1、第七章真核生物基因表达调控Gene Regulation in Eukaryotes概述真核生物与原核生物调控系统的差异原因真核生物细胞调节基因表达是为了维持生物有机体的稳态（homeostasis）。真核生物中尤其是高等真核生物中，根据激素水平和发育阶段来调控基因表达。真核生物基因表达调控据其性质可分为： 瞬时/短期调控（可逆性调控）：细胞对环境变动的应答。长期调控（不可逆调控）：涉及发育过程中细胞的决定和分化。 多级调节系统（multiistage regulation system） 根据基因表达调控在同一事件中发生的先后次序可分为： 转录前水平 转录水平 转录后水平 翻译水平 翻译后水
2、平主要内容第一节 转录前水平的调控第二节 转录水平的调控第三节 转录后水平的调控第四节 翻译水平的调控第五节 翻译后水平的调控（自学）第一节 转录前水平的调控一般来说 低等动物发育过程中细胞的决定和分化常常通过基因组水平的加工改造来实现。 高等动物对于分化后不再需要的基因则采取异染色质化的方式来永久性地加以关闭。一、基因丢失（gene deletion）在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。实例： 马蛔虫：具有多个着丝点 某些低等动物（如：甲壳类的剑水蚤）：非生殖细胞删除异染色质部分。 四膜虫： 最突出的例子是哺乳动物的红细胞，它在成熟过程中整个核都丢失。二、基因扩增（
3、gene amplification）基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加的现象。它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。实例： 非洲爪蟾卵母细胞：核糖体RNA的基因（rDNA ） 昆虫的卵母细胞：卵壳蛋白 三、基因重排（gene rearrange）基因重排是指将一个基因从远离启动子的地方移到距离它很近的位点从而启动转录。重排可使表达的基因发生切换，由表达一种基因转为表达另一种基因。例如，单倍体酵母交配型的改变。 重排的另一种意义是产生新的基因，以适合特殊的需要。例如，哺乳动物免疫球蛋白基因的产生。（一）、芽殖酵母交配型的转换交配型转换的机制（二）
4、、免疫球蛋白的重排抗体由4个多肽组成 2条重链（Heavy chain） 2 条轻链（Light chain）可变区（Variable regions） 抗原结合位点 在不同的抗体中有所不同 赋予蛋白质特异性蛋白质的剩余部分是保守的，被称为恒定区（C）。1、抗体的结构2、抗体基因轻链的重排3、抗体重链的编码区域人类抗体的重链： 48 个可变片段（V） 23 个多样性片段（D） 6个连接片段 （J ） 1 个恒定片段（C）4、V(D)J重组机制12/23法则重组信号序列（recombination signal sequence ，RSS）： 七聚体 九聚体 居间的12或23 bp四、DNA的甲
5、基化与基因活性调控1、DNA甲基化的形式主要： 5-甲基胞嘧啶（5-mC）少量：N6-甲基腺嘌呤（N 6-mA）7-甲基鸟嘌呤（7-mG）5-碱基胞嘧啶出现的位置真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CG、CNG、CCA/TGG和GATC中。 在哺乳动物中，DNA的甲基化作用几乎都出现在二核苷酸 CG处。 在植物中，胞嘧啶的甲基化作用出现在CG或CNG中。基因组中大多数5-甲基-胞嘧啶位于反转录转座子或者其它的重复序列中。2、真核生物有2种甲基化酶日常型甲基转移酶：分I、II 、III三类，它们在甲基化模板链指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。从头合成甲基转移
6、酶：催化未甲基化的CpG 成为mCpG ，不需要母链指导，但速度很慢。3、DNA甲基化的作用甲基化作用是使被标记基因沉默的一种方式。在许多基因中，甲基化作用模式在大多数CG二核苷酸位点是恒定的，但是在某些位点是可变的。一般原则： 如果多数CpG位点被甲基化【超甲基化作用（hypermethylation）】，那么基因倾向于失活。 如果少数CpG位点被甲基化【低甲基化作用（hypomethylation）】，那么基因倾向于活化。 4、CpG岛CpG岛是指小的、富含 CG的DNA序列（1-2 kb长）。CpG岛约与40-50%看家基因的启动子相关联。5-甲基胞嘧啶易于自发的进行脱氨基作用，结果使C
7、GTG。CpG岛可防止自发脱氨基作用。五、染色质结构与基因活性染色质DNA组蛋白非组蛋白少量的RNA组蛋白的作用：DNA的脚手架 遗传活性的调节物 （一）、历史 回顾组蛋白对5S rRNA转录的影响 组蛋白，特别是组蛋白H1 ，在体外对基因活性有抑制作用。爪蟾细胞中2类5S rRNA基因：卵母细胞5S rRNA 基因 ：仅在卵母细胞中表达。体细胞 5S rRNA基因 ：在卵母细胞和体细胞中均表达。体细胞 5S rRNA基因可与转录因子形成较为稳定的复合体。 转录因子与组蛋白对 5S rRNA的调控（二）、核小体定位（nucleosome positioning）活跃转录的染色质区属于DNase
8、敏感区。活跃基因调控区为DNase 超敏感区。如何检测DNase 超敏感区（三）、染色质的修饰与重塑1、染色质的修饰组蛋白H2A、H2B 、 H3和H4的N-端尾巴伸出核心八聚体，而且遭受大尺度的翻译后修饰 。这些共价修饰改变了染色质对通用转录装置的可接近性，所以它们被推荐为具有可控制、决定一个基因是激活还是钝化的开关。 补充材料 1：核心组蛋白具有共同的折叠结构域补充材料2 ：核心组蛋白 N端常见的修饰位点2、染色质重塑染色质重塑至少能介导染色质结构中4种不同的改变：核小体滑动（nucleosome sliding ）：改变DNA上核小体的位置。重塑核小体（remodeled nucleos
9、omes）：DNA变得更易于接近，但是组蛋白保持结合。核小体置换（nucleosome displacement）：DNA与组蛋白完全解离。核小体替代（nucleosome replacement ）：一个核心组蛋白被一个变体组蛋白替代。第二节 转录水平的调控转录水平的调控是关键的，它是真核生物基因表达调控的主要环节。真核生物基因表达调控一方面受到顺式作用元件的影响，另一方面也受控于反式作用因子的调节。在绝大多数情形下，基因表达调控是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用而实现的。一、顺式作用元件（cis-acting element）顺式作用元件指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只
10、影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。II类基因顺式作用元件模式图（一）、增强子与沉默子增强子是通过与特定的转录因子结合、作用于启动子序列、增强与之相连锁的基因转录活性的一种远端调控元件。沉默子是与增强子的作用相反的序列，它参与基因表达调节的抑制。增强子的特点增强子距离转录起点700-1000 bp或者更远。增强子的作用没有方向性。增强子可以位于受调控基因的上游、下游或者一个内含子中。大多数增强子是组织特异性的或发育阶段特异性的。增强子作用模式（二）、绝缘子（insulator）绝缘子是一种DNA 调节元件，作为异染色质与常染色质之间的边界标记，能够阻断邻近基因的增强子或沉默的活性。阻断增
11、强子/沉默子的活性：绝缘子位于启动子与增强子之间，防止启动子被激活。屏障活性：位于启动子与异染色质间的绝缘子可防止启动子被抑制。二、反式作用因子（trans-acting factor）反式作用因子：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。 （一）、反式作用因子的结构反式作用因子都是由许多结构域组成的、模块蛋白。3个主要的结构域：DNA-结合结构域（DNA-binding domain）反式激活域（transactivation domain）二聚化结构域（dimerization domain）。反式作用因子一般具有一个NLS。（二）、DNA结合
12、结构域DNA-结合结构域将反式作用因子定位于特异性的DNA序列。 反式作用因子与DNA间最常见的识别模式是蛋白质的-螺旋结构域（-helical domain ）与DNA双螺旋大沟中的约5个碱基对间的相互作用。常见的4种DNA结合结构域为什么DNA结合结构域通常识别DNA的大沟？1、螺旋-转角-螺旋基序（Helix-Turn-Helix Motif，HTH）该结构域至少包含两个-螺旋区，在螺旋区中间是短侧链氨基酸形成的转折区。一个螺旋，负责识别DNA大沟的特异性碱基信息；另一个螺旋没有碱基特异性，与DNA磷酸戊糖链骨架接触。同源（异型）域基序（Homeodomain Motif）每个同源（异型
13、）域包含3 个-螺旋。第二和三个螺旋形成螺旋-转角- 螺旋基序。第三螺旋作为识别螺旋。2、锌指基序（Zinc Finger Motif，Zif ）以锌作为活性结构的一部分，同时都通过螺旋结合于DNA 双螺旋的大沟中。锌指基序有两种类型： Cys-His（C 2H2）锌指：TF IIIA和SP1 Cys-Cys（ C4）锌指：类固醇受体 3）碱性亮氨酸拉链（ Basic Leucine Zipper Motif，bZIP ）结构特点1：蛋白形成的 - 螺旋结构上每隔 6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，这些亮氨酸出现在-螺旋的同一个方向。结构特点2：必须形成二聚体方可起作用。即两个蛋白质分子的亮氨酸相
14、对排列，形成拉链样结 构，在拉链区的氨基端有个约30个残基的碱性区域（富含Lys和Arg）。每个结构域的碱性区域，形成DNA结合结构域的主体。 4）碱性螺旋 -环-螺旋基序（ Basic helix-loop-helix Motif ，bHLH）蛋白质的C端的氨基酸残基形成两个-螺旋，中间被非螺旋的环状结构隔开，蛋白质的N端是碱性区域，为DNA结合区。bHLH蛋白通常也是组成二聚体，这样才具有结合DNA的能力。小结：（三）、反式激活域反式作用因子的反式激活域经由蛋白质-蛋白质相互作用参与激活转录。 第三节 转录后水平的调控真核生物细胞分化的重要特征：表达结构相关的、发育上受控制的、具有细胞类型
15、专一性的蛋白质同工型（protein isoforms ）。蛋白质多样性产生的原因：多基因家族成员的选择性表达同一基因产生若干有部分相同结构的蛋白质一、可变剪接/ 选择性剪接（alternative splicing） 真核生物的基因可以按其转录和转录后的加工方式分为两大类：简单转录单位：这类基因只编码产生一种多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。复杂转录单位：它们除了含有数量不等的内含子以外，其原始转录产物能通过多种不同方式加工成两个或两个以上的mRNA。主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质的基因。1/20真核生物基因的转录本遭受可变剪接。可变剪接在不同的组织类型中识别不同的剪
16、接位点。这种剪接对基因的蛋白质产物有显著影响可区别对待：分泌型的或膜结合蛋白质有活性和无活性1、小鼠免疫球蛋白重链 的可变剪接2、果蝇性别决定系统的可变剪接果蝇的性别决定中有3 种基因的产物遭受可变剪接。3、可变剪接的类型转录本始于不同的启动子某些外显子完全被忽视，导致该外显子的删除可变的5-剪接位点导致一个外显子的部分被包含或部分被删除可变的3-剪接位点导致一个外显子的部分被包含或部分被删除如果一个内含子没有被识别为一个内含子的话，它将被保留在mRNA中多聚腺苷酸化导致前-mRNA 的切割和下游外显子的丢失。4、可变剪接的调控参与剪接的调控因子 SR蛋白 hnRNP（heterogeneou
17、s nuclear ribonuclear protein ）受剪接调控因子作用的元件 外显子剪接增强子（exonic splicing enhancer，ESE） 内含子剪接增强子（intronic splicing enhancer，ISE） 外显子剪接沉默子（exonic splicing silencer，ESS） 内含子剪接沉默子（intronic splicing silencer，ISS ）二者的作用 SR蛋白倾向于与ESE结合 hnRNP 倾向于与ESS和ISS 结合二、RNA的转运（RNA transport）成功加工的mRNA 被导向核孔复合体（nuclear pore c
18、omplex， NPC），此时mRNA与蛋白质组成的mRNA 复合体，在特殊的核转运受体的帮助下移动通过NPC。帽子结合复合体（cap-binding complex， CBC） 外显子连接复合体（exon junction complex，EJC）Poly(A)结合蛋白【Poly(A) binding protein，PABP】三、RNA干扰（RNA interference，RNAi）RNAi：control of gene expression by specific mRNA degradation or translational repression caused by inser
19、tion of a double-strand RNA into a cell.RNA干扰涉及小 RNA分子的使用。参与RNAi的小RNA 分子可以分为2种类型：miRNA（ micro-RNA）：可与互补RNA结合以阻止翻译，也可引起mRNA的降解。siRNA（small interfering RNA）： 可在翻译开始前使特定的mRNA降解。在相关的生物有机体中，miRNA的序列几乎总是保守；而siRNA的序列很少是保守的。 miRNA 指定“异源沉默（ heterosilencing）”它们源自于唯一的基因（unique gene），使非常不同的基因沉默。相比较而言，siRNA 代表性地
20、指定“ 同源沉默（ autosilencing）” 它们指导相同的遗传基因座或者非常相似的基因座（即有共同的起源）的沉默。siRNA可能源自于病毒、转座因子、异染色质或者是被科学家插入细胞的外源基因。siRNA的一个重要功能是帮助基因组防御病毒和可移动的DNA 元件。 1、miRNA 的生物合成与作用方式2、siRNA的作用3、RNAi的作用途径触发靶mRNA的降解影响mRNA翻译的效率对靶基因所在的染色质进行修饰而沉默其转录第四节 翻译水平的调控翻译水平的调控机制通常是通过特殊的mRNA与出现在细胞质中的多种蛋白质间的相互作用来进行调控的。一般的调控包括：mRNA在细胞某些位点的定位mRNA
21、是否被翻译，如果翻译频率如何mRNA的半衰期（ half-life），即决定信使可被翻译多长时间一、mRNA的细胞质定位管理一个mRNA在细胞质中的定位信息位于3-UTR中。 1、果蝇前后轴建立过程中mRNA 的定位2、酵母交配型的转换与 ash1 mRNA的定位转换过程由 HO基因产物调控。HO基因的表达受阻遏物Ash1的抑制。ash1的选择性表达二、翻译的起始调控有许多机制可调节mRNA 翻译的速度以响应/改变细胞需求。全面作用：影响所有信使的翻译磷酸化（作用）I、起始tRNA与40S小亚基的结合II、mRNA的识别局部作用：改变特异性mRNA翻译的速度 。 e.g. 铁蛋白（ferrit
22、in ）的mRNA 1、起始因子 eIF-2的磷酸化作用亚铁血红素饥饿的网织红细胞激活HCR使eIF2磷酸化，抑制翻译的起始被病毒感染的细胞有另一种激酶DAI使eIF2 磷酸化，抑制翻译的起始2、eIF4E结合蛋白的磷酸化作用3、铁蛋白mRNA的翻译调控铁蛋白是存在于细胞质中、可隐蔽铁原子的蛋白质，因此可保护细胞免受自由金属的毒害。铁蛋白mRNA的翻译受到一个特异性阻遏物 铁调节蛋白（iron regulatory protein，IRP）的调控， IRP的活性依赖于细胞中被束缚的铁的浓度。 三、mRNA稳定性的调控（一）、mRNA的结构与其稳定性mRNA 5和3末端的修饰在防止核酸外切酶的攻击方面扮演重要角色。mRNA内特异的序列元件可能使其稳定或者使其不稳定。短命的mRNA通常其3 -UTR包含富含AU的序列（AU-rich sequence AU-rich sequence，ARE ） 。（二）、异常mRNA的降解1、无义密码子介导的mRNA的降解2、无终止密码子介导的mRNA的降解_
