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1、第八章 真核生物基因表达调控,THE CONTROL OF EUKARYOTIC GENE EXPRESSION,一、真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、内含子(intron)、 外显子(exon)非编码区较多 多于编码序列(9:1)含有大量重复序列,第一节 概述,二、真核生物基因表达调控的特点1、多层次2、个体发育复杂3、正性调节占主导4、转录与翻译间隔进行,根据其性质可分为两大类：,一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原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时，
2、及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。,二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。,根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：,DNA水平调控转录水平调控转录后水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控,真核生物基因表达调控的种类：,核小体(nucleosome),1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,* 组蛋白八聚体（Histone octamer ） H2A与H2B、H3与H4的亲和力强， 通过C端的疏水氨基酸结合,2、核小体的结构,核心颗粒、连接区DNA,核小体（Nuclearsome）,*
3、 染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位,*,146bpDNA 组蛋白 八聚体核小体的核 心颗粒 直径约10nm,146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈,Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp., 微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化,连接 DNA 100 bp平均 55 bp,Nucleosome,Histone H1,N
4、ucleosome repeat:Core + linker DNA200 bp,染色体结构的形成,（1） 首先若干个核小体形成念珠状结构,The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosomes.,高度有序 左手螺旋 每圈包括六个核小体,30 nm fiber(直径30nm)Solenoid (螺线管）,（2） 30nm纤丝的构成 染色质结构的第二层次,a、组成,30 nm fiber,300 nm,b、体内存在状态,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome (10 nm fib
5、er),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,第二节 DNA水平的调控,基因丢失：在细胞分化过程中，某些原生动物、线虫、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而除去这些基因的活性。马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有许多着丝点。,发育早期：只有一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂的进行；一定阶段：将来分化产生体细胞的细胞中染色体断裂，形成许多小染色体。含着丝点的小染色体：以后的细胞分裂中都保持下去；不含着丝点的小染色体：因不能在细胞中正常分配而丢失。将来行成生殖细胞的细胞中，不存在染色体断裂现象。,四膜虫： 大核：营养核可转录 小核：生殖核无转录活性大核由小核发
6、育而来，发育过程中有多处染色质断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存在可能抑制了基因的正常表达。高等生物中，基本上没有类似的基因丢失现象-全能性特例：红细胞,基因扩增,通过改变基因数量来调节基因表达产物的水平非洲爪蟾卵母细胞:为储备大量核糖体以供卵细胞受精后发育的需要，通常都要专一性地增加编码核糖体rRNA的基因（rDNA）rDNA的滚环复制：拷贝数由15002106，总量可达细胞DNA的75%，当胚胎期开始后，所合成的rDNA失去需要而逐渐降解消失。,活泼转录区染色质的结构变化：,染色质的两种状态：非活性状态【inactive (silent) state 】:如异染色质活化状态
7、【active state 】：活泼转录区对核酸酶的敏感性提高正在转录的DNA甲基化程度降低；活泼转录的染色质常常缺乏组蛋白H1，其他核心组蛋白则被乙酰化或与泛素相结合而修饰非常活泼的转录区，如许多真核生物的rRNA基因处，没有核小体结构,两种状态的相对稳定性：,如果在启动子处形成核小体，转录因子和RNA聚合酶就不能结合如果转录因子结合和RNA聚合酶结合于启动子区域，形成稳定的起始复合物，组蛋白就被排斥在外基因表达与否，是转录因子还是组蛋白首先与控制位点相结合，是一个很重要的因素一旦形成相对稳定的结构，不会再由于转录因子和组蛋白游离成分浓度平衡的变化而改变,染色质重建（Chromatin re
8、modeling ）,指在基因转录活化时，核小体组蛋白置换和重排过程。包括：组蛋白八聚体在DNA上滑动，改变特定序列在核小体表面的位置组蛋白八聚体之间的间距发生改变组蛋白八聚体和DNA分离，产生无核小体的游离DNA间隙,染色质重建（Chromatin remodeling ）,染色质重建需要重建复合体的参与Remodeling complex重建复合体的中心是它的ATP酶亚基,组蛋白的修饰：,组蛋白N端尾部，尤其是H3和H4的修饰，起始了染色质结构的变化甲基化、乙酰化和磷酸化通常认为乙酰化和活性染色质，甲基化和非活性染色质相关，但这并非是一个统一的规律,乙酰化：乙酰化是可逆的，分别由相应的酶来
9、催化乙酰化：组蛋白乙酰转移酶（HAT）去乙酰化：组蛋白去乙酰化酶（HDAC）,甲基化：大多数DNA甲基化的位点是CpG岛，在异染色质中CpG序列通常是甲基化的，而启动子区域CpG岛的非甲基化是基因表达所必需的,第三节 转录水平的调控,一、gene调控的顺式作用成分：1、 启动子：位于转录起始位点附近，具有相对固定位置，且为转录起始所必需的序列元件启动子一般模式：核心启动子，TATA框上游启动子成分（UPE），除了CCAAT框外，其他成分因各gene而异TATA框控制转录的精确性，而UPE则控制转录的起始频率，启动子的强度决定于UPE的数目和种类。,顺式作用元件定义：影响自身基因表达活性的非编码
10、DNA序列。,2、增强子,定义：位于转录起始位点较远位置上，具有参与、激活和增强转录起始功能的序列元件。增强子特点：与启动子的相对位置和取向无关，只要存在于同一DNA分子上都能起作用没有基因专一性，可以在不同的基因组合中表现增强效应严格的组织特异性和细胞特异性,感染真核细胞的病毒DNA，大多具有可被寄主细胞蛋白质激活的增强子。小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）的DNA，具有糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激活的细胞（如乳腺上皮细胞）中，MMTV病毒能旺盛生长。病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异的增强子。,启动子和增强子的典型模式：启动子含能结合转录因子的分散分布的短序列元件（10bp），分布
11、在转录起始位点上游约200bp的范围内增强子可与启动子之间相距几个kb，含几个紧密排列的能结合转录因子的序列元件DNA可能通过卷曲或重排，使结合到启动子和增强子的转录因子之间相互作用，形成一个大的蛋白质复合体,增强子,增强子的主要作用机制：增加启动子附近转录激活因子的浓度如左图：增强子和启动子位于线性DNA两端时，增强子不对启动子起作用；但当DNA被蛋白质连接成环形时起作用增强子和启动子位于两个分开的环形DNA分子上时，不存在相互作用；但当两个DNA环成连环时，能相互作用,绝缘子（insulator）:能阻断激活或失活效应通过的元件。它们有一种或同时有两种主要特征：当绝缘子位于增强子和启动子之
12、间的时候，它能阻断增强子对启动子的激活作用当绝缘子位于活性基因和异染色质之间时，能保护活性基因免受异染色质延伸所带来的失活效应绝缘子的作用是增强基因调控的准确性,沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用,3、应答元件(response element )：,一组受共同调控的基因，各基因都有一个相同的序列元件，该元件是诱导型转录因子识别靶基因的位点。如：热休克应答元件（HSE）、血清应答元件（SRE）、糖皮质激素应答元件（GRE）,cAMP - 蛋白激酶途径,组成,胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(pro
13、tein kinase A，PKA),cAMP的作用机理,PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基,目 录,R,R,（cAMP-dependent protein kinase，PKA）,R： 调节亚基C： 催化亚基,cAMP,蛋白激酶A,PKA的作用,1） 对物质代谢的调节作用,通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。,肾上腺素对糖原代谢的影响,肾上腺素 受体,肾上腺素 受体复合物,激活蛋白,激活AC,ATP,cAMP,目 录,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element , CRE)。可与
14、cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。,(2) 对基因表达的调节作用,ATP,cAMP,蛋 白 磷 酸 化,热休克基因：当温度升高时，某些基因被关闭，而热休克基因则被表达。该基因在原核与真核生物中各不相同。细菌中，是合成一个新的因子，它指导RNA聚合酶核心酶识别热休克基因所共有的一个与普通启动子不同的-10序列；真核生物中:热休克基因有一个共同的共有序列（HSE）由一个独立的转录因子HSTF所识别此因子的活化使特异的一组（约20个）含HSE的基因启动转录。,金属硫蛋白基因（MT）-单一基因受多个
15、应答元件调控：MT蛋白能与重金属结合，将其排出胞外，使细胞免受重金属的损伤TRE：增强子元件，能和转录因子AP1相互作用，介导对TPA（一种致癌物）的应答MRE：启动子元件，金属诱导应答GRE：增强子元件，能和类固醇受体结合，介导类固醇激素的反应,二 、转录因子：,（一）、转录因子的类型：转录基础因子：basal factor 和RNA聚合酶一起结合于转录起始位点和TATA框，组成转录基本复合物转录激活因子：activator 特异性地识别短共有序列元件的转录因子，结合于启动子或增强子位点上。通过增加转录基本复合物结合于启动子的效率而起作用，因而增加了转录频率组成型：使基因持续表达诱导型：在特定的组织和特定时间被激活或合成，结合于应答元件辅助转录激活因子：Coactivators 自身不和DNA结合，连接转录激活因子和转录基本复合物,反式作用因子,1、定义：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。 TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）,2、三个部分：DNA识别结合域(DNA-binding domain)；转录活化结构域(transcriptional activation domain)；连接区,
