第八章 真核生物基因表达调控

真核生物转录的起始是基因表达调控最主 要的步骤。真核生物基因的表达能在几个 连续步骤中的任一步以基因特有（gene specific）的方式受到调控。 真核生物体内各种细胞表型的差异主要是 编码蛋白质的基因的表达不同引起的。


真核生物基因表达调控的主要 控制点
1. 基因结构的激活（转录前调控） 细胞中处于“活化”状态的基因才得到 表达，变成“活化”结构是基因表达的 第一步。核心组蛋白N末端乙酰化修饰 与基因表达调控有关。

转录因子与组蛋白的臵换需要输入能量
六、基因表达与DNA甲基化的关系

DNA的甲基化也是真核生物转录调控的 方式之一。启动子区DNA的甲基化将抑 制转录的发生。 甲基化可以在两个等位基因上发生。也 可只发生在单个的等位基因上，这样就 可造成来自父方和母方基因表达的差异。
甲基化可以解释印记（imprinting)现象， 印记描述了来自两个亲本的等位基因之 间的行为差异。 甲基化发生在在特定的配子发生期间， 并且是可逆的。目前已经在小鼠中发现 了60多个发生甲基化的基因，大多与胚 胎的发育生长有关。其中一些基因与早 期胚胎发生相关，有的与胚后发育有关。


通用转录因子SP1有一个DNA结合域， 含3个锌指基序。

已知的锌指结构主要发现于促进RNA聚 合酶II和RNA聚合酶III转录的转录因子中。 通用转录因子TFⅡA是典型的锌指蛋白。

螺旋-环-螺旋结构

此基序长40－50个氨基酸残基，其中含两 个既亲水又亲脂的α- 螺旋 ，α-螺旋被不同 长度的环（连接区）分开。 大多数HLH蛋白有一与HLH基序相邻的强 碱性的区域，它是与DNA结合必需的，含 有此区的HLH称为bHLH蛋白。

Nanos mRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中， 定位于卵细胞的后极。
四种形态发生素在 果蝇受精卵和胚胎 中沿前后轴分布的 浓度变化。
母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立
II 真核生物转录水平上的调控
真核生物转录水平上的调控
基因转录的顺式调控元件 通用调控中的调控效应元件

父本和母本染色体上等位基因基因表达的差 异—印记现象（imprinting）

DNA的甲基化发生在特定位点上。动物细 胞DNA的胞嘧啶2％－7％发生甲基化。大 多数甲基化基因发生于CG联体。 甲基化基因没有激活，而未甲基化基因有 表达活性。因此有活性基因称为甲基化不 足（undermethylation)基因。
第八章 真核生物基因表达调控
I II III IV 真核生物基因表达调控概述 真核生物转录水平的调控 真核生物转录后加工的调控 真核生物翻译水平的调控
I 真核生物基因表达调控概述
真核生物和原核生物在基因表达 调控上的不同：
1. 真核生物的转录激活总是伴随着转录区 染色质结构的变化。 2. 基因表达调控一般以正调控为主。 3. 转录和翻译在时间和空间上是分离的。

可变剪接可因mRNA前体的外显子或内 含子DNA序列中发生突变、缺失，影响5’ 或3’剪接点的数目和位臵。 与mRNA前体中内含子剪接点结合的各 种snRNP中，snRNA或蛋白质的异常会 造成剪接效率的大大降低。


有些基因常不止一个转录起始位点，在 不同的组织或不同的发育阶段由同一个 基因转录出不同的mRNA前体，以不同 的剪接方式产生有活性的蛋白质。
（二）增强子
增强子（enhancer）最早是在SV40病毒 中发现的一段长约200bp的DNA片段，可 使旁侧基因的转录效率提高100倍。以后 在多种真核生物甚至是原核生物都发现 了增强子。 增强子是真核细胞中通过启动子来提高 转录效率的一种远端的顺式调控元件。


增强子相对于启动子的位臵不固定。有 效的增强子可以位于基因的5’端，也可 位于3’端，还可 位于内含子区。 增强子和启动子一样由多种组件构成， 其基本的核心元件常由8～12bp组成，可 以有完整的或部分的回文结构，以单拷 贝或多拷贝串联的形式存在。

“活化基因”与核心组蛋白乙酰化的增强有密 切关系。普遍认为，其N端尾链的正电荷性很 可能与转录因子发生竞争，夺取DNA磷酸骨
架的负电荷性，因此特定赖氨酸残基的乙 酰化大大降低了组蛋白-DNA的相互作用，把 染色体从抑制状态下释放出来，激活转录。 因此，对核心组蛋白乙酰化的调节，是基因 调控的一个控制点 。

一、基因转录的顺式调控元件

真核基因的顺式作用元件按照功能可以 分为启动子、增强子以及沉默基因。
（一） 启动子

RNA聚合酶Ⅱ的启动子有含有TATA框的 典型启动子和不含TATA框的非典型启动 子两种。
1．含有TATA框的典型启动子

TATA框是核心启动子中有效的定位成分， 也是上游启动子和增强子产生诱导效应 所必需的。 淀粉酶基因有串联着的两个TATA框， 在唾液腺和肝脏中分别选择转录效率不 同的两个转录起始点。

五、基因激活的占先模型
真核生物细胞的DNA与组蛋白组成核小体结 构，如果启动子区处在核小体内，转录的起 始通常会被抑制。 基因激活占先模型模型认为，转录因子与组 蛋白之间在占有DNA上存在竞争，且无论谁 先占领DNA上的位点，在一个细胞周期内都 不能被另一方替换。

基因激活占先模型的一个重要特点是转 录因子和组蛋白两者谁首先与控制位点 结合是一个基因能否转录的决定的因素。 复制时组蛋白八聚体的脱离为转录因子 结合DNA提供了机会，这些转录因子的 结合一直持续到下一个复制周期，抑制 了组蛋白八聚体的重新与DNA结合。
2．非典型的启动子
非典型的启动子有的富含GC框，有的则 没有GC框。

富含GC的非典型启动子的转录 含有这类启动子结构的基因的转录起始 是不规则的，并且只有基础水平表达。 持家基因（housekeeping gene）多以这种 转录方式。
无TATA框、GC框的基因转录
这类基因启动子上没有TATA框，却在转 录起始点附近处形成起始子（initiator， Inr） 。这种元件的保守序列为 PyPyANT/APyPy。RNA聚合酶Ⅱ在这些 基因上的转录起始于一个或数个紧密成 簇的起始元件－转录起始子的A位上。

增强子与启动子
碱基突变可以鉴定增强子的核心序列
1. 增强子的特性：
增强子能提高同一条DNA链上相邻启动 子转录的效率和速率。 增强子对同源或异源基因同样有效。 增强子的位臵可在基因5’上游、基因内 或基因的3’下游序列中。 增强子在DNA双链中没有5’与3’固定的 方向性，将增强子倒臵依然有效。

增强子可以远离转录起始点，通常在 1～4 kb。 增强子一般有组织或细胞特异性。 增强子的活性与其在DNA双螺旋结构 中的空间方向性有关。 增强子必需有启动子才可以发挥作用。

二、通用调控中的调控效应元件
受共同控制的一组基因经常共用一个被 转录调控因子识别的启动子元件。 能够使基因应答此类因子的元件被称为 效应元件（response element）。如热激 效应元件和糖皮质激素效应元件等。


甲基化是一个可逆的过程，去除甲基或添 加甲基，可以特异性地重臵基因的甲基化 状态。甲基化模式的改变发生在胚胎发生 时期。目前只确定了一种甲基酶可以将甲 基添加到CpG对上。

适当的靶基因甲基化可以防止它们的不适 当表达。

染色质重组装是指染色质或核小体的结 构、成分变化，这些变化具有转录调控 作用。在染色质重组装过程中，连接组 蛋白H1成分的时序变化以及核心组蛋白 的乙酰化，都对早期发育过程的转录调 控起了关键性的作用。染色质重组装控 制着早期转录抑制状态向激活状态的转 变，是母型基因控制向合子型基因控制 过渡（即所谓“中期囊胚转换 (midblastula transition, MBT）的重要途径。

亮氨酸拉链结构
亮氨酸拉链是一个富含亮氨酸残基的结 构域，参与形成二聚体。在每个拉链蛋 白中都有一个与重复的亮氨酸相邻的高 碱性区，该区可能含一个DNA结合点。 亮氨酸拉链形成的二聚体构成茎，分叉 对称的两个碱性区形成臂，与DNA结合。 这种结构称为bZIP基序。

亮氨酸拉链结构
四、同源（异型）框（homeobox)
同源（异型）框（homeobox)是一种编码由60 个氨基酸组成的结构域序列。由于最早在果 蝇的同源框基因座（其基因决定身体结构的 特点）中发现而得名。 同源（异型）框存在于许多真核生物的DNA 结合蛋白中，负责与DNA结合，与发育调控 有关。在一些动物的转录因子中也发现了与 同源框类似的短序列。

效应元件具有与启动子上游元件或增强 子相同的特点。它们含有短的保守序列， 单个效应元件就可以受调控因子的调控。 效应元件可能位于启动子内，也可能位 于增强子内，但都能独立激活基因表达。

三、DNA结合基序

对各种转录因子的序列进行比较，可发 现其基序（motif）的共同点是都与DNA 结合。 基序通常很短，仅为蛋白质结构的一小 部分。
3 RNA编辑
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RNA编辑（RNA editing）是在RNA分子 上出现的一种修饰现象。主要指mRNA 在转录后因插入、缺失或核苷酸的替换， 改变了DNA模板来源的遗传信息，从而 翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。 RNA编辑似乎是中心法则的例外。编辑 扩大了遗传信息，也可能是生物适应的 一种保护措施。
III 真核生物转录后加工的调控
1 mRNA前体的可变剪接

mRNA前体通过不同方式的剪接，可由 一个基因的转录产物产生出不同的成熟 mRNA，从而翻译出不同的蛋白质的过 程称为可变剪接（alternative splicing）或 选择性剪接，这一组相似的蛋白称为同 工型蛋白质（isoform） 。

典型的DNA结合基序包括：
锌指结构（zinc finger）基序 螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix, HLH) 亮氨酸拉链（leucine zipper)

锌指基序

锌指基序是由保守氨基酸的小基团与锌 离子结合形成类似手指状的DNA结合结 构域。 锌指基序是DNA结合蛋白的一个通用基 序，锌指结构通常由相对独立的结构域 串连重复排列在一起而形成。
2 反式剪接

剪接过程一般发生同一个RNA分子的内 部，即通过剪接将一个RNA分子内的内 含子剪掉，使外显子连接在一起，这种 剪接方式称为顺式剪接（cis-splicing）。

两种不同来源的RNA前体分子的内含子 之间具有互补序列时，也可以发生反式 剪接（trans-splicing）。

另一种形式的反式剪接是在成熟的 mRNA非翻译部分5’端剪接上一段称为 “剪接前导序列”或小外显子的RNA片 段。
DNA结合基序（motif）
结合相关靶DNA的同源域
基因激活的占先模型
基因表达与DNA甲基化的关系

真核生物绝大多数基因调控发生在转录 起始阶段，但由于基因表达的控制可发 生在多个阶段，因此RNA产物的产生并 不一定会形成蛋白质产物。 组织特异性基因表达调控是真核细胞分 化的核心。控制胚胎发育的转录因子大 多具有这方面的特点。
赖氨酸的乙 酰化或丝氨 酸的磷酸化 会降低核心 组蛋白的阳 性净电荷。
酵母HO基因的转录起始-1
转录激活物SWI5与转 录起始点上游1200-1400 碱基对区域的结合。
酵母HO基因的转录起始-2
SWI5与染色质重组装复合 物SWI/SNF的相互作用导致染色质的解凝聚，组蛋白尾巴暴露。
酵母HO基因的转录起始-3
GCN5与SWI5相互作用，并乙酰化组蛋白
酵母HO基因的转录起始-4
解聚和乙酰化过程的继续
酵母HO基因的转录起始-5
SWI5从DNA上释放，SWI/SNF继续保持在DNA上 激活物SBF与中介蛋白启动子区的结合
酵母HO基因的转录起始-6
基础转录因子和聚合酶的顺序结合
2. 处于活化状态基因的转录由转录起始阶段 控制。 3. 转录过程中的调控 4. 转录产物的后加工 除了加帽、加尾、去除内含子和连接外显子 以外，在核RNA水平上，真核生物还可以通 过改变剪接类型实现调控蛋白质产物的类型。 5. 胞浆中一个特定的mRNA是否被翻译仍被 调控。