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1、第第1212章章 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控一一.真核生物基因表达调控的特点真核生物基因表达调控的特点1.1.真核生物基因组结构特点真核生物基因组结构特点哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA DNA 约约 3 3 10 10 9 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约有约有 40000 40000 个，占总长的个，占总长的6%6%rDNArDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5%-10%5%-10%（1 1）结构庞大）结构庞大（2 2）单顺反子）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA
2、mRNA分分子，经翻译生成一条多肽链。子，经翻译生成一条多肽链。（3 3）重复序列）重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3-10-104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列（4 4）基因不连续性）基因不连续性 1 1）与）与DNADNA、染色体水平的变化有关、染色体水平的变化有关2.2.真核基因表达调控的特点真核基因表达调控的特点 (1)(1)染色质结构对基因表达的调控作用染色质结构对基因表达的调控作用(2)DNA(2)DNA拓朴结构变化拓朴结构变化 天然双链天然双链DNADNA几乎均以
3、负性超螺旋构象存在。几乎均以负性超螺旋构象存在。当基因激活后，则转录区前方的当基因激活后，则转录区前方的DNADNA拓朴结构拓朴结构变为正性超螺旋，有利于变为正性超螺旋，有利于RNARNA聚合酶向前移动，聚合酶向前移动，进行转录。进行转录。(3)DNA(3)DNA甲基化甲基化 甲基化影响甲基化影响DNADNA与蛋白质的相互作用。与蛋白质的相互作用。(4)(4)染色体结构的变化染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。2 2）有）有RNARNA聚合酶对聚合酶对mRNAmRN
4、A转录的调节转录的调节 真核生物有真核生物有3 3种种RNARNA聚合酶：聚合酶：RNA polRNA pol、。每种每种RNARNA聚合酶有约聚合酶有约1010个亚基组成，其中个亚基组成，其中TATATATA盒结合蛋白（盒结合蛋白（TBPTBP）为）为3 3种酶共有。种酶共有。RNA polRNA pol对催化对催化mRNAmRNA的生成起主要作用。转的生成起主要作用。转录前录前RNA polRNA pol必须与必须与TBPTBP、TFDTFD等各种通用转录等各种通用转录因子形成转录前复合体（因子形成转录前复合体（PICPIC），从而激活或抑制），从而激活或抑制RNARNA的转录。的转录。3
5、 3）正性调节占主导）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，真核基因一般都处于阻遏状态，RNARNA聚合酶对聚合酶对启动子的亲和力很低。启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活通过利用各种转录因子正性激活RNARNA聚合酶是聚合酶是真核基因调控的主要机制。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；采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节不经济采用负性调节不经济4 4）转录和翻译过程分开进行）转录和翻译过程分开进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位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。（胞核与胞浆），可分别进行调控
6、。5)5)真核基因表达调控能在真核基因表达调控能在特定时间和特定的细胞中特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现激活特定的基因，从而实现 预定预定 的、有序的、不的、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。在一定的环境条件范围内保持正常功能。翻译调节翻译调节真核染色质体（真核染色质体（DNADNA）转录前调节转录前调节转录初级产物转录初级产物RNARNA（ProProRNARNA）hnRNAhnRNA转录后加工的调节转录后加工的调节转运调节转运调节mRNAmRNAmRNA降解的调控降解的调控mR
7、NAmRNA降解物降解物多肽链多肽链翻译后加工及蛋白质活性控制翻译后加工及蛋白质活性控制活性蛋白活性蛋白失活蛋白失活蛋白转录调节转录调节二二.真核生物基因表达调控的不同层次真核生物基因表达调控的不同层次 原核生物原核生物真核生物真核生物操纵子调控。操纵子调控。多样化调控，更为复杂。多样化调控，更为复杂。基因组小，大肠杆菌：总长基因组小，大肠杆菌：总长4.64.6106bp,106bp,编码编码42884288个基因个基因,每个基因约每个基因约1100bp1100bp。基基因因组组大大，人人类类基基因因组组全全长长3 3109 109 bpbp，编码，编码1010万个基因，其余为重复序列。万个基
8、因，其余为重复序列。基基因因分分布布在在同同一一染染色色体体上上，操操纵子控制。纵子控制。DNADNA与与组组蛋蛋白白结结合合成成染染色色质质，染染色色质质的的变变化化调调控控基基因因表表达达；基基因因分分布布在在不不同同的的染染色色体上，存在不同染色体间基因的调控问题。体上，存在不同染色体间基因的调控问题。适适应应外外界界环环境境，操操纵纵子子调调控控表表达。达。基基因因差差别别表表达达是是细细胞胞分分化化和和功功能能的的需要。需要。转录和翻译同时进行，大部分转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控。为转录水平调控。转转录录和和翻翻译译在在时时间间和和空空间间上上均均不不同同，从从DNADN
9、A到蛋白质的各层次上都有调控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。其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两种类型。常染色质常染色质：折叠疏松、凝缩程度低，处于伸展状态，碱：折叠疏松、凝缩程度低，处于伸展状态，碱性染料染色时着色浅。性染料染色时着色浅。异染色质异染色质：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染：折叠压缩程度高，处于凝集状态，经碱性染料染色着色深。料染色着色深。1 1）结构异染色质结构异染色
10、质：各类细胞在整个细胞周期内都处于：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序列的DNADNA处。处。2 2）兼性异染色质兼性异染色质：只在一定的发育阶段或生理条件下：只在一定的发育阶段或生理条件下由常染色质凝聚而成。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真核基因的活跃转录是在常染色质上进行1.1.异染色质化对基因活化的影响异染色质化对基因活化的影响三三.染色体水平的调控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）异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部
11、分）电镜观察细胞分裂间期中染色质情况电镜观察细胞分裂间期中染色质情况异异染染色色质质的的紧紧密密压压缩缩堆堆积积，可可使使调调控控蛋蛋白白和和转转录录因因子子都都不不能能靠靠近近DNADNA，而而使使基基因因组组中中相相当当大大的的一一部部分分基基因因处处于于休休眠眠状状态态，其其中中有有些些基基因因可可以以从休眠变成激活，另一些则不能转变。从休眠变成激活，另一些则不能转变。如如哺哺乳乳类类雌雌体体细细胞胞2 2条条X X染染色色体体，到到间间期期一一条条变变成成异异染染色色质质者者，这这条条X X染染色色体体上上的的基基因因就就全全部部失失活活。由由此此可可见见，紧紧密密的的染染色色质质结结
12、构构阻阻止止基基因因表表达。达。1 1）染色体结构复杂）染色体结构复杂 由由DNADNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。、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。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2.2.组蛋白对基因活性的影响组蛋白对基因活性的影响 染色质结构染色质结构 组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNADNA链链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNADNA分分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性
13、阻遏蛋白的作用；的作用；进行活跃基因转录的染色质区段常有富含赖氨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（酸的组蛋白（H1H1组蛋白）水平降低、组蛋白）水平降低、H2AH2A、H2BH2B组组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化（acetylationacetylation）和泛素化（）和泛素化（obiquitinationobiquitination）、）、以及以及H3H3组蛋白巯基活化等现象，这些都是核小体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；不稳定或解体的因素；早期体外实验观察到组蛋白与早期体外实验观察到组蛋白与DNADNA
14、结合阻止结合阻止DNADNA上上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。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，核小体的结构消除或改变，会使会使DNADNA结构由右旋变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。这些都动区结合，诱发转录。这些都表明核小体结构影表明核小体结构影响基因转录。响基因转录。染色体重塑实验发现，组蛋白染色体重塑实验发现，组蛋白H1H1比核心组蛋白比核心组蛋白（H2A H2B H3 H4H2A H2B H3 H4
15、）阻遏转录作用强。）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，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可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录作用。转录作用。1 1）组蛋白对基因活性的影响）组蛋白对基因活性的影响（1 1）染色质重塑）染色质重塑(chromatin remodeling)(chromatin remodeling)在启动子区域，由于结合了组蛋白，染色质处于非活性在启动子区域，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，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
16、中与转录相关的结构变化称为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;染色质重塑染色质重塑涉及许多蛋白复合物涉及许多蛋白复合物，可与核小体互作，影响，可与核小体互作，影响核小体结构或改变核小体与核小体结构或改变核小体与DNADNA结合位置；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：作用。如：SWI/SNFSWI/SNF复合物。复合物。酵母交换型转换酵母交换型转换/蔗糖不发酵复合物蔗糖不发酵复合物(Yeast
17、mating-type switching/sucrose non-fermenting,SWI/SNF复合体复合体)首次在首次在酵母中鉴定，并在酵母、果蝇和哺乳动物中具有保守性。酵母中鉴定，并在酵母、果蝇和哺乳动物中具有保守性。SWI/SNFSWI/SNF复合体是一个分子量为复合体是一个分子量为2103 kDa，含有多个亚单位，含有多个亚单位的的DNADNA依赖性依赖性ATPATP酶，它能够利用酶，它能够利用ATPATP水解产生的能量动员核小水解产生的能量动员核小体体,使染色质重构使染色质重构,从而调节靶基因的转录。从而调节靶基因的转录。SWI/SNFSWI/SNF复合体与基因活化和细胞增殖
18、的多个调控因子密切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、雌激素受体和相关，这些调控因子包括糖皮质激素受体、雌激素受体和RbRb、C-mycC-myc原癌基因和原癌基因和HpvE1HpvE1蛋白能各自与蛋白能各自与SWI/SNFSWI/SNF复合体相互作用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。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越来越多的研究证实了SWI/SNFSWI/SNF复合体在肿瘤发生中的作复合体在肿瘤
19、发生中的作用用,它的几个亚单位具有内在的肿瘤抑制子活性。染色质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、发育重塑复合物在肿瘤发生、发育,核受体所介导的激素应答核受体所介导的激素应答,DNADNA复制、修复和重组等方面也扮演着重要的角色。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：染色质修饰复合物类型：ATPATP依赖的染色质改构复合物依赖的染色质改构复合物(ATP-dependent chromatin remodeling complex)(ATP-dependent chromatin remodeling complex)利用水解利用水解AT
20、PATP获得的能量获得的能量,改变组蛋白与改变组蛋白与DNADNA之间的相互之间的相互作用作用对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰酶复合物对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰酶复合物 (Histone-modifying complex)(Histone-modifying complex)对组蛋白的尾部进行共价修饰对组蛋白的尾部进行共价修饰,包括赖氨酸的乙酰化包括赖氨酸的乙酰化,赖氨酸和精氨酸的甲基化赖氨酸和精氨酸的甲基化,丝氨酸和苏氨酸的磷酸化丝氨酸和苏氨酸的磷酸化,赖赖氨酸的泛素化等氨酸的泛素化等,破坏核小体之间以及组蛋白尾部与基因破坏核小体之间以及组蛋白尾部与基因组组DNADNA之间的相互作用
21、之间的相互作用,引起染色质的重塑引起染色质的重塑重塑因子调节基因表达机制的假设重塑因子调节基因表达机制的假设:1)1 1)1 个转录因子独立地与核小体个转录因子独立地与核小体DNA DNA 结合结合(DNA(DNA 可以是核小体或核小体之间的可以是核小体或核小体之间的),),然后然后,这个转这个转录因子再结合录因子再结合1 1 个重塑因子个重塑因子,导致附近核小体结导致附近核小体结构发生稳定性的变化构发生稳定性的变化,又导致其他转录因子的结又导致其他转录因子的结合合,这是一个串联反应的过程这是一个串联反应的过程;2 2）重塑因子首先独立地与核小体结合）重塑因子首先独立地与核小体结合,这些复合这
22、些复合物都具有物都具有ATPATP酶活性，它们依靠水解酶活性，它们依靠水解ATP ATP 所产生的所产生的能量来改变核小体的相对位置，但使其松动并发生能量来改变核小体的相对位置，但使其松动并发生滑动滑动,将将DNA DNA 序列暴露出来，使转录因子能够与之序列暴露出来，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。有变化，只改变核小体的相对位置。染色质重塑过程中染色质重塑过程中,核小体滑动可能是一种重核小体滑动可能是一种重要机制要机制,它不改变核小体结构它不改变核小体结构,但改变核小体与但改变核小体与D
23、NA DNA 的结合位置。的结合位置。染色质结构重塑存在于基因启动子中染色质结构重塑存在于基因启动子中,转录因子转录因子TF TF 以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合,引起特定引起特定核小体位置的改变核小体位置的改变(滑动滑动),),或核小体三维结构的改变或核小体三维结构的改变,或二者兼有或二者兼有,它们都能改变染色质对核酶的敏感性，指染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。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的特性定义为基
24、因组DNADNA对酶的敏感性。对酶的敏感性。用用DNADNA酶酶I I处理各种组织的染色质时，发现处于活跃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状态的基因比非活跃状态的DNADNA更容易被更容易被DNADNA酶酶I I所所降解。降解。原因：原因：活跃表达的基因所在染色质上包含一个或活跃表达的基因所在染色质上包含一个或数个数个DNaseDNase超敏感位点超敏感位点 ，常出现在转录基因的，常出现在转录基因的5 5端启动区，多在调控蛋白结合位点的附近端启动区，多在调控蛋白结合位点的附近 ，该，该处处DNADNA裸露，易被核酸酶降解裸露，易被核酸酶降解鸡成熟红细胞（鸡成熟红细胞
25、（erythroblasterythroblast）染色质中，）染色质中，-血红蛋白基血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被因比卵清蛋白基因更容易被DNADNA酶酶I I切割降解。切割降解。鸡输卵管细胞的染色质中被鸡输卵管细胞的染色质中被DNADNA酶酶I I优先降解的是卵清蛋白优先降解的是卵清蛋白基因，而不是基因，而不是-血红蛋白基因。血红蛋白基因。（2 2）组蛋白的修饰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
26、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，是目前表观控着基因的转录，影响着基因的表达，是目前表观遗传学（遗传学（Epigenetic)Epigenetic)研究的重要部分。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组蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase,HAT)histone acetyltransferase,HAT)催化，目前已催化，目前已发现了发现了4 4种组蛋白乙酰基转移酶和种组蛋白乙酰基转移酶和5 5种去乙酰化酶种去乙酰化酶（histone deacetylase,HDAC)histone
27、 deacetylase,HDAC)组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化-去乙酰化生物功能：去乙酰化生物功能：（1 1）乙酰化能促进基因转录的活性）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；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，失去乙酰化后组蛋白赖氨酸侧链不再带有正电荷，失去了与了与DNADNA的结合能力，也使相邻核小体的结合受阻，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同时也促进泛素与组蛋白H2
28、AH2A的结合，导致组蛋白选的结合，导致组蛋白选择性降解。择性降解。组蛋白组蛋白H3H3和和H4H4的的ArgArg、LysLys的的-NH-NH2 2是修是修饰的主要位点。饰的主要位点。如：如：缺乏乙酰化能使雌性个体缺乏乙酰化能使雌性个体X X染色体关闭转录，染色体关闭转录，染色质凝聚程度增高。染色质凝聚程度增高。（2 2）组蛋白乙酰化与转录起始复合物装配）组蛋白乙酰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，削弱了它与弱了它与DNADNA结合的能力，引起核小体解聚，从而使转结合的能力，引起核小体解聚，从而使转录因子和录因子和
29、RNARNA聚合酶顺利结合到基因聚合酶顺利结合到基因DNADNA上。上。组蛋白乙酰化作用还能阻止核小体装配，使染色质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；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组蛋白乙酰化作用还参与细胞周期和细胞分裂的调控。控。（3 3）组蛋白的去乙酰化与基因沉默）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组蛋白低乙酰化或去乙酰化伴随着转录沉默或转录抑制。抑制。如：失活的如：失活的X X染色体中染色体中H4H4组白完全没有乙酰化；组白完全没有乙酰化；H4H4的的Lys16Lys16残基的去乙酰化作用对
30、于维持基因沉残基的去乙酰化作用对于维持基因沉默十分重要。默十分重要。组组蛋蛋白白乙乙酰酰化化在在转转录录调调控控中中的的作作用用示示意意图图3.3.非组蛋白对基因活性影响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合或在某些条件分外，还有大量与染色质松散结合或在某些条件下才结合的非组蛋白（下才结合的非组蛋白（non-histone protein,non-histone protein,NHP)NHP)组分。组分。大部分是酸性蛋白，起蛋白质或酶的作用；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
31、异性；具有种属和组织特异性；大多数是磷蛋白，以磷酸化大多数是磷蛋白，以磷酸化/去磷酸化方式调去磷酸化方式调节细胞的代谢、生长、增殖等。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许多蛋白对染色质中基因的转录起始非常重要。要。高迁移率蛋白高迁移率蛋白（high mobility group,HMGhigh mobility group,HMG）：相）：相对分子质量较小，在聚丙烯酰胺凝胶电泳中有很高对分子质量较小，在聚丙烯酰胺凝胶电泳中有很高的迁移率而得名的迁移率而得名.几乎所有的几乎所有的HMGHMG都可以通过修饰、都可以通过修饰、弯曲或改变染色质弯曲或改变染色质/DNA/
32、DNA的结构的结构,促进各种蛋白质因子促进各种蛋白质因子形成大分子复合物来调节基因转录形成大分子复合物来调节基因转录.根据其结构根据其结构,HMG,HMG超家族可分为超家族可分为HMGAHMGA、HMGBHMGB、HMGNHMGN三类三类.HMGAHMGA在早期的胚胎组织中含量很丰富，而在大部分的成体细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。胞中含量却相对的少。HMGAHMGA广泛参与细胞的各种生理活动，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。
33、上、诱导转化及促进癌细胞研究等。HMGBHMGB发现最早，研究最多，在细胞中的含量也最丰富。不仅发现最早，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发现了膜相关的HMGBHMGB。最新一项研究表明（。最新一项研究表明（nature,2009)nature,2009)，染色体染色体HMGB HMGB 蛋白蛋白HMGB1HMGB1、HMGB2 HMGB2 和和HMGB3HMGB3是所有由核酸受体是所有由核酸受体调控的先天免疫反应的激发所必不可少的，编码免疫球蛋白调控的先天免疫反应的激发
34、所必不可少的，编码免疫球蛋白可变区的可变区的V V、D D、J J基因片段重组、分化和发展等。基因片段重组、分化和发展等。HMGNHMGN是一组与核小体结合的核蛋白，它们能够是一组与核小体结合的核蛋白，它们能够改变染色质的结构，增强染色质模板的转录和改变染色质的结构，增强染色质模板的转录和复制复制，HMGNHMGN家族包括家族包括HMGN1HMGN1和和HMGN2(HMGN2(原原HMG-14HMG-14和和HMG-17)HMG-17)，它们在几乎所有哺乳动物和多数脊，它们在几乎所有哺乳动物和多数脊椎动物的细胞核中广泛存在。椎动物的细胞核中广泛存在。4.4.核基质对基因活性的影响核基质对基因活
35、性的影响 在真核生物的细胞核内，存在一种主要由非组蛋白在真核生物的细胞核内，存在一种主要由非组蛋白的纤维蛋白和大分子的纤维蛋白和大分子RNARNA组成的三维网架体系，这就是组成的三维网架体系，这就是核基质核基质。真核基因组的真核基因组的DNADNA序列中，能特异性地与核基质紧密序列中，能特异性地与核基质紧密结合的区域即为结合的区域即为核基质结合区核基质结合区(MAR)(MAR)。它广泛存在于酵。它广泛存在于酵母到人类的所有真核生物基因组中。母到人类的所有真核生物基因组中。MARMAR位于位于DNADNA上各转录单位的交界处，是上各转录单位的交界处，是DNADNA在核基质在核基质或染色体支架上的
36、附着点。这是通过一些特异的或染色体支架上的附着点。这是通过一些特异的MARMAR结结合蛋白与核基质结合，从而将染色质锚定在核基质上，合蛋白与核基质结合，从而将染色质锚定在核基质上，以防其自由转动，并使以防其自由转动，并使DNADNA发生解链。同时还将发生解链。同时还将DNADNA隔离隔离成许多拓扑学限制性的功能区域，每个功能区域就形成成许多拓扑学限制性的功能区域，每个功能区域就形成一个拓扑学解旋的环，每个环就是一个转录单位。一个拓扑学解旋的环，每个环就是一个转录单位。核基质结合区约为核基质结合区约为200个个富含富含AT的核苷酸区段，的核苷酸区段，较为保守。通过氢键、疏较为保守。通过氢键、疏水
37、作用或共价键与核基质水作用或共价键与核基质结合。结合。核基质蛋白包括：核基质蛋白包括：不溶性的纤维蛋白网状结构不溶性的纤维蛋白网状结构核纤层核纤层核孔复合物核孔复合物核仁核仁非组蛋白非组蛋白核基质的特点核基质的特点1 1限定限定DNADNA环状结构域的大小，使环状结构域成为相对独环状结构域的大小，使环状结构域成为相对独立的结构域与功能域，该功能域中包括一系列的转录单位立的结构域与功能域，该功能域中包括一系列的转录单位及各种特异的顺式作用元件。如：限定子或绝缘子；及各种特异的顺式作用元件。如：限定子或绝缘子；绝缘子绝缘子是一类新近发现的边界序列，它能阻止邻近调控元是一类新近发现的边界序列，它能阻
38、止邻近调控元件对其所界定的基因启动子起增强和抑制作用。件对其所界定的基因启动子起增强和抑制作用。2.2.各种核基质蛋白之间相互作用，控制染色质组装的疏密各种核基质蛋白之间相互作用，控制染色质组装的疏密程度，从而调节程度，从而调节DNADNA的复制与转录；的复制与转录；3.3.可能存在着基因的某种增强子元件；可能存在着基因的某种增强子元件；4.4.可能有可能有DNADNA复制的起始位点识别元件复制的起始位点识别元件5.5.基因丢失基因丢失在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳
39、类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有例如在蛔虫胚胎发育过程中，有2727DNADNA丢丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。还有许多生物各类不同的细胞或细胞核都具还有许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性。有全能性。6.6.基因扩增基因扩增基因扩增基因扩增(gene amplification):(gene amplification):在没有发生细胞分裂，在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的
40、情况下，细胞内某些特定基整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象。因的拷贝数专一性增加的现象。1)1)为满足正常的生长发育需要为满足正常的生长发育需要 如两栖类和昆虫卵母细胞如两栖类和昆虫卵母细胞rRNArRNA基因基因的扩增的扩增:卵母细胞中卵母细胞中的的rDNArDNA拷贝数比体细胞中增加了拷贝数比体细胞中增加了40004000倍。倍。在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白蛋白的卵壳基因的扩增。的卵壳基因的扩增。2)2)外界环境因素引起基因扩增外界环境因素引起基因扩增 基因扩增与基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老肿瘤形成及细胞衰老有关。在原发性
41、的有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含视网膜细胞瘤中，含myc myc 原癌基因的原癌基因的DNADNA区段扩增区段扩增10-20010-200倍。许多致癌剂可诱导倍。许多致癌剂可诱导DNADNA扩增。扩增。7.基因重排基因重排将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为点从而启动转录，这种方式被称为基因重排基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子通过基因重排调节基因活性的典型例子 免疫球蛋白结构基因免疫球蛋白结构基因（由（由B B淋巴细胞合成的）淋巴细胞合成的）酵母结合型转换酵母结合型转换抗体分子抗体分子IgGIgG
42、由由4 4条（两对）多肽链组成，包括两条相条（两对）多肽链组成，包括两条相同的同的轻链轻链（L-chainL-chain）和两条相同的）和两条相同的重链重链（H-chainH-chain）。）。轻链和重链在相对分子质量上有较大差别，前者约轻链和重链在相对分子质量上有较大差别，前者约2.3x102.3x104 4，后者则介于，后者则介于5.3x105.3x104 4-7.0 x10-7.0 x104 4之间。之间。免疫球蛋白基因的重排免疫球蛋白基因的重排免疫球蛋白的肽链免疫球蛋白的肽链主要由可变区（主要由可变区（V V区）、恒定区（区）、恒定区（C C区）以及两者之间区）以及两者之间的连接区（的
43、连接区（J J区）区）组成组成免免疫疫球球蛋蛋白白(Ig)(Ig)，由由两两条条轻轻链链(L(L链链)和和两两条条重重链链(H(H链链)组组成成，分分别别由由三三个个独独立立的的基基因因族族编编码码，其其中两个编码轻链中两个编码轻链(和和)，一个编码重链。，一个编码重链。轻链的基因片段：轻链的基因片段：重链的基因片段：重链的基因片段：LVJCLVDJC 所有所有IgIg分子都含有两类轻链中的一类，即分子都含有两类轻链中的一类，即型或型或型。型。型和型和型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是不同的。列是不同的。在小鼠中，在小鼠中，95%95%的抗体轻链是的抗体轻链是
44、型，而人类抗型，而人类抗体轻链中，体轻链中，型和型和型各占型各占50%50%左右。左右。H H链和链和L L链可能的组合数预计可达链可能的组合数预计可达10101111以上。小鼠每天生成的淋以上。小鼠每天生成的淋巴细胞为巴细胞为10108 8个，可见动物一生中还不可能使全部可能产生的个，可见动物一生中还不可能使全部可能产生的基因组合得到表达。基因组合得到表达。四四.DNA水平上的调控水平上的调控 DNADNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中。存在于所有高等生物中。DNADNA甲基化能关闭某些基甲基化能关闭某些基因的活性，而去甲基化则诱
45、导了基因的重新活化与因的活性，而去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达表达。DNADNA甲基化会导致某些区域甲基化会导致某些区域DNADNA构象变化，影构象变化，影响响DNADNA的稳定性和蛋白质与的稳定性和蛋白质与DNADNA的相互作用，进而控的相互作用，进而控制基因的表达。制基因的表达。1.DNA甲基化甲基化如果用基因打靶的方法除去主要的如果用基因打靶的方法除去主要的DNADNA甲基化酶，甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡。小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡。CpGCpG二核苷酸中二核苷酸中C C的甲基化导致了的甲基化导致了1/31/3以上由于碱基以上由于碱基转换引起的遗传病。转换引起的遗
46、传病。DNA DNA甲基化的主要形式甲基化的主要形式 主要形成主要形成5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-(5-m mC)C)，少量，少量N6-N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤(N6-(N6-m mA)A)和和7-7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤(7-(7-m mG)G)。在真核生物。在真核生物DNADNA中，胞嘧啶约有中，胞嘧啶约有5%5%被被甲基化，甲基化，5-5-甲基胞嘧啶主要出现在甲基胞嘧啶主要出现在CpGCpG和和CpXpGCpXpG等序列中。等序列中。CpGCpG二核苷酸序列通常成串出现并零散地分布于基二核苷酸序列通常成串出现并零散地分布于基因组中，此段序列被称为因组中，此段序列被称为CpGCpG
47、岛岛。大约大约50%50%的的CpGCpG岛与看家基因有关，另一半岛与看家基因有关，另一半CpGCpG岛存岛存在于组织特异性调控基因的启动子中。在于组织特异性调控基因的启动子中。真核生物中的真核生物中的CpGCpGCpGCpG岛与甲基化岛与甲基化岛与甲基化岛与甲基化如：哺乳类基因组中约存在如：哺乳类基因组中约存在4 4万个万个CpG CpG 岛，它们大多岛，它们大多位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点，其位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点，其中有中有60%60%90%90%的的CpG CpG 被甲基化，被甲基化，CpGCpG岛在基因表岛在基因表达调控中起重要作用。达调控中起重要作用。
48、不同结构基因上的不同结构基因上的CGCG岛岛二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶次黄嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤磷酸核糖转移酶核糖体蛋白核糖体蛋白DNADNA甲基化会导致某些区域甲基化会导致某些区域DNADNA构象改变，包括甲基化后染色构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白白H1H1相结合相结合 ，DNaseDNase超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋化化,凝缩成团凝缩成团,直接影响了转录因子于启动区直接影响了转录因子于启动区DNADNA的结合效率的结合效率的结合活性，不能启始基因
49、转录。的结合活性，不能启始基因转录。DNADNA的甲基化不利于模板与的甲基化不利于模板与RNARNA聚合酶的结合，降低了转录活聚合酶的结合，降低了转录活性。性。甲基化的甲基化的CpG CpG 可以与可以与甲基化甲基化CpGCpG结合蛋白因子结合蛋白因子MeCP1MeCP1（methylCpG-binding protein1methylCpG-binding protein1）的结合，间接影响转的结合，间接影响转录因子与录因子与DNADNA的结合。的结合。2.DNA2.DNA甲基化对转录活性的影响甲基化对转录活性的影响1 1）DNADNA甲基化可引起基因失活甲基化可引起基因失活甲基化对基因转录
50、的影响甲基化对基因转录的影响2 2）基因印记（遗传印记）基因印记（遗传印记）在生殖细胞形成早期，来自父方和母方的印记将全部被消在生殖细胞形成早期，来自父方和母方的印记将全部被消除，父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化除，父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式，但在受精时这种甲基化模式还将发生改变；因此在模式，但在受精时这种甲基化模式还将发生改变；因此在受精后来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。受精后来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。基因印记基因印记是指来自父方和母方的等位基因在通过是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使