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1、第12章 真核生物基因表达调控一. 真核生物基因表达调控的特点1.真核生物基因组结构特点哺乳类动物基因组DNA 约 3 10 9 碱基对编码基因约有 40000 个，占总长的6 %rDNA等重复基因约 占 5% - 10%（1）结构庞大（2）单顺反子单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。（3）重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106 次）中度重复序列（103 - 104次）多拷贝序列（4）基因不连续性(3) DNA甲基化 甲基化影响DNA与蛋白质的相互作用。(4)染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体
2、结构改变，使核小体不稳定性增加。 2）有RNA聚合酶对mRNA转录的调节 真核生物有3种RNA聚合酶：RNA pol、。 每种RNA聚合酶有约10个亚基组成，其中TATA盒结合蛋白（TBP）为3种酶共有。 RNA pol对催化mRNA的生成起主要作用。转录前RNA pol必须与TBP、TFD等各种通用转录因子形成转录前复合体（PIC），从而激活或抑制RNA的转录。 3）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。 通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。 采用正性调节机制更有效、经济、特异； 采用负性调节不经济 4）转录和翻译过程分开
3、进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞浆），可分别进行调控。 5) 真核基因表达调控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。翻译调节真核染色质体（DNA）转录前调节转录初级产物RNA（ProRNA）hnRNA转录后加工的调节转运调节mRNAmRNA降解的调控mRNA降解物多肽链翻译后加工及蛋白质活性控制活性蛋白失活蛋白转录调节二. 真核生物基因表达调控的不同层次 原核生物真核生物操纵子调控。多样化调控，更为复杂。 基因组小，大肠杆菌：总长4.6106bp, 编码4288
4、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，操纵子控制。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，操纵子调控表达。 基因差别表达是细胞分化和功能的需要。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真核生物与原核生物的调控差异在细胞分裂间期的细胞核中，染色质的形态不均匀。根据其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型。 常染色质：折叠疏松、凝缩程度低，
5、处于伸展状态，碱性染料染色时着色浅。 异染色质：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染料染色着色深。 1）结构异染色质：各类细胞在整个细胞周期内都处于凝集状态，多位于着丝粒区、端粒区等含有大量高度重复序列的DNA处。 2）兼性异染色质：只在一定的发育阶段或生理条件下由常染色质凝聚而成。 真核基因的活跃转录是在常染色质上进行1.异染色质化对基因活化的影响三.染色体水平的调控异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分） 电镜观察细胞分裂间期中染色质情况异染色质的紧密压缩堆积，可使调控蛋白和转录因子都不能靠近DNA，而使基因组中相当大的一部分基因处于休眠状态，其中有些基因可以从休眠变成激活，另
6、一些则不能转变。如哺乳类雌体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质者，这条X染色体上的基因就全部失活。由此可见，紧密的染色质结构阻止基因表达。 1）染色体结构复杂 由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。 核小体是染色质的基本单位。组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非组蛋白核小体DNA蛋白质染色体2.组蛋白对基因活性的影响 染色质结构 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，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用； 进行活跃基因转录的染色质区段常有富含赖氨酸的组蛋白（H1组蛋白）水平降低、H2A、H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、
7、组蛋白乙酰化（acetylation）和泛素化（obiquitination）、以及H3组蛋白巯基活化等现象，这些都是核小体不稳定或解体的因素； 早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。 转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构 核小体的结构消除或改变，会使DNA结构由右旋变为左旋，导致结构基因暴露，促使转录因子与启动区结合，诱发转录。这些都表明核小体结构影响基因转录。 染色体重塑实验发现，组蛋白H1比核心组蛋白（H2A H2B H3 H4）阻遏转录作用强。 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。1
8、）组蛋白对基因活性的影响（1）染色质重塑(chromatin remodeling) 在启动子区域，由于结合了组蛋白，染色质处于非活性状态，只有解除对转录模板的限制才能启动基因的表达，染色质中与转录相关的结构变化称为染色质重塑; 染色质重塑涉及许多蛋白复合物，可与核小体互作，影响核小体结构或改变核小体与DNA结合位置； 染色质重塑复合物中的许多蛋白质对基因的转录起始非常重要，可与转录调控因子互作，或协助转录因子一起发挥作用。如：SWI/SNF复合物。 酵母交换型转换/蔗糖不发酵复合物(Yeast mating-type switching/sucrose non-fermenting, SWI
9、/SNF复合体)首次在酵母中鉴定，并在酵母、果蝇和哺乳动物中具有保守性。SWI/SNF复合体是一个分子量为2103 kDa，含有多个亚单位的DNA依赖性ATP酶，它能够利用ATP水解产生的能量动员核小体,使染色质重构,从而调节靶基因的转录。 SWI/SNF复合体与基因活化和细胞增殖的多个调控因子密切相关，这些调控因子包括糖皮质激素受体、雌激素受体和Rb、C-myc原癌基因和HpvE1蛋白能各自与SWI/SNF复合体相互作用并发挥功能，进一步支持了该复合体参与细胞生长调控。TheSWI/SNFComplexinSaccharomyces cerevisiae 越来越多的研究证实了SWI/SNF复
10、合体在肿瘤发生中的作用,它的几个亚单位具有内在的肿瘤抑制子活性。染色质重塑复合物在肿瘤发生、发育, 核受体所介导的激素应答, DNA复制、修复和重组等方面也扮演着重要的角色。染色质修饰复合物类型：ATP依赖的染色质改构复合物(ATP-dependent chromatin remodeling complex) 利用水解ATP获得的能量, 改变组蛋白与DNA之间的相互作用对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰酶复合物 (Histone-modifying complex) 对组蛋白的尾部进行共价修饰, 包括赖氨酸的乙酰化, 赖氨酸和精氨酸的甲基化, 丝氨酸和苏氨酸的磷酸化, 赖氨酸的泛素化等, 破坏
11、核小体之间以及组蛋白尾部与基因组DNA之间的相互作用, 引起染色质的重塑重塑因子调节基因表达机制的假设: 1) 1 个转录因子独立地与核小体DNA 结合(DNA 可以是核小体或核小体之间的) , 然后, 这个转录因子再结合1 个重塑因子, 导致附近核小体结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的结合, 这是一个串联反应的过程; 2）重塑因子首先独立地与核小体结合,这些复合物都具有ATP酶活性，它们依靠水解ATP 所产生的能量来改变核小体的相对位置，但使其松动并发生滑动, 将DNA 序列暴露出来，使转录因子能够与之结合。这是一个物理过程，染色质本身的结构并没有变化，只改变核小体的相对位置。 染
12、色质重塑过程中, 核小体滑动可能是一种重要机制, 它不改变核小体结构, 但改变核小体与DNA 的结合位置。 染色质结构重塑存在于基因启动子中, 转录因子TF 以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合, 引起特定核小体位置的改变(滑动) , 或核小体三维结构的改变, 或二者兼有, 它们都能改变染色质对核酶的敏感性，指染色质特定区域对核酶稳定性的变化。 基因组不同区域的染色质被不同浓度的酶水解的特性定义为基因组DNA对酶的敏感性。 用DNA酶I处理各种组织的染色质时，发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。 原因： 活跃表达的基因所在染色质上包含一个或数个DNase超敏
13、感位点 ，常出现在转录基因的5端启动区，多在调控蛋白结合位点的附近 ，该处DNA裸露，易被核酸酶降解鸡成熟红细胞（erythroblast）染色质中，-血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNA酶I切割降解。鸡输卵管细胞的染色质中被DNA酶I优先降解的是卵清蛋白基因，而不是-血红蛋白基因。（2） 组蛋白的修饰 组蛋白是染色质中核小体的主要结构元件。组蛋白的修饰（乙酰化、磷酸化和甲基化）所引起的结构变化能影响基因的开关，并且这种变化同样也调控着基因的转录，影响着基因的表达，是目前表观遗传学（Epigenetic)研究的重要部分。 组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶（histone acetylt
14、ransferase,HAT)催化，目前已发现了4种组蛋白乙酰基转移酶和5种去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC)组蛋白的乙酰化-去乙酰化生物功能：（1）乙酰化能促进基因转录的活性 在组蛋白特殊氨基酸残基上的乙酰化，可改变蛋白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，从而调节基因的活性；乙酰化后组蛋白赖氨酸侧链不再带有正电荷，失去了与DNA的结合能力，也使相邻核小体的结合受阻，同时也促进泛素与组蛋白H2A的结合，导致组蛋白选择性降解。组蛋白H3和H4的Arg、Lys的-NH2是修饰的主要位点。如： 缺乏乙酰化能使雌性个体X染色体关闭转录，染色质凝聚程度增高。（2）组蛋白乙酰
15、化与转录起始复合物装配 组蛋白的乙酰化作用能导致组蛋白正电荷减少，削弱了它与DNA结合的能力，引起核小体解聚，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合到基因DNA上。 组蛋白乙酰化作用还能阻止核小体装配，使染色质处于比较松弛状态； 组蛋白乙酰化作用还参与细胞周期和细胞分裂的调控。（3）组蛋白的去乙酰化与基因沉默 组蛋白低乙酰化或去乙酰化伴随着转录沉默或转录抑制。如：失活的X染色体中H4组白完全没有乙酰化； H4的Lys16残基的去乙酰化作用对于维持基因沉默十分重要。组蛋白乙酰化在转录调控中的作用示意图3. 非组蛋白对基因活性影响真核生物的细胞核除了有构成染色质的组蛋白组分外，还有大量与染色质松散结
16、合或在某些条件下才结合的非组蛋白（non-histone protein, NHP)组分。 大部分是酸性蛋白，起蛋白质或酶的作用； 具有种属和组织特异性； 大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化方式调节细胞的代谢、生长、增殖等。 许多蛋白对染色质中基因的转录起始非常重要。 高迁移率蛋白（ high mobility group, HMG）：相对分子质量较小，在聚丙烯酰胺凝胶电泳中有很高的迁移率而得名.几乎所有的HMG都可以通过修饰、弯曲或改变染色质/DNA的结构,促进各种蛋白质因子形成大分子复合物来调节基因转录.根据其结构, HMG超家族可分为HMGA、HMGB、 HMGN三类.HMGA在早期的胚胎组织中含量很丰富，而在大部分的成体细胞中含量却相对的少。 HMGA广泛参与细胞的各种生理活动，包括可诱导性基因转录的调控、将反转录病毒整和到染色体上、诱导转化及促进癌细胞研究等。HMGB发现最早，研究最多，在细胞中的含量也最丰富。不仅存在于细胞核内，还存在于胞浆内或分泌到胞外，近几年还发现了膜相关的HMGB。最新一项研究表明（nature,2009)，染色体HMGB 蛋白HMGB1、 HMGB2
