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1、Regulation of Gene Expression in Eukaryotes,第二十一章,真核基因表达调控,1970年，猿猴病毒40(simian virus 40, SV40）的生命周期被确定为早、晚两个阶段，使它们成为基因表达调控的典型模型。,1975年D. Pribonow发现T7启动子序列。,1982年C. Benoist和P. Chambon揭示了SV40的早期启动子序列。,1983年，W.S.Dynan和R.Tjian分离、鉴定了真核转录因子AP1。,1986年，J.Clarke和Chambon两个实验室同时报告了SV40增强子的多功能元件组成。,1990年代，信号转导-
2、基因转录偶联机制成为热点课题。,第 一 节 真核基因表达调控的特征 Features of Eukaryotic Gene Regulation,一、顺式作用元件是决定真核基因 转录活性的关键因素之一,（一） 启动子是RNA聚合酶结合并启动 基因转录的特异DNA序列,真核基因的启动子指的是RNA聚合酶（RNA polymerase，RNA Pol）识别、结合的基因转录调控区中启动基因转录的一段特异DNA序列，包含一组转录调控功能组件，其中每一个功能组件的DNA序列约720 bp。,1. 近起始点的TATA盒/起始子及CpG岛 是真核生物启动子的核心序列,真核细胞的启动子是包括转录起始点（tra
3、nscription initiation site或transcription start site）在内的、有通用转录因子及RNA聚合酶组装、结合的一段DNA序列。,典型的启动子核心序列（core sequences）是在转录起始位点上游2535 bp处，有一保守的TATA序列，被称为TATA盒（TATA box），真核细胞的TATA盒多为TATAAAA序列。TATA盒与原核细胞的启动子一样，对RNA聚合酶II的转录起始位点起定位作用。,一些真核细胞基因含有另一种启动子元件，称为起始子(initiator,Inr)，决定启动子的强度。,起始子共有序列为：（5）Y-Y-A+1-N-T/A-Y
4、-Y-Y（3）；Y代表胞嘧啶C或胸腺嘧啶T，N代表任意碱基，T/A代表T或A。,有一些编码蛋白质基因的转录可有多个起始点，可产生含不同5末端的mRNA。,它们不含TATA盒或起始子，多在起始位点上游约100 bp内含有2050个核苷酸的CG序列，被称做CpG岛（CpG island）。,这些基因大多为低转录基因，编码中间代谢酶的管家基因。,2. 启动子中的上游元件协助真核基因调节,启动子上游元件（promoter-proximal elements, 或upstream promoter elements）是一些位于TATA盒上游的DNA序列，与调节蛋白结合，调节通用转录因子与TATA盒的结合
5、、RNA聚合酶与启动子的结合，以及转录起始复合物的形成，从而决定基因的转录效率与专一性。 常见的序列是：,(二）增强子决定基因的时空特异性表达,增强子（enhancer）,是能够结合特异基因调节蛋白，促进邻近或远隔特定基因表达的DNA序列；在酵母中，被称为上游活化序列（upstream activator sequences, UASs）。,增强子的作用通常与其所处的位置和方向无关。,增强子距转录起始位点的距离变化很大，从100 nt到50,000nt，甚至更大。但总是作用于最近的启动子。,增强子所处位置,在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，乃至下游最后外显子以外的序列也
6、可含有增强子。,很多哺乳动物基因受一个以上的增强子调控。,（三）沉默子阻遏基因转录,沉默子(silencer)是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基因转录的一段（数百bp）DNA序列。沉默序列促进局部DNA的染色质形成致密结构，从而阻止转录激活因子结合DNA，是基因转录的负性调节因素。,二、反式作用因子和顺式作用蛋白 是真核基因的转录调节蛋白,在真核细胞核中，有许多蛋白质能够帮助RNA聚合酶转录RNA。这类蛋白质统称转录因子（transcription factors，TF）或转录调节蛋白（transcription regulatory protein）。 以反式作用方式调节基因转录的转录
7、因子称为反式作用因子（trans-acting factor），以顺式作用方式调节基因转录的转录因子称为顺式作用蛋白（cis-acting protein） 。,反式调节,顺式调节,（一）Pol转录需要基本转录因子和特异 转录因子,* 基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,* 特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,转录调节因子结构
8、,（二）转录因子含有不同的DNA结合域,螺旋-转角-螺旋是转录因子中的常见的DNA结合域 同源异型域结构与HTH结构域类似 锌指结构是一类含锌离子转录因子的DNA结合域 亮氨酸拉链结构域既可介导结合DNA又可介导蛋白质二聚体化 碱性螺旋-环-螺旋结构域也可同时介导结合DNA和蛋白质二聚体化,螺旋-回折-螺旋 （helix-turn-helix，HTH）,同源异型域 （homeodomain，HD）,锌指结构是一类含锌的DNA结合蛋白质模体,C2H2型锌指（Zinc finger）,反向平行片层,DNA大沟,螺旋,Zn2,亮氨酸拉链同时调节DNA结合与蛋白质二聚体化,亮氨酸拉链（leucine
9、zipper）,碱性螺旋-环-螺旋结构也可调节DNA结合及蛋白质二聚体化,碱性螺旋-环-螺旋 （basic helix-loop-helix，bHLH）,（三）转录因子含有不同的转录激活域,富含谷氨酰胺的转录激活域 富含脯氨酸的转录激活域 酸性氨基酸转录激活域,三、正性调节占主导的真核基因表达 调控机制更加复杂,*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式； * 多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件； * 转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,第 二 节 真核基因表达的染色质 水平调控 Chromosomal Regulation
10、of Eukaryotic Gene Expression,基因活化蛋白质改变局部染色质结构,异染色质（heterochromatin）是转录非活性的。,常染色质（euchromatin）中的转录活性区域对核酸酶敏感，特别是转录基因的5-侧翼区1000 nt以内是高敏感位点(hypersensitive sites)。很多高敏感位点是调节蛋白质的结合序列，而这些区域核小体的相对缺少也使得这些蛋白质易于与之结合。,转录活化染色质与非活化染色质在结构上有很大不同。,转录活化染色质与非活化染色质的组蛋白共价修饰的方式也不相同。,核小体的核心组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）中赖氨酸残基的非可逆性甲
11、基化，丝氨酸与苏氨酸残基的磷酸化，乙酰化以及泛素化多是转录活性染色质的特点。,真核细胞DNA的CpG序列（CpG岛）中的胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶是常见现象，但转录活性染色质区域胞嘧啶被甲基化的程度降低。,染色质重塑（chromatin remodeling）,基因活化蛋白质可以通过改变基因的启动子和调节序列区域的染色质结构来促进转录开始。这种改变局部染色质结构的过程被称为染色质重塑 。,最主要的两种方式：,染色质重塑,组蛋白乙酰化,位点：组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyl transferases, HATs），也称组蛋白乙酰化酶（histone acetylase）主要作
12、用于核小体的核心组蛋白所富含的赖氨酸残基，降低整个核小体对DNA的亲和性。,时间：基因活化蛋白质结合在转录调节区域后。,作用：使染色质进入转录活性状态乙；还可能促进或防止与其他转录或调节相关蛋白的相互作用。,逆转：组蛋白脱乙酰化酶(histone deacetylase)减少核小体的乙酰化，使染色质恢复转录非活性状态。,第 三 节 真核基因表达的转录水平调控 Transcriptional Regulation of Eukaryotic Gene Expression,基因表达的多级调控:,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,基因转录激活调节基本要素:,基因的结构、性质,细胞内所存
13、在的转录调节蛋白,生物个体或细胞所处的内、外环境,真核细胞基因开关的分子机制比原核复杂,基本共同点：转录起始的调节是关键点,根本不同点：,原核生物：启动子在缺少转录因子情况下就具有天然活性 真核生物：强力启动子在缺少调节蛋白的情况下往往没有活性,真核细胞基因及其调控区域受到染色质结构的限制，转录的活化与转录调控区域、转录区域内染色质结构的诸多变化相关；,正性调节是主要形式。因此，在转录的基本状态受到制约的情况下，使得每个真核细胞基因需要活化才能被转录；,真核细胞有更大、更为复杂、种类更多的调节蛋白。单一启动子可以被分散在DNA分子上、数量近乎无限的调节序列所控制。,真核细胞对基因表达起始的调控
14、至少在下面几个方面与原核细胞存在不同：,一、转录起始调控发生在转录起始复合物的组装过程,基因活化蛋白质与增强子或UASs的结合； 通用转录因子在启动子处的组装； 辅助激活子(coactivator)和/或中介子（medicator）在通用转录因子/RNA聚合酶II复合物与基因活化蛋白质之间的辅助和中介作用。,RNA聚合酶II与启动子的结合、启动转录需要诸多蛋白质因子的协同作用。这通常包括：,基因活化蛋白质与增强子结合后，通过与全酶复合体中的中介子相互反应，使全酶复合体在空间上更接近启动子并有效组装。,此外，多数全酶复合体中缺少一些通用转录因子，如TFIID与TFIIA，它们需要在启动子处分别组
15、装，最后形成稳定的转录起始复合物（transcription initiation complex），启动转录。,基因活化蛋白与增强子结合后如何影响到远距离的RNA聚合酶结合位点，有以下几种模式：,通过扭曲作用使DNA链发生构型变化，更适合于通用转录因子与RNA聚合酶结合, 并通过直接接触或通过辅活化子/中介子而影响通用转录因子和RNA聚合酶的组装。,扭曲（twisting）,沿DNA滑动，直到接触另一个特异DNA序列结合的转录因子，发挥作用。,利用DNA分子的柔曲性弯曲成环，使增强子区域与RNA聚合酶结合位点靠近，直接接触或通过辅活化子/中介子而发挥作用。,滑动（sliding）,成环（lo
16、oping）,固醇类激素、甲状腺激素、维甲酸类激素等激素与细胞核内的特异性受体，即特异基因调节蛋白结合，形成的激素-受体复合物结合到DNA特定的基因调节序列激素反应元件(hormone response elements, HREs)，再通过与其他调节因子的相互作用，活化或抑制相邻基因的表达。,几种不同的激素反应元件,（一）mRNA 5端加帽和3端加尾修饰 利于mRNA稳定性和转运,除组蛋白外，所有真核细胞mRNA都有5端的“帽”和3端的Poly(A)尾结构 。,5端的“帽”和3端的Poly(A)尾均有其特有的作用。,二、转录后调控涉及修饰、剪接、 编辑、定向转运多个环节,5加帽的作用在于：,有助于保护mRNA免于被核糖核酸酶降解；,5帽结合蛋白复合体参与mRNA和核糖体的结合来起始翻译 。,促进mRNA从细胞核运输到细胞浆；,协助mRNA的剪接。在剪接第一个外显子时，剪接体的形成需要帽结合蛋白的参与；,poly(A)尾可结合一种或多种特殊蛋白，避免mRNA被酶降解，并在翻译过程中具有重要作用。许多原核mRNA
