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1、基基 因因 的的 表表 达达 调调 控控 Gene RegulationPart IIII:Eukaryotes第七章第七章 真核生物基因的表真核生物基因的表达调控达调控（Gene Regulation in Eukaryotes）主要内容主要内容第一节第一节 真核生物基因表达调控概述真核生物基因表达调控概述第二节第二节 DNA水平的表达调控水平的表达调控第三节第三节 转录水平的表达调控转录水平的表达调控第四节第四节 其他水平上的表达调控其他水平上的表达调控第一节第一节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控概述概述（Introduction of Gene Regulation in Eu
2、karyotes）一、调控的细胞学基础一、调控的细胞学基础 原原核核生生物物一一般般为为自自由由生生活活的的单单细细胞胞有有机机体体。直直接接暴暴露露在在变变化化莫莫测测的的环环境境中中，食食物物供供应应无无保保障障，只只有有根根据据环环境境条条件件的的变变化化而而改改变变其其代代谢谢途途径径，才才能能维维持持自自身身的的生生存存和和繁繁衍衍。因因而而，营营养养条条件件和和环环境境因因素素是是其其基因表达调控的主要信号基因表达调控的主要信号。真真核核生生物物主主要要由由多多细细胞胞组组成成。食食物物来来源源和和代代谢谢途途径径相相对对比比较较稳稳定定。但但是是由由于于它它们们多多为为多多细细胞
3、胞有有机机体体，在在个个体体发发育育中中出出现现细细胞胞分分化化，而而不不同同类类型型的的细细胞胞在在质质和和量量上上对对蛋蛋白白质质的的需需求求是是不不同同的的。因因而而，激激素素水水平平和和发发育育阶阶段段是是其其基基因表达调控的主要信号因表达调控的主要信号。原核生物原核生物真核生物真核生物 真真核核生生物物和和原原核核生生物物细细胞胞结结构构的的不不同同，导导致致其其基基本本生生活活方方式式完完全全不不同同，所所以以在在基基因因表表达达调调控控上上各各具特点具特点。对对于于原原核核生生物物而而言言，既既无无充充足足的的能能源源贮贮备备，又又无无高高等等植植物物制制造造有有机机物物的的本本
4、领领，也也不不能能象象动动物物一一样样主主动动获获取取食食物物。因因此此，调调控控是是为为了了适适应应环环境境，获获取取营营养养，达达到到生生存存最最优优化化。调调控控特特点点体体现现一一个个“快快”字字，快快速速适适应应环环境境，获获取取营营养养，合合成成必必需需蛋蛋白白质质、降降解解不不必必要要成成分分。这这是是长长期期进进化化，获获得得的的适适应应应应变变能能力力。-适适应应环环境境获获取取营营养养、解解决决“温温饱饱”问问题题 真真核核基基因因表表达达调调控控的的最最显显著著特特征征是是程程序序调调控控、按按“既既定定方方针针办办”。在在特特定定时时间间和和特特定定的的细细胞胞中中激激
5、活活特特定定的的基基因因，从从而而实实现现“预预定定”的的、有有序序的的、不不可可逆逆转转的的分分化化、发发育育过过程程，并并使使生生物物的的组组织织和和器器官官在在一一定定的的环环境境条条件件范范围围内内保保持持正正常常生生理理功功能能，期期间间仅仅极极少少基基因因间间接接或或直直接接受受环环境境因因素素的的影影响响。这这一一特特点点使使真真核核在在千千变变万万化化的的环环境境下下，主主要要组组织织或器官仍能维持正常功能。或器官仍能维持正常功能。-“处世不惊处世不惊”二、真核生物基因表达调控的种类二、真核生物基因表达调控的种类1、根据基因表达调控的性质可分为两大类：、根据基因表达调控的性质可
6、分为两大类：第一类是第一类是瞬时调控瞬时调控或称为或称为可逆调控可逆调控，它相当于原，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，及细胞周期不同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。阶段中酶活性和浓度的调节。第二类是第二类是发育调控发育调控或称或称不可逆调控不可逆调控，是真核基因，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、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。发育的全部进程。2、根根据据基基因因表表达达调调控控在在同同一一事事件件中中发发生生的的先先后后
7、次次序又可分为：序又可分为：uDNA水平的调控水平的调控 Gene Regulation at DNA levelu转录水平的调控转录水平的调控 Transcriptional Regulationu转录后水平的调控转录后水平的调控 Post transcriptional Regulationu翻译水平的调控翻译水平的调控 Translational Regulationu蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控 Protein maturation and Processing第二节第二节 DNA水平的基因表达调控水平的基因表达调控（Gene Regulation at DNA level
8、）v基因丢失基因丢失v基因扩增基因扩增v基因重排基因重排vDNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控v染色体结构与调控染色体结构与调控一、基因丢失（一、基因丢失（Gene loss）在在细细胞胞分分化化过过程程中中，可可以以通通过过丢丢失失掉掉某某些些基基因因而而去去除除这这些些基基因因的的活活性性。某某些些原原生生动动物物、线线虫虫、昆昆虫虫和和甲甲壳壳类类动动物物在在个个体体发发育育中中，许许多多体体细细胞胞常常常常丢丢失失掉掉整整条条或或部部分分的的染染色色体体，只只有有将将来来分分化化产产生生生生殖殖细胞的那些细胞细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。一直保留着整套的染色体。例例如如：在在
9、蛔蛔虫虫胚胚胎胎发发育育过过程程中中，有有27DNA丢丢失失。在在高高等动植物中，尚未发现类似现象。等动植物中，尚未发现类似现象。二、基因扩增（二、基因扩增（Gene amplification）基基因因扩扩增增是是指指某某些些基基因因的的拷拷贝贝数数专专一一性性增增大大的的现现象象。它它使使得得细细胞胞在在短短期期内内产产生生大大量量的的基基因因产产物物以以满满足足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。例例如如：非非洲洲爪爪蟾蟾的的卵卵母母细细胞胞中中原原有有rDNA约约500个个拷拷贝贝，在在减减数数分分裂裂的的粗粗线线期期，基基因因开开始始迅
10、迅速速复复制制，到到双双线线期期拷拷贝贝数数约约为为200万万个个，扩扩增增近近4000倍倍，可可用用于于合合成成1012个个核核糖糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。三、基因重排（三、基因重排（gene re-arrangement）将将一一个个基基因因从从远远离离启启动动子子的的地地方方移移到到距距它它很很近近的位点从而启动转录的位点从而启动转录，这种方式被称为，这种方式被称为基因重排基因重排。通通过过基基因因重重排排调调节节基基因因活活性性的的典典型型例例子子是是免免疫疫球蛋白结构基因的表达球蛋白结构基因的表达。免免疫疫球球蛋蛋白
11、白由由B-淋淋巴巴细细胞胞合合成成，其其肽肽链链主主要要由由可可变变区区（V区区）、恒恒定定区区（C区区）以以及及两两者者之之间间的的连接区（连接区（J区）组成。区）组成。人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数量比较的数量比较所所有有Ig分分子子都都含含有有两两类类轻轻链链中中的的一一类类，即即型型或或型。型。V、C和和J基基因因片片段段在在胚胚胎胎细细胞胞中中相相隔隔较较远远。编编码码产产生生免免疫疫球球蛋蛋白白的的细细胞胞发发育育分分化化时时，通通过过染染色色体体内内DNA重重组组把把4个个相相隔隔较较远远的的基基因因片片段段连连接接在在一一起起，从从而产
12、生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。四、四、DNA的甲基化与基因活性调控的甲基化与基因活性调控 DNA甲甲基基化化是是最最早早发发现现的的修修饰饰途途径径之之一一，存存在在于于所所有有高高等等生生物物中中。DNA甲甲基基化化能能关关闭闭某某些些基基因因的的活性，而活性，而去甲基化则诱导去甲基化则诱导了基因的重新活化与表达。了基因的重新活化与表达。DNA甲甲基基化化能能引引起起染染色色质质结结构构、DNA构构象象、DNA稳稳定定性性及及DNA与与蛋蛋白白质质相相互互作作用用方方式式的的改改变变，从而控制基因表达。从而控制基因表达。1DNA甲基化的主要形式甲基化
13、的主要形式 DNA甲甲基基化化主主要要形形成成5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶（5-mC）和和少少量量的的 N6-甲甲 基基 腺腺 嘌嘌 呤呤（N6-mA）及及7-甲甲基基鸟鸟嘌嘌呤呤（7-mG）。）。真真核核生生物物中中，5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶主主要要出出现现在在CpG、CpXpG、CCA/TGG和和GATC中中。其其中中，CpG二二核核苷苷酸酸通通常常成成串串出出现现在在DNA上上，因因而而被被称称为为CpG岛岛（CpG island）。它它们们大大多多位位于于结结构构基基因因启启动动子子的的核核心心序序列列和和转转录录起起始始点点，其其中中有有6090%的的CpG 被甲基化，被甲基化，。2、真
14、核生物甲基化酶的分类、真核生物甲基化酶的分类真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：u日日常常型型（maintenance）甲甲基基转转移移酶酶：在在甲甲基基化化母母链链指指导导下下可可使使半半甲甲基基化化的的DNA甲甲基基化化。例例如如:DNA复复制之后新链的甲基化。制之后新链的甲基化。u从从头头合合成成（de novo synthesis）甲甲基基转转移移酶酶：催催化化未未甲甲基基化化的的CpG成成为为mCpG，不不需需要要母母链链指指导导，但但速速度度很慢。很慢。日常型甲基转移酶引起的半甲基化日常型甲基转移酶引起的半甲基化DNA的甲基化的甲基化3、甲基化抑
15、制基因转录的机制、甲基化抑制基因转录的机制uDNA甲甲基基化化会会导导致致某某些些区区域域DNA构构象象改改变变，使使染染色色质质高高度度螺螺旋旋化化,凝凝缩缩成成团团,直直接接影影响响了了转转录录因因子子与与启启动子区动子区DNA的结合效率的结合效率。uDNA的的甲甲基基化化不不利利于于模模板板与与RNA聚聚合合酶酶的的结结合合，从从而而降低转录活性降低转录活性。u甲甲基基化化的的CpG可可以以通通过过与与甲甲基基化化CpG结结合合蛋蛋白白1（Methyl CpG-binding protein1,MeCP1）的的结结合合间接间接影响转录因子与影响转录因子与DNA的结合的结合。甲基化对基因转
16、录的影响甲基化对基因转录的影响4、DNA甲基化程度与转录启动子的关系甲基化程度与转录启动子的关系 对对弱弱启启动动子子来来说说，少少量量甲甲基基化化就就能能使使其其完完全全失失去去转转录录活活性性。当当这这类类启启动动子子被被增增强强时时，即即使使不不去去甲甲基基化化也也可可以以恢恢复复其其转转录录活活性性。甲甲基基化化密密度度较较高高时时，即使增强后的启动子仍无转录活性。即使增强后的启动子仍无转录活性。甲甲基基化化对对转转录录的的抑抑制制强强度度与与甲甲基基化化CpG结结合合蛋蛋白白因因子子MeCP1结结合合DNA的的能能力力成成正正相相关关，甲甲基基化化的的密密度度和和启启动动子子强强度度
17、之之间间的的平平衡衡决决定定了了该该启启动动子子是是否否具具有转录活性有转录活性。甲基化对基因转录影响模式图甲基化对基因转录影响模式图5、DNA甲基化对基因表达的其他影响甲基化对基因表达的其他影响 DNA甲甲基基化化通通过过对对基基因因转转录录的的抑抑制制，可可直直接接参参与与细细胞胞分分化化和和个个体体发发育育。随随着着细细胞胞的的分分化化和和个个体体发发育育，当当需需要要某某些些基基因因保保持持“沉沉默默”时时，它它们们将将迅迅速速被被甲甲基基化化，若若需要恢复转录活性，则去甲基化。需要恢复转录活性，则去甲基化。DNA 去甲基化有两种方式去甲基化有两种方式:u被被动动途途径径:一一种种核核
18、因因子子可可以以粘粘附附于于上上DNA,使使粘粘附附点点附附近近的的DNA不不能能被被完完全全甲甲基基化化,从从而而阻阻断断甲甲基基化化酶酶的作用。的作用。u主主动动途途径径:是是由由去去甲甲基基酶酶的的作作用用,将将DNA的的甲甲基基基基团移去。团移去。五、染色质结构与基因表达调控五、染色质结构与基因表达调控1、染色质结构对基因转录的影响、染色质结构对基因转录的影响 在在细细胞胞分分裂裂间间期期的的染染色色质质的的形形态态不不均均匀匀，根根据据其其形形态态及及染色特点可分为染色特点可分为2类：类：常染色质常染色质：呈疏松的环状，：呈疏松的环状，电镜下表现为浅染；电镜下表现为浅染；异染色质：异
19、染色质：呈现凝缩状态，呈现凝缩状态，电镜下表现为深染。电镜下表现为深染。转转录录发发生生时时，染染色色质质需需要要在在特特定定的的区区域域解解旋旋或或松松弛弛，导导致致基基因因暴暴露露，转转录录因因子子与与启启动动子子区区DNA结结合合，起起始始基基因转录。因转录。因因此此，染染色色质质呈呈疏疏松松或或紧紧密密结结构构，即即是是否否处处于于“活活化化状状态态”是是决决定定RNA聚聚合合酶酶能能否否有有效效行行使使转转录录功功能能的的关关键。键。2、组蛋白和核小体对基因转录的影响、组蛋白和核小体对基因转录的影响u组组蛋蛋白白扮扮演演了了非非特特异异性性阻阻遏遏蛋蛋白白的的作作用用。组组蛋蛋白白与
20、与DNA结结合合阻阻止止DNA上上基基因因的的转转录录，去去除除组组蛋白基因又能够恢复转录蛋白基因又能够恢复转录;u核核小小体体结结构构影影响响基基因因转转录录，转转录录活活跃跃的的区区域域也也常缺乏核小体的结构。常缺乏核小体的结构。第三节第三节 转录水平的基因表达调控转录水平的基因表达调控（Transcriptional Regulation）真真核核基基因因表表达达调调控控主主要要也也是是在在转转录录水水平平上上进进行行的的，受受大大量量特特定定的的顺顺式式作作用用元元件件（cis-acting element）和和反反式式作作用用因因子子（trans-acting factor）的调控。
21、的调控。真真核核生生物物的的转转录录调调控控大大多多数数是是通通过过顺顺式式作作用用元件和反式作用因子元件和反式作用因子复杂的相互作用复杂的相互作用来实现的。来实现的。引引 言言一、真核生物的顺式作用元件一、真核生物的顺式作用元件定定义义：指指对对基基因因表表达达有有调调节节活活性性的的DNA序序列列，其其活活性性只影响与其自身同处在一个只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。分子上的基因。例如例如：启动子、增强子、沉默子等启动子、增强子、沉默子等1、启动子、启动子定定义义：在在DNA分分子子中中，RNA聚聚合合酶酶能能够够识识别别、结合并导致转录起始的序列。结合并导致转录起始的序列。核心
22、启动子和上游启动子元件（核心启动子和上游启动子元件（类）类）2、增强子、增强子（Enhancer）定定义义：指指能能使使与与它它连连锁锁的的基基因因转转录录频频率率明明显显增增加加的的DNA序列序列。作作为为基基因因表表达达的的重重要要调调节节元元件件，增增强强子子通通常常具有下列性质：具有下列性质：增增强强效效应应十十分分明明显显，一一般般能能使使基基因因转转录录频频率率增增加加10-200倍；倍；增增强强效效应应与与其其位位置置和和取取向向无无关关。不不论论增增强强子子以以什什么么方方向向排排列列（53或或35），甚甚至至和和靶靶基基因因相相距距3 kb，或或在在靶靶基基因因下下游游，均均
23、表表现现出出增增强效应；强效应；大大多多为为重重复复序序列列，一一般般长长约约50 bp，其其内内部部常常含含有有一一个个核核心心序序列列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该该序序列列是是产产生生增强效应时所必需的；增强效应时所必需的；增增强强效效应应有有严严密密的的组组织织和和细细胞胞特特异异性性，说说明明增增强强子子只只有有与与特特定定的的蛋蛋白白质质（转转录录因因子子）相相互互作作用才能发挥其功能；用才能发挥其功能；没没有有基基因因专专一一性性，可可以以在在不不同同的的基基因因组组合合上上表表现增强效应；现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控，许多增强子还受外部信号的调控，如如：
24、金金属属硫硫蛋蛋白白的的基基因因启启动动区区上上游游所所带带的的增增强强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子的作用原理是什么呢？增强子的作用原理是什么呢？增强子可能有如下增强子可能有如下3种作用种作用机制：机制：影影响响模模板板附附近近的的DNA双双螺螺旋旋结结构构，导导致致DNA双双螺螺旋旋弯弯折折或或在在反反式式因因子子的的参参与与下下，以以蛋蛋白白质质之之间间的的相相互互作作用用为为媒媒介介形形成成增增强强子子与与启启动动子子之之间间“成成环环”连连接接，活活化化基基因因转录；转录；将将模模板板固固定定在在细细胞胞核核内内特特定定位位置置
25、，如如连连接接在在核核基基质质上上，有有利利于于DNA拓拓扑扑异异构构酶酶改改变变DNA双双螺螺旋旋结结构构的张力，的张力，促进促进RNA聚合酶在聚合酶在DNA链上的结合和滑动链上的结合和滑动；增增强强子子区区可可以以作作为为反反式式作作用用因因子子或或RNA聚聚合合酶酶进进入染色质结构的入染色质结构的“入口入口”。3、沉默子（、沉默子（Silencer）为为负负性性调调节节元元件件，当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，对对基基因因转转录录起起阻阻遏遏作作用用。最最早早在在酵酵母母中中发发现现，可可不不受受序序列列方方向向的的影影响响，也也能能远远距距离离发发挥挥作用。作用。4、应答
26、元件（应答元件（Response Element）能能与与某某个个（类类）专专一一蛋蛋白白因因子子结结合合，从从而而控控制制基基因因特特异异表表达达的的DNA上上游游序序列列称称为为应应答答元元件件（Response Element）。含含有有短短的的共共有有序序列列；在在不不同同基基因因中中，拷拷贝贝相相似似，有有时时有有多多个个拷拷贝贝；与与转转录录起起点点距距离离不不固固定定，一一般般位位于于上上游游元件或增强子内；元件或增强子内；u热激应答元件热激应答元件（heatshock response element，HSE）u糖皮质应答元件糖皮质应答元件（glucocorticoid res
27、ponse element，GRE）u金属应答元件金属应答元件（metal response element，MRE)常见的应答元件有：常见的应答元件有：二、真核生物的反式作用因子二、真核生物的反式作用因子 反反式式作作用用因因子子是是参参与与转转录录调调控控的的蛋蛋白白因因子子，能能直直接接地地或或间间接接地地识识别别或或结结合合在在各各类类顺顺式式作作用用元元件件上上，与与顺顺式式作作用用元元件件一一起起对对转转录录起起调调控控作作用用。通通过过蛋蛋白白质质-DNA，蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用是是其其发挥功能的基础。发挥功能的基础。1、反式作用因子的分类、反式作用因子的分类
28、（1）通通用用反反式式作作用用因因子子：在在一一般般细细胞胞中中普普遍遍存存在在，主主要要识识别别启启动动子子的的核核心心成成分分。如如识识别别TATA框框的的TBP；识别识别GC框的框的SP1；识别八聚体核苷酸的；识别八聚体核苷酸的Oct-1等；等；（2）特特异异反反式式作作用用因因子子：存存在在于于特特殊殊组组织织与与细细胞胞中中的的反反式作用因子。如：淋巴细胞中的式作用因子。如：淋巴细胞中的Oct-2；（3）诱诱导导型型因因子子：与与应应答答元元件件相相结结合合的的反反式式作作用用因因子子。如如：与与激激素素应应答答元元件件GRE结结合合的的糖糖皮皮质质激激素素；与与热热激应答元件特异性
29、结合的热激因子（激应答元件特异性结合的热激因子（HSF）等。）等。2、反式作用因子中的功能结构域、反式作用因子中的功能结构域3个主要的功能结构域：个主要的功能结构域：（1）DNA识别结合域（识别结合域（DNA-binding domain）与与顺顺式式作作用用元元件件结结合合的的结结构构区区域域，主主要要起起与与DNA结合的作用。结合的作用。（2）转录活化结构域）转录活化结构域(transcriptional activation domain）与与其其他他蛋蛋白白因因子子结结合合，参参与与募募集集启启动动子子结结合合蛋蛋白白和转录起始复合体，控制基因转录活化的结构区域。和转录起始复合体，控制
30、基因转录活化的结构区域。（3）联结区域（）联结区域（connector）反反式式作作用用因因子子的的“DNA结结合合域域”和和“活活化化结结构构域域”是是独独立立发发挥挥作作用用的的。DNA结结合合域域的的功功能能是是把把活活化化结结构构域域“拴拴在在”起起始始复复合合体体附附近近，使使之之能能够够发发挥挥活活化化转转录录的的作作用用。DNA结结合合域域和和活活化化结结构构域域之之间间的的“联联结结区区域域”是是具具有有足足够够柔柔性性的的，这这样样无无论论DNA结结合合域域所所结结合合的的具具体体位位点点在哪里，都能使活化结构域找到其靶蛋白。在哪里，都能使活化结构域找到其靶蛋白。3、反式作用
31、因子中的、反式作用因子中的DNA识别结合域识别结合域 反反式式作作用用因因子子是是能能直直接接或或间间接接地地识识别别或或结结合合在在各各类类顺顺式式作作用用元元件件上上，参参与与调调控控靶靶基基因因转转录录效效率的蛋白质。率的蛋白质。u螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）u锌指（锌指（Zinc finger）结构结构u碱性碱性-亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic-Leucine zippers）u碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic-helix-loop-helix）螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(H-T-H)结构结构 该该结结构构域域主主
32、要要包包含含两两个个或或以以上上-螺螺旋旋区区和和螺螺旋旋区区中中间间的的转转折折区区。主主要要通通过过一一个个靠靠C端端的的-螺螺旋旋与与DNA双螺旋大沟结合。双螺旋大沟结合。锌指（锌指（Zinc finger）结构）结构 是是一一种种常常出出现现在在DNA结结合合蛋蛋白白中中的的结结构构。是是由由一一个个含含有有大大约约30个个氨氨基基酸酸的的环环和和一一个个与与环环上上的的4个个Cys或或2个个Cys与与2个个His配配位位的的Zn构构成成，形形成成的的结结构构像像手指状手指状。Cys2/Cys2锌指锌指Cys2/His2锌指锌指甾体激素受体甾体激素受体SP1，TF A具有具有Cys2/
33、Cys2锌指区的转录因子锌指区的转录因子典型的类固醇激素受体结构示意图典型的类固醇激素受体结构示意图一些具有一些具有Cys2/His2锌指区锌指区的的转录因子和蛋白质转录因子和蛋白质转录因子转录因子SP1（GC盒）盒）、连续的、连续的3个锌指重复结构。个锌指重复结构。TF III A结构域示意图结构域示意图碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链 -螺螺旋旋结结构构上上每每6个个氨氨基基酸酸就就有有1个个亮亮氨氨酸酸残残基基，这这些些亮亮氨氨酸酸出出现现在在-螺螺旋旋的的一一个个方方向向，每每两两个个蛋蛋白白组组成成一一个个二二聚聚体体，使使亮亮氨氨酸酸相相对对排排列列，形形成成拉链样结构拉链样结构；在
34、在拉拉链链区区的的氨氨基基端端有有约约30个个氨氨基基酸酸残残基基的的碱碱性性区区(富富含含赖赖氨氨酸酸和和精精氨氨酸酸)。此此区区的的作作用用是是与与DNA结结合合，它它也也形形成成-螺旋。螺旋。不同转录因子的亮氨酸拉链结构氨基酸组成图不同转录因子的亮氨酸拉链结构氨基酸组成图碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（bHLH）蛋蛋白白质质的的C端端的的氨氨基基酸酸残残基基形形成成两两个个-螺螺旋旋，中中间间被被非非螺螺旋旋的的环环状状结结构构隔隔开开，蛋蛋白白质质的的N端端是是碱碱性性区区，为，为DNA结合区。结合区。碱碱性性-螺螺旋旋-环环-螺螺旋旋类类蛋蛋白白通通常常也也是是组组成成二二聚聚
35、体体的的形形式式，这这才才具具有有结结合合DNA的能力。的能力。二聚体二聚体bHLH蛋白与蛋白与DNA结合模式图结合模式图4、常见的转录活化结构域、常见的转录活化结构域u酸性酸性-螺旋结构域（螺旋结构域（acidic helix domain）u富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（glutamine-rich domain）u富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（proline-rich domain）一般是一般是DNA结合结构域以外的结合结构域以外的30-100氨基酸氨基酸残基组成，主要包括以下几种特征性结构：残基组成，主要包括以下几种特征性结构：（1）酸性）酸性-螺旋螺旋(acidic-
36、helix)/带负电荷的螺旋结构带负电荷的螺旋结构 该该结结构构域域含含有有由由酸酸性性氨氨基基酸酸残残基基组组成成的的保保守守序序列列，多多呈呈带带负负电电荷荷的的亲亲脂脂性性-螺螺旋旋。包包含含这这种种结结构构域域的的转转录录因因子子有有GAL4、GCN4和糖皮质激素受体等。和糖皮质激素受体等。（2）谷氨酰胺丰富区（谷氨酰胺丰富区（glutamine-rich domain）SP1是是启启动动子子GC盒盒的的结结合合蛋蛋白白，共共有有4个个参参与与转转录录活活化化的的区区域域，其其中中最最强强的的转转录录活活化化域域含含25%左左右右的的谷谷氨氨酰酰胺胺。酵酵母母的的HAP1、HAP2和和
37、GAL2及及哺哺乳乳动动物物的的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和和SRF也含有这种结构域。也含有这种结构域。（3）脯氨酸丰富区（）脯氨酸丰富区（proline-rich domain）CTF家家族族（包包括括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的的C末末端端与与其其转转录录激激活活功功能能有有关关，含含有有20-30%的的脯脯氨氨酸酸残残基基，其其它它如如Oct2、哺哺乳动物转录因子中也富含这种结构。乳动物转录因子中也富含这种结构。几种常见的转录活化结构域几种常见的转录活化结构域三、真核基因转录调控的模式三、真核基因转录调控的模式 细细胞胞是是生生命命活活动动的的基基本本单单位位。细细
38、胞胞通通过过DNA的的复复制制和和细细胞胞分分裂裂将将本本身身所所固固有有的的遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传至至子子代代，实实现现增增殖殖繁繁衍衍。同同时时，它它们们还还不不断断地地“感感知知”环环境境变变化化，并并对对环环境境变化作出特定的应答。变化作出特定的应答。细胞应答可以分为细胞应答可以分为3个阶段：个阶段：感知外界信息（信息由细胞膜至核内）感知外界信息（信息由细胞膜至核内）染色质结构的改变，相应转录因子的活化染色质结构的改变，相应转录因子的活化 特定基因的表达过程特定基因的表达过程问题问题1：信号是如何顺利通过细胞膜和核膜的阻隔到达信号是如何顺利通过细胞膜和核膜的阻隔到达核内，从而
39、影响基因表达的特定区域？核内，从而影响基因表达的特定区域？目目前前认认为为，细细胞胞表表面面受受体体与与配配体体分分子子的的高高亲亲和和力力特特异异性性结结合合，能能诱诱导导受受体体蛋蛋白白构构象象变变化化，使使细细胞胞胞外信号顺利通过质膜进入细胞内。胞外信号顺利通过质膜进入细胞内。受体受体（Receptor）：）：是是细细胞胞膜膜上上或或细细胞胞内内能能特特别别识识别别生生物物活活性性分分子子并并与与之之结结合合的的成成分分。它它能能把把识识别别和和接接受受的的信信号号正正确确无无误误地地放放大大并并传传递递到到细细胞胞内内部部，进进而而引引起起生生物物学学效效应应的的特特殊殊蛋蛋白质，个别
40、是糖脂。白质，个别是糖脂。能与受体呈专一性结合的生物活性分子则称为配体。能与受体呈专一性结合的生物活性分子则称为配体。配体（配体（Ligand）：）：真核细胞主要跨膜信号传导途径真核细胞主要跨膜信号传导途径细胞表面的三细胞表面的三类受体示意图类受体示意图 胞胞外外信信号号通通过过细细胞胞膜膜和和核核膜膜的的阻阻隔隔到到达达核核内内后后，反反式式作作用用因因子子被被活活化化而而特特异异性性的的结结合合到到特特定定DNA序序列列（顺顺式式作作用用元元件件）上上。同同时时，通通过过自自身身具具有有的的转转录录活活化化结结构构域域活活化化其其他他相相关关因因子子，从从而而发挥转录调控作用。发挥转录调控
41、作用。问题问题2：反式作用因子是如何被活化呢？反式作用因子是如何被活化呢？真核生物反式作真核生物反式作用因子活性调节用因子活性调节的主要方式的主要方式1、蛋白质磷酸化介导的信号传导及基因转录的调控、蛋白质磷酸化介导的信号传导及基因转录的调控2、蛋白质乙酰化对基因转录的影响、蛋白质乙酰化对基因转录的影响3、激素对基因转录的影响、激素对基因转录的影响4、热激蛋白对基因表达的影响、热激蛋白对基因表达的影响5、金属硫蛋白基因的多重调控、金属硫蛋白基因的多重调控转录调控实例：转录调控实例：第四节第四节 其他水平上的调控其他水平上的调控（Gene Regulation on the other level
42、s）在在真真核核生生物物基基因因表表达达的的调调控控中中，DNA水水平平和和转转录录水水平平上上的的调调控控占占有有十十分分重重要要的的地地位位，但但其其他他水水平平上上的的调调控控也也不不能能忽忽视视。这这些些调调控控包包括括：RNA的的加加工工成成熟熟、翻翻译译水水平平的的调调控控以以及及翻译后水平的调节翻译后水平的调节等多个环节的调控。等多个环节的调控。引引 言言一、转录后加工的多样性一、转录后加工的多样性 真真核核生生物物的的基基因因可可以以按按其其转转录录后后的的加加工工方方式分为两大类：式分为两大类：简单转录单位简单转录单位和和复杂转录单位复杂转录单位。1、简简单单转转录录单单位位
43、：这这类类基基因因只只编编码码产产生生一一个个多多肽肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。第第一一种种简简单单转转录录单单位位：基基因因没没有有内内含含子子，mRNA 3末末端端没没有有ploy(A)，基基本本不不存存在在转转录录后后加加工工问问题题。如：组蛋白基因。如：组蛋白基因。第第二二种种简简单单转转录录单单位位：基基因因没没有有内内含含子子，mRNA不不需需要要剪剪接接，但但需需要要加加ploy(A)。如如：-干干扰扰素素和和许许多多酵母蛋白质基因。酵母蛋白质基因。第第三三种种简简单单转转录录单单位位：这这类类基基因因都都有有内
44、内含含子子，也也需需要要加加ploy(A)，但但加加工工剪剪接接后后只只产产生生一一种种有有功功能能的的mRNA，所所以以仍仍然然是是简简单单转转录录单单位位。如如：大大多多数数核核基因。基因。简单转录单位又可以分为简单转录单位又可以分为3个亚类个亚类：简单转录单位转录后加工的简单转录单位转录后加工的3 3种主要形式种主要形式组组成成型型剪剪接接:一一个个基基因因的的mRNA前前体体按按一一种种方方式式剪剪接，产生一种接，产生一种mRNA，翻译成一种蛋白质。，翻译成一种蛋白质。2、复复杂杂转转录录单单位位：其其原原始始转转录录产产物物能能通通过过多多种种不不同同方方式式，加加工工成成两两种种或
45、或两两种种以以上上的的mRNA。主主要要是是一一些些编编码码组组织织和和发发育育特特异异性性蛋白质蛋白质/多肽的基因。多肽的基因。（1）利用）利用多个多个5端转录起始位点端转录起始位点产生不同的蛋白质产生不同的蛋白质（2）选用）选用不同的剪接位点不同的剪接位点产生不同的蛋白质产生不同的蛋白质可可变变剪剪接接（选选择择性性剪剪接接，alternative splicing）：有有些些基基因因的的mRNA前前体体，按按不不同同方方式式剪剪接接，产产生生两两种种以以上上mRNA，翻翻译译产产生生多多种种蛋蛋白白质质。其其实实质质是是5供体与供体与3受体剪接点的选择搭配问题。受体剪接点的选择搭配问题。
46、大大鼠鼠肌肌钙钙蛋蛋白白（Torponin）基基因因在在不不同同的的发发育育阶阶段段以以及及在在不不同同横横纺纺肌肌种种类中，由于不同的选择性剪接产生不同的肌钙蛋白类中，由于不同的选择性剪接产生不同的肌钙蛋白。（3）既既利利用用多多个个5端端转转录录起起始始位位点点，又又选选用用不不同同的的剪接位点剪接位点，产生不同的蛋白质。，产生不同的蛋白质。（4）利利用用多多个个ploy(A)位位点点和和不不同同的的剪剪接接位位点点，产产生生不同的蛋质。不同的蛋质。（5）无无剪剪接接，有有多多个个转转录录起起始始位位点点和和/或或加加poly(A)位点位点的基因。的基因。例例如如：二二氢氢叶叶酸酸还还原原
47、酶酶基基因因和和酵酵母母乙乙醇醇脱脱氢氢酶酶基基因因都都具具有有不不同同的的5端端和和ploy(A)位位点点。大大鼠鼠-2-珠珠蛋蛋白白基基因因、鸡鸡波波形形蛋蛋白白基基因因和和人人N-ras基基因因均均含含有有多多个个ploy(A)位位点点，而而鸡鸡溶溶菌菌酶酶基基因因和和酵酵母母蔗蔗糖糖酶酶基基因因则则拥有多个拥有多个5端端。二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控1、mRNA运输控制运输控制2、mRNA稳定性的调控稳定性的调控3、mRNA结构结构4、翻译的起始调节、翻译的起始调节5、选择性翻译、选择性翻译 6、翻译的自我调节、翻译的自我调节1、mRNA运输控制运输控制 一一般般来来说说，合合
48、成成的的mRNA只只有有大大约约1/12能能被被转转运运出出核核进进入入细细胞胞质质，50左左右右的的在在核核内内降降解解，还有一些留在核内。还有一些留在核内。换换句句话话说说，真真核核生生物物可可以以对对从从细细胞胞核核转转运运到到细细胞胞质质中中的的转转录录产产物物数数量量进进行行调调节节，这这种种调调节节方式被称为方式被称为运输控制（运输控制（Transport Control）。2、mRNA的稳定性与基因表达调控的稳定性与基因表达调控 真真核核生生物物能能否否长长时时间间、及及时时利利用用成成熟熟的的mRNA分分子子翻翻译译出出蛋蛋白白质质以以供供生生长长、发发育育的的需需要要，是是与
49、与mRNA的稳定性密切相关的。的稳定性密切相关的。高高等等真真核核生生物物细细胞胞质质中中所所有有的的RNA都都要要受受到到降降解解控控制制（Degradation Control），不不同同mRNA降降解解效效率率不不同同。mRNA的的选选择择性性降降解解主主要要由由于于核核酸酸酶酶和和mRNA内内部部结结构构相相互互作作用用的的结结果果。有有时时，加加入入调调节节物物可以增加可以增加mRNA稳定性。稳定性。不不加加入入催催乳乳素素时时，体体系系中中的的酪酪蛋蛋白白mRNA在在1-2小小时时内内降降解解50%；而而加加入入催催乳乳素素40小小时时后后，酪酪蛋蛋白白mRNA才降解才降解50%。
50、例子例子1：催乳素延缓酪蛋白（催乳素延缓酪蛋白（casein）mRNA的降解的降解例子例子2：人铁蛋白及转运铁蛋白受体人铁蛋白及转运铁蛋白受体mRNA翻译调控翻译调控 转转铁铁蛋蛋白白受受体体（TfR）和和铁铁蛋蛋白白分分别别负负责责铁铁吸吸收收和和铁铁解解毒毒。这这两两个个mRNA上上存存在在铁铁应应答答元元件件（Iron response element,IRE）。IRE与与IRE结结合合蛋蛋白白（IRE-BP）相相互互作作用用控控制制了了这这两两个个mRNA的的翻译效率。翻译效率。当当细细胞胞缺缺铁铁时时，IRE-BP与与IRE具具有有高高亲亲和和力力。IRE-BP与与铁铁蛋蛋白白mRN