真核基因转录调控

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1、第七章 真核生物基因的表达及其 调控第一节 真核生物表达调控特点真核生物基因的表达调控系统远比 原核生物复杂 真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决 定基因表达调控上的巨大差别。 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中 为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损 伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达 的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类 之外）主要由多细胞组成，每个真核细胞所携带 的基因数量及总基因组中蕴藏的遗传信息量都大 大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组就包含 有3109bp总DNA，约为大肠杆菌总DNA的1000 倍，是噬菌

2、体总DNA的10万倍左右！ 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定“的、有序的、不可逆转的分化、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功能。真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原 核细胞对环境条件变化所做出的反应，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。第二类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。 原核生物真核生物操纵元调控。 多样化调控，更为复杂。基因组小，大肠杆菌：总长 4.6106b

3、p, 编码4288个基因, 每 个基因约1100bp。基因组大，人类基因组全长3109 bp ，编码10万个基因，其余为重复序列 。基因分布在同一染色体上，操 纵元控制。DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的变 化调控基因表达；基因分布在不同的染色 体上，存在不同染色体间基因的调控问题 。适应外界环境，操纵元调控表达 。基因差别表达是细胞分化和功能的核 心。转录和翻译同时进行，大部分 为转录水平调控。转录和翻译在时间和空间上均不同， 从DNA到蛋白质的各层次上都有调控 ，但多数为转录水平调控真核生物与原核生物的调控差异 一、真核基因表达调控的特点 v与原核生物比较它具有一些明显的特点： v(一)

4、真核基因表达调控的环节更多基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。同原核生物一样， 转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节 。但真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的 转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复 杂性，转录后的调控占有了更多的分量。 (二)真核基因的转录与染色质的结构变化 相关 。 v真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋 白等结合成染色质，染色质的结构、染色质中 DNA和组蛋白的结构状态都影响转录，至少有 以下现象： v 1.染色质结构影响基因转录 v 染色体结构复杂 由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子 组

5、成; DNA顺序重复;基因不连续性,真核生物基因的不 连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又 一重要特征。2、存在许多基因家族(gene family) 来源相同、结构相似、功能相关的基因 组成单一的基因簇或称基因家族。 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；更多的时候，它 们却分散在同一染色体的不同部位，甚 至位于不同的染色体上，具有各自不同 的表达调控模式。3、组蛋白的作用：v 组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋 白基因又能够转录。组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷 ，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽 了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非

6、特异性阻遏 蛋白的作用；染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞 特异性，可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻 遏促转录作用。 v 4.转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。这些都表明 核小体结构影响基因转录。v 5.转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加。活跃进行转 录的染色质区域受DNase 消化常出现100200bp的 DNA片段，且长短不均一，说明其DNA受组蛋白掩盖 的结构有变化，出现了对DNase 高敏感点 (hypersensitive site)。 v 这种高敏感点常出现在转录基因的5侧区、3末端或在 基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域 核小体的结构发生变化，可能有利于调控蛋

7、白 结合而 促进转录。 6. DNA碱基修饰变化： 真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶 (5 methylcytidine,m5C)，而活跃转录的DNA段落中胞嘧 啶甲基化程度常较低。这种甲基化最常发生在某些基因5 侧区的CG序列中 实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录，甲 基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响 转录。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶 ，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基 化对基因表达调控是重要的。 由此可见，染色质中的基因转录前先要有一个被激活的 过程，但目前对激活机制还缺乏认识。(三)真核基因表达以正性调控为

8、主：真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上 不依靠自身来起始转录，需要依赖多种激活蛋白 的协同作用。 v真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但 其存在并不普遍； v真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活 作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的 作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用 时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质 来促进转录。因此，真核基因表达以正性调控为 主导。 三、真核基因转录水平的调控 真核细胞的三种RNA聚合酶(、和)中， 只有RNA聚合酶能转录生成mRNA，以下主 要讨论RNA聚合酶的转录调控。 v(一)顺式作用元件(cis acting eleme

9、nts)真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异 转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主 要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启 动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发 现起负性调控作用的元件静止子(silencer) 1.启动子 与原核启动子的含义相同，是指RNA聚合酶结合并启 动转录的DNA序列。但真核启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列， 而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录，而是需 要多种蛋白质因子的相互协调作用，不同蛋白质因子又能 与不同DNA序列相互作用，不同基因转录起始及其调控所 需的蛋白因子也不完全相同，因而不同启动子序列也很不 相同，

10、要比原核更复杂、序列也更长。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100 200bp序列，包含有若干具有独立功能的DNA序列元件， 每个元件约长730bp。最常见的哺乳类RNA聚合酶启 动子中的元件序列见下表。 元件名称共同序列结合的蛋白因子 名称分子量结合DNA长度TATAboxTATAAAATBP30,00010bpGC boxGGGCGGSP-1105,00020bpCAAT boxGGCCAATCTCTF/NF160,00022bpOctamerATTTGCATOct-176,00010bpOct-253,00020bpkBGGGACTTTCCNFkB44,00010bpATFGTGA

11、CGTAFT?20bp哺乳类RNA聚合酶启动子中的元件序列 启动子中的元件可以分为两种： v核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。 v上游启动子元件(upstream promoter element) 包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的

12、调控。 2.增强子 是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了 增强子。增强子通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常 为812bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点： v增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。 v增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起

13、作用，可见增强子与启动子是很不相同的。 增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时，能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。 v增强子的作用机理虽然还不明确，但与其他顺式调控元件一样，必须与特定的蛋白质因结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有的特

14、异性蛋白质因子所决定的。 增强子可能有如下增强子可能有如下3 3种作用机制：种作用机制： 影响模板附近的影响模板附近的DNADNA双螺旋结构，导致双螺旋结构，导致DNADNA 双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质 之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之 间间“ “成环成环” ”连接，活化基因转录；连接，活化基因转录； 将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在将模板固定在细胞核内特定位置，如连接在 核基质上，有利于核基质上，有利于DNADNA拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNADNA双双 螺旋结构的张力，促进螺旋结

15、构的张力，促进RNARNA聚合酶聚合酶IIII在在DNADNA链链 上的结合和滑动；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RNARNA聚合聚合 酶酶IIII进入染色质结构的进入染色质结构的“ “入口入口” ”。 3.静止子 最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有的例子看到：静止子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。 第二节 真核生物DNA水平上的基因表 达调控一、真核生物DNA水平上的基因表达 调

16、控特点分子生物学的最新研究表明，在个体发育过程中，用 来合成RNA的DNA模板也会发生规律性变化，从而控 制基因表达和生物体的发育。高度重复基因的形成通常与个体分化阶段DNA的某 些变化有关。例如，一个成熟的红细胞能产生大量的可 翻译出成熟珠蛋白的mRNA，而其前体细胞却不产生珠 蛋白。许多情况下，这种变化是由于基因本身或它的拷 贝数发生了永久性变化。这种DNA水平的调控是真核生物发育调控的 一种形式，它包括了基因丢失、扩增、重排和 移位等方式，通过这些方式可以消除或变换某 些基因并改变它们的活性。这些调控方式与转 录及翻译水平的调控是不同的，因为它使基因 组发生了改变。二、“开放”型活性染色质（active chromatin）结构对转录的影响 真核基因的活跃转录是在常染色质上进 行的。转录发生之前，染色质常常会在 特定的区域被解旋松弛，形成自由DNA