时，它们将迅速被甲基化，若需要恢复转录活性，则去甲基化。若需要恢复转录活性，则去甲基化。DNA 去甲基化有两种方式去甲基化有两种方式:u被动途径被动途径:一种一种核因子核因子可以粘附于上可以粘附于上DNA,使粘附点使粘附点附近的附近的D
18、NA不能被完全甲基化不能被完全甲基化,从而阻断甲基化酶从而阻断甲基化酶的作用。的作用。u主动途径主动途径:是由去甲基酶的作用是由去甲基酶的作用,将将DNA的甲基基团的甲基基团移去。移去。五、染色质结构与基因表达调控五、染色质结构与基因表达调控1、染色质结构对基因转录的影响、染色质结构对基因转录的影响 在细胞分裂间期的染色在细胞分裂间期的染色质的形态不均匀，根据其形质的形态不均匀，根据其形态及染色特点可分为态及染色特点可分为2类：类：常染色质常染色质：呈疏松的环状，：呈疏松的环状，电镜下表现为浅染；电镜下表现为浅染；异染色质：异染色质：呈现凝缩状态，呈现凝缩状态，电镜下表现为深染。电镜下表现为深
19、染。转录发生时，染色质转录发生时，染色质需要在特定的区域需要在特定的区域解旋或松解旋或松弛弛，导致基因暴露，导致基因暴露，转录因转录因子子与与启动子区启动子区DNA结合结合，起，起始基因转录。始基因转录。因此，染色质呈疏松因此，染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于或紧密结构，即是否处于“活化状态活化状态”是决定是决定RNA聚聚合酶能否有效行使转录功能合酶能否有效行使转录功能的关键。的关键。2、组蛋白和核小体对基因转录的影响、组蛋白和核小体对基因转录的影响u组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。组蛋。组蛋白与白与DNA结合阻止结合阻止DNA上基因的转录，去除组上基因
20、的转录，去除组蛋白基因又能够恢复转录蛋白基因又能够恢复转录;u核小体结构影响基因转录，转录活跃的区域也核小体结构影响基因转录，转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。常缺乏核小体的结构。第三节第三节 转录水平的基因表达调控转录水平的基因表达调控 真核基因表达调控主要也是在真核基因表达调控主要也是在转录水平上转录水平上进进行的，受大量特定的行的，受大量特定的顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting element）和）和反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）的调控。的调控。真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子
21、元件和反式作用因子复杂的相互作用复杂的相互作用来实现的。来实现的。引引 言言一、真核生物的顺式作用元件一、真核生物的顺式作用元件定义定义：指对基因表达有调节活性的指对基因表达有调节活性的DNA序列序列，其活性，其活性只影响与其自身同处在一个只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。分子上的基因。例如例如：启动子、增强子、沉默子等启动子、增强子、沉默子等1、启动子、启动子定义定义：在：在DNA分子中，分子中，RNA聚合酶能够识别、聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。结合并导致转录起始的序列。核心启动子和上游启动子元件（核心启动子和上游启动子元件（类）类）2、增强子（、增强子（Enhanc
22、er）定义定义：指能使：指能使与它连锁的基因与它连锁的基因转录频率明显转录频率明显增增加加的的DNA序列序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：具有下列性质：增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加加10-200倍；倍；增强效应与其位置和取向无关。不论增强子以增强效应与其位置和取向无关。不论增强子以什么方向排列（什么方向排列（5 3 或或3 5），甚至和靶），甚至和靶基因相距基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表现出增，或在靶基因下游，均表现出增强效应；强效应；大多为重复序列，一般长约大多为重复序
23、列，一般长约50 bp，其内部常含，其内部常含有一个核心序列：（有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；），该序列是产生增强效应时所必需的；增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；用才能发挥其功能；没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控，许多增强子还受外部信号的调控，如：金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强如：金属硫蛋白
24、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。子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子的作用原理是什么呢？增强子的作用原理是什么呢？增强子可能有如下增强子可能有如下3种作用种作用机制：机制：影响模板附近的影响模板附近的DNA双螺双螺旋结构旋结构，导致，导致DNA双螺旋弯双螺旋弯折或在反式因子的参与下，折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之媒介形成增强子与启动子之间间“成环成环”连接连接，活化基因，活化基因转录；转录；将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在核基将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在核基质上，有利于
25、质上，有利于DNA拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构双螺旋结构的张力，的张力，促进促进RNA聚合酶在聚合酶在DNA链上的结合和滑动链上的结合和滑动；增强子区可以作为反式作用因子或增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶聚合酶进进入染色质结构的入染色质结构的“入口入口”。3、沉默子（、沉默子（Silencer）为为负性调节元件负性调节元件，当其结合特异蛋白因子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起时，对基因转录起阻遏阻遏作用。最早在酵母中发作用。最早在酵母中发现，可不受序列方向的影响，也能远距离发挥现，可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用。作用。4、应答元件（应答元件（Respo
26、nse Element）能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的因特异表达的DNA上游序列称为上游序列称为应答元件（应答元件（Response Element）。含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似，有含有短的共有序列；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；元件或增强子内；u热激应答元件热激应答元件（heatshock response element，HSE）u糖皮质应答元件糖皮质应答元件（glucocorticoid respons
27、e element，GRE）u金属应答元件金属应答元件（metal response element，MRE)常见的应答元件有：常见的应答元件有：二、真核生物的反式作用因子二、真核生物的反式作用因子 反式作用因子是参与转录调控的反式作用因子是参与转录调控的蛋白因子蛋白因子，能直接地或间接地能直接地或间接地识别或结合识别或结合在各类顺式作用元在各类顺式作用元件上，与顺式作用元件一起对转录起调控作用。件上，与顺式作用元件一起对转录起调控作用。通过通过蛋白质蛋白质-DNA，蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用是其是其发挥功能的基础。发挥功能的基础。1、反式作用因子的分类、反式作用因子的分类（
28、1）通用反式作用因子）通用反式作用因子：在一般细胞中：在一般细胞中普遍存在普遍存在，主要，主要识别启动子的核心成分。如识别识别启动子的核心成分。如识别TATA框的框的TBP；识别识别GC框的框的SP1；识别八聚体核苷酸的；识别八聚体核苷酸的Oct-1等；等；（2）特异反式作用因子）特异反式作用因子：存在于：存在于特殊组织与细胞特殊组织与细胞中的反中的反式作用因子。如：淋巴细胞中的式作用因子。如：淋巴细胞中的Oct-2；（3）诱导型因子）诱导型因子：与应答元件相结合与应答元件相结合的反式作用因子。的反式作用因子。如：与激素应答元件如：与激素应答元件GRE结合的糖皮质激素；与热结合的糖皮质激素；与
29、热激应答元件特异性结合的热激因子（激应答元件特异性结合的热激因子（HSF）等。）等。2、反式作用因子中的功能结构域、反式作用因子中的功能结构域3个主要的功能结构域：个主要的功能结构域：（1）DNA识别结合域（识别结合域（DNA-binding domain）与顺式作用元件结合与顺式作用元件结合的结构区域，主要起与的结构区域，主要起与DNA结合的作用。结合的作用。（2）转录活化结构域）转录活化结构域(transcriptional activation domain）与其他蛋白因子结合与其他蛋白因子结合，参与募集启动子结合蛋白，参与募集启动子结合蛋白和转录起始复合体，控制基因转录活化的结构区域。
30、和转录起始复合体，控制基因转录活化的结构区域。（3）联结区域（）联结区域（connector）反式作用因子的反式作用因子的“DNA结合域结合域”和和“活化结构域活化结构域”是是独立发挥作用独立发挥作用的。的。DNA结合域的功能是把活化结构域结合域的功能是把活化结构域“拴在拴在”起始复合体附近，使之能够发挥活化转录的作起始复合体附近，使之能够发挥活化转录的作用。用。DNA结合域和活化结构域之间的结合域和活化结构域之间的“联结区域联结区域”是具是具有足够柔性的，这样无论有足够柔性的，这样无论DNA结合域所结合的具体位点结合域所结合的具体位点在哪里，都能使活化结构域找到其靶蛋白。在哪里，都能使活化结
31、构域找到其靶蛋白。3、反式作用因子中的、反式作用因子中的DNA识别结合域识别结合域 反式作用因子是能反式作用因子是能直接直接或或间接地间接地识别或结合识别或结合在各类在各类顺式作用元件顺式作用元件上，参与调控靶基因转录效上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。率的蛋白质。u螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）u锌指（锌指（Zinc finger）结构）结构u碱性碱性-亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic-Leucine zippers）u碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic-helix-loop-helix）螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(H-T-
32、H)结构结构 该结构域主要包含两个或以上该结构域主要包含两个或以上-螺旋区和螺旋区螺旋区和螺旋区中间的转折区。主要通过一个靠中间的转折区。主要通过一个靠C端的端的-螺旋与螺旋与DNA双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。锌指（锌指（Zinc finger）结构）结构 是一种常出现在是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构。是由结合蛋白中的结构。是由一个含有一个含有大约大约30个氨基酸个氨基酸的环的环和一个与环上的和一个与环上的4个个Cys或或2个个Cys与与2个个His配配位的位的Zn构成构成，形成的结构，形成的结构像像手指状手指状。Cys2/Cys2锌指锌指Cys2/His2锌指锌指甾体激素受体甾体激
33、素受体SP1，TF A具有具有Cys2/Cys2锌指区的转录因子锌指区的转录因子典型的类固醇激素受体结构示意图典型的类固醇激素受体结构示意图一些具有一些具有Cys2/His2锌指区锌指区的的转录因子和蛋白质转录因子和蛋白质转录因子转录因子SP1（GC盒）盒）、连续的、连续的3个锌指重复结构。个锌指重复结构。TF III A结构域示意图结构域示意图碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链 -螺旋结构螺旋结构上上每每6个氨基个氨基酸就有酸就有1个亮氨酸残基个亮氨酸残基，这些，这些亮氨酸出现在亮氨酸出现在-螺旋的一个方螺旋的一个方向，每向，每两个蛋白组成一个二聚两个蛋白组成一个二聚体体，使亮氨酸相对排列，形成
34、，使亮氨酸相对排列，形成拉链样结构拉链样结构；在拉链区的在拉链区的氨基端氨基端有约有约30个氨基酸残基的个氨基酸残基的碱性区碱性区(富含富含赖氨酸和精氨酸赖氨酸和精氨酸)。此区的作。此区的作用是用是与与DNA结合结合，它也形成，它也形成-螺旋。螺旋。不同转录因子的亮氨酸拉链结构氨基酸组成图不同转录因子的亮氨酸拉链结构氨基酸组成图碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（bHLH）蛋白质的蛋白质的C端端的氨基酸的氨基酸残基形成残基形成两个两个-螺旋螺旋，中，中间被非螺旋的间被非螺旋的环状结构环状结构隔隔开，蛋白质的开，蛋白质的N端端是是碱性碱性区区，为，为DNA结合区。结合区。碱性碱性-螺旋螺旋-环
35、环-螺旋类螺旋类蛋白通常也是组成蛋白通常也是组成二聚体二聚体的形式，这才具有结合的形式，这才具有结合DNA的能力。的能力。二聚体二聚体bHLH蛋白与蛋白与DNA结合模式图结合模式图4、常见的转录活化结构域、常见的转录活化结构域u酸性酸性-螺旋结构域（螺旋结构域（acidic helix domain）u富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（glutamine-rich domain）u富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）一般是一般是DNA结合结构域以外的结合结构域以外的30-100氨基酸氨基酸残基组成，主要包括以下几种特征性结构：残基组成，主要包括以下
36、几种特征性结构：（1）酸性）酸性-螺旋螺旋(acidic-helix)/带负电荷的螺旋结构带负电荷的螺旋结构 该结构域含有由该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性带负电荷的亲脂性-螺旋螺旋。包含这种结构域的转录因子有。包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4和糖皮质激素受体等。和糖皮质激素受体等。（2）谷氨酰胺丰富区（谷氨酰胺丰富区（glutamine-rich domain）SP1是启动子是启动子GC盒的结合蛋白，共有盒的结合蛋白，共有4个参与转录活化个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域含的区域，其中最强的转录活化域含25
37、%左右的谷氨酰胺左右的谷氨酰胺。酵。酵母的母的HAP1、HAP2和和GAL2及哺乳动物的及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和和SRF也含有这种结构域。也含有这种结构域。（3）脯氨酸丰富区（）脯氨酸丰富区（proline-rich domain）CTF家族（包括家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的）的C末端与其转末端与其转录激活功能有关，含有录激活功能有关，含有20-30%的脯氨酸残基的脯氨酸残基，其它如，其它如Oct2、哺、哺乳动物转录因子中也富含这种结构。乳动物转录因子中也富含这种结构。几种常见的转录活化结构域几种常见的转录活化结构域三、真核基因转录调控的模式三、
38、真核基因转录调控的模式 细胞是生命活动的基本单位。细胞通过细胞是生命活动的基本单位。细胞通过DNA的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传信息由亲代传至子代，实现增殖繁衍。同时，信息由亲代传至子代，实现增殖繁衍。同时，它们还不断地它们还不断地“感知感知”环境变化环境变化，并对环境，并对环境变化作出特定的应答。变化作出特定的应答。细胞应答可以分为细胞应答可以分为3个阶段：个阶段：感知外界信息（信息由细胞膜至核内）感知外界信息（信息由细胞膜至核内）染色质结构的改变，相应转录因子的活化染色质结构的改变，相应转录因子的活化 特定基因的表达过程特定基因的表达过程问题问题1：信
39、号是如何顺利通过细胞膜和核膜的阻隔到达信号是如何顺利通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内，从而影响基因表达的特定区域？核内，从而影响基因表达的特定区域？目前认为，细胞表面目前认为，细胞表面受体受体与与配体配体分子的分子的高亲和高亲和力特异性结合力特异性结合，能诱导受体蛋白构象变化，使细胞，能诱导受体蛋白构象变化，使细胞胞外信号顺利通过质膜进入细胞内。胞外信号顺利通过质膜进入细胞内。受体受体（Receptor）：）：是是细胞膜细胞膜上或上或细胞内能细胞内能特别识别生物活性分子并特别识别生物活性分子并与之结合的成分。它能把识别和接受的信号正确无误与之结合的成分。它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递
40、到细胞内部，进而引起生物学效应的特地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。殊蛋白质，个别是糖脂。能与受体呈专一性结合的生物活性分子则称为配体。能与受体呈专一性结合的生物活性分子则称为配体。配体（配体（Ligand）：）：真核细胞主要跨膜信号传导途径真核细胞主要跨膜信号传导途径细胞表面的三细胞表面的三类受体示意图类受体示意图 胞外信号通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内胞外信号通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内后，反式作用因子被后，反式作用因子被活化活化而特异性的结合到特定而特异性的结合到特定DNA序列（顺式作用元件）上。同时，通过自身序列（顺式作用元件）上。同时，通过自身具有
41、的转录活化结构域活化其他相关因子，从而具有的转录活化结构域活化其他相关因子，从而发挥转录调控作用。发挥转录调控作用。问题问题2：反式作用因子是如何被活化呢？反式作用因子是如何被活化呢？真核生物反式作真核生物反式作用因子活性调节用因子活性调节的主要方式的主要方式1、蛋白质磷酸化介导的信号传导及基因转录的调控、蛋白质磷酸化介导的信号传导及基因转录的调控2、蛋白质乙酰化对基因转录的影响、蛋白质乙酰化对基因转录的影响3、激素对基因转录的影响、激素对基因转录的影响4、热激蛋白对基因表达的影响、热激蛋白对基因表达的影响5、金属硫蛋白基因的多重调控、金属硫蛋白基因的多重调控转录调控实例：转录调控实例：第四节
42、第四节 其他水平上的调控其他水平上的调控 在真核生物基因表达的调控中，在真核生物基因表达的调控中，DNA水水平平和和转录水平上转录水平上的调控占有十分重要的地位，的调控占有十分重要的地位，但其他水平上的调控也不能忽视。这些调控包但其他水平上的调控也不能忽视。这些调控包括：括：RNA的加工成熟的加工成熟、翻译水平的调控翻译水平的调控以及以及翻译后水平的调节翻译后水平的调节等多个环节的调控。等多个环节的调控。引引 言言一、转录后加工的多样性一、转录后加工的多样性 真核生物的基因可以按其转录后的加工方真核生物的基因可以按其转录后的加工方式分为两大类：式分为两大类：简单转录单位简单转录单位和和复杂转录
43、单位复杂转录单位。1、简单转录单位：、简单转录单位：这类基因只编码产生一个多肽，这类基因只编码产生一个多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。第一种简单转录单位第一种简单转录单位：基因没有内含子，：基因没有内含子，mRNA 3 末端没有末端没有ploy(A)，基本，基本不存在转录后加工问题不存在转录后加工问题。如：组蛋白基因。如：组蛋白基因。第二种简单转录单位第二种简单转录单位：基因没有内含子，：基因没有内含子，mRNA不不需要剪接，但需要剪接，但需要加需要加ploy(A)。如：。如：-干扰素和许多干扰素和许多酵母蛋白质基因。酵母蛋白质
44、基因。第三种简单转录单位第三种简单转录单位：这类基因都有内含子，也需：这类基因都有内含子，也需要加要加ploy(A)，但加工，但加工剪接后只产生一种有功能的剪接后只产生一种有功能的mRNA，所以仍然是简单转录单位。如：大多数核，所以仍然是简单转录单位。如：大多数核基因。基因。简单转录单位又可以分为简单转录单位又可以分为3个亚类个亚类：简单转录单位转录后加工的简单转录单位转录后加工的3 3种主要形式种主要形式组成型剪接组成型剪接:一个基因的一个基因的mRNA前体按一种方式剪前体按一种方式剪接，产生一种接，产生一种mRNA，翻译成一种蛋白质。，翻译成一种蛋白质。2、复杂转录单位：、复杂转录单位：其
45、其原始转录产物原始转录产物能通过能通过多种多种不同方式不同方式，加工成，加工成两种或两种以上的两种或两种以上的mRNA。主要是一些编码组织和发育特异性。主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质蛋白质/多肽的基因。多肽的基因。（1）利用）利用多个多个5 端转录起始位点端转录起始位点产生不同的蛋白质产生不同的蛋白质（2）选用）选用不同的剪接位点不同的剪接位点产生不同的蛋白质产生不同的蛋白质可变剪接（选择性剪接，可变剪接（选择性剪接，alternative splicing）：有些基因的有些基因的mRNA前体，按不同方式剪接，产生前体，按不同方式剪接，产生两种以上两种以上mRNA，翻译产生多种蛋白质。，
46、翻译产生多种蛋白质。其实质其实质是是5 供体与供体与3 受体剪接点的选择搭配问题。受体剪接点的选择搭配问题。大鼠肌钙蛋白（大鼠肌钙蛋白（Torponin）基因）基因在不同的发育阶段以及在不同横纺肌种在不同的发育阶段以及在不同横纺肌种类中，由于不同的选择性剪接产生不同的肌钙蛋白类中，由于不同的选择性剪接产生不同的肌钙蛋白。（3）既利用）既利用多个多个5 端转录起始位点端转录起始位点，又选用，又选用不同的不同的剪接位点剪接位点，产生不同的蛋白质。，产生不同的蛋白质。（4）利用）利用多个多个ploy(A)位点位点和和不同的剪接位点，不同的剪接位点，产生产生不同的蛋质。不同的蛋质。（5）无剪接，有）无
47、剪接，有多个转录起始位点多个转录起始位点和和/或或加加poly(A)位点位点的基因。的基因。例如例如：二氢叶酸还原酶基因和酵母乙醇脱氢酶基二氢叶酸还原酶基因和酵母乙醇脱氢酶基因都因都具有不同的具有不同的5 端和端和ploy(A)位点位点。大鼠。大鼠-2-珠珠蛋白基因、鸡波形蛋白基因和人蛋白基因、鸡波形蛋白基因和人N-ras基因均基因均含有多含有多个个ploy(A)位点位点，而鸡溶菌酶基因和酵母蔗糖酶基因，而鸡溶菌酶基因和酵母蔗糖酶基因则则拥有多个拥有多个5 端端。二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控1、mRNA运输控制运输控制2、mRNA稳定性的调控稳定性的调控3、mRNA结构结构4、翻译的起
48、始调节、翻译的起始调节5、选择性翻译、选择性翻译 6、翻译的自我调节、翻译的自我调节1、mRNA运输控制运输控制 一般来说，合成的一般来说，合成的mRNA只有大约只有大约1/12能被能被转运出核进入细胞质，转运出核进入细胞质，50左右的在核内降解，左右的在核内降解，还有一些留在核内。还有一些留在核内。换句话说，真核生物可以对从细胞核转运到换句话说，真核生物可以对从细胞核转运到细胞质中的细胞质中的转录产物转录产物数量数量进行调节，这种调节进行调节，这种调节方式被称为方式被称为运输控制（运输控制（Transport Control）。2、mRNA的稳定性与基因表达调控的稳定性与基因表达调控 真核生
49、物能否长时间、及时利用成熟的真核生物能否长时间、及时利用成熟的mRNA分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是与分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是与mRNA的稳定性密切相关的。的稳定性密切相关的。高等真核生物高等真核生物细胞质中所有的细胞质中所有的RNA都要受到降都要受到降解控制（解控制（Degradation Control），不同不同mRNA降解降解效率不同效率不同。mRNA的选择性降解主要由于的选择性降解主要由于核酸酶和核酸酶和mRNA内部结构相互作用的结果内部结构相互作用的结果。有时，加入。有时，加入调节调节物物可以增加可以增加mRNA稳定性。稳定性。不加入催乳素时，体系中的酪蛋
50、白不加入催乳素时，体系中的酪蛋白mRNA在在1-2小时小时内降解内降解50%；而加入催乳素；而加入催乳素40小时后小时后，酪蛋白，酪蛋白mRNA才降解才降解50%。例子例子1：催乳素延缓酪蛋白（催乳素延缓酪蛋白（casein）mRNA的降解的降解例子例子2：人铁蛋白及转运铁蛋白受体人铁蛋白及转运铁蛋白受体mRNA翻译调控翻译调控 转铁蛋白受体转铁蛋白受体（TfR）和）和铁蛋白铁蛋白分别负责分别负责铁吸铁吸收收和和铁解毒铁解毒。这两个。这两个mRNA上存在铁应答元件上存在铁应答元件（Iron response element,IRE）。）。IRE与与IRE结合结合蛋白（蛋白（IRE-BP）相互作
