现代分子生物学第五章基因表达调控.ppt

第五章 基因表达调控制作小组：肖诗楠、陈力、董永雄1江汉大学文理学院一、概述 原核生物及单细胞真核生物在其生长繁殖过程，往往直接暴露在变化莫测的自然环境中，其食物供应多样且无保障，因此只能随同环境条件的改变，来合成各种不同的蛋白质，使其代谢过程能够适应环境的变化，维持自身的生存乃至繁衍。高等真核生物代谢途径以及食物来源相对于原核生物而言比较稳定，但由于它们是多细胞的有机体，在个体发育过程中出现细胞分化，形成各种组织和器官，不同的细胞所合成的蛋白质在质和量上是不同的。因此，不论是真核细胞还是原核细胞，都必须有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制。第一节原核生物基因表达调控2江汉大学文理学院 生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA（或RNA）分子中的，随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能多、完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)对这个过程的调节就称为基因表达调控(regulation of gene expression or gene control)。对于原核生物，以营养状况（nutritional status）和环境因素（environmental factor）为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和发育阶段（developmental stage）是基因表达调控的最主要手段和体现，而营养和环境因素的影响力大为下降。3江汉大学文理学院（一）细菌细胞对营养的适应 为了生存，细菌必须能够适应广泛变化的环境条件。这些环境条件包括营养、水分、溶液浓度、温度、pH等。而这些条件又必须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞的生长繁殖提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。一般细菌如火肠杆菌所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄糖发酵获得能量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可以利用其他糖类（如乳糖）作为碳源维持生存。（二）结构基因和调节基因 结构基因(structural gene)是编码蛋白质或功能RNA的基因。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因(regu1ator，gene)是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。它们通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。4江汉大学文理学院(三)正调控与负调控 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(a九vat。r)，激活蛋白结合启动子RNA聚合酶后，转录才会进行。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(re-pressor)，阻止结构基因转录，其作用部位是操纵区，它与操纵区结合转录受阻。(四)可诱导的操纵子(inducible operon)与可阻遏的操纵子(repressible operon)根据操纵子对于能调节它们表达的小分子的应答反应的性质，可将操纵子分为可诱导的操纵子和可阻遏的操纵子两类。在可诱导的操纵子中，加入这种对基因表达有调节作用的小分子后，则开启基因的转录活性。这种作用及其过程叫做诱导(induction)。产生诱导作用的小分子物质叫做诱导物(inducer)。在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质后，则关闭基因的转录活性。这种作用及其过程叫做阻遏(repression)。产生阻遏作用的小分子物质叫做辅阻遏物(corepressor)。5江汉大学文理学院二、转录水平调控 细菌能随环境的变化迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实例。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jacob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子学说，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。()乳糖操纵子(1actose operon)1组成与结构 大肠杆菌的乳糖操纵子长约5000个碱基对，是目前对操纵子研究最详尽的例子，也是研究转录水平调控规律的基本模式。大肠杆菌乳糖操纵子育3个与乳糖分解代谢相关的结构基因，即lacZ、lacY和lacA，在乳糖操纵子中成簇排列，编码的3种酶可催化乳糖的分解产生葡萄糖和半乳糖。6江汉大学文理学院大肠杆菌乳糖操纵子各功能区组织排列示意图7江汉大学文理学院 三个结构基因的功能如下：lacZ基因编码-半乳糖苷酶，为500kD的四聚体构成。在分解代谢中可水解乳核的半乳糖苷键，从而产生半乳糖和葡萄糖。lacY基因编码-半乳糖苷透性酶，这种酶是一种分子质量为30kD的膜结合蛋白，它构成了转运系统，负责将半乳糖转运到细胞中。lacA基因编码-半乳糖苷乙酰转移酶，其功能是将乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上。除此之外，乳糖操纵子还包括处在结构基因上游的调节基因lacI。lacZ、lacY、lacA基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制的。lacI一般和结构基因相邻，但其本身有自己的启动子和终止子而形成独立的转录单位。乳糖操纵子的阻遏蛋白是由4个亚基组成的四聚体，主要结合在结构基因lacZ、lacY和lacA上游的操纵基因(lacO)，阻止启动子的转录起始，对操纵子形成负调控(negative regulation)。8江汉大学文理学院2乳糖操纵子的调控机制 当培养基中没有乳糖时，调节基因编码的阻遏蛋白结合到操纵基因上，阻止了结构基目的表达。将大肠杆菌转到乳糖培养基中时，由于诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象改变，而不能结合到操纵基因上，操纵子被诱导表达。在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分异构体异乳糖。乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳搪。9江汉大学文理学院乳糖操纵子负调控模型10江汉大学文理学院3小分子效应物的作用 细菌耍能在营养供给千变万化的自然环境中生存下来，就必须对环境的变化做出迅速的反应，并具备可交换不同代谢底物的能力。因此当缺乏底物的时候，细菌就阻断相关酶的合成途径，但同时也留有余地，当底物存在之时可立刻快速大量地合成相关酶类。这种机制反映在原核生物的操纵子上，即是通过调节蛋白与小分子物质相互作用达到诱导状态或阻遏状态。这些小分子或是代谢途径的底物或是产物，属于基因表达的调节物质，称为效应物。细菌细胞有两种类型的效应物，简述如下：(1)诱导物 在自然状态下有些阻遏蛋白一般结合在DNA分子上，当诱导物缺乏时，阻遏蛋白与操纵基因牢固结合，阻止RNA聚合酶进入启动子区域，操纵子被关闭，结构基因不能转录。当有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，促使后者空间构象变化，使阻遏蛋白与操纵基因亲和力下降而解离下来，RNA聚合演能够进入启动子区域，开启了结构基因的转录表达。(2)辅阻遏物 有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，在自然状态下操纵于是开放的，能正常表达，当细胞中有辅阻遏物存在时，它可以结合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白与换纵篡因的亲和性。11江汉大学文理学院4降解物对基因活性的调节 有葡萄糖存在的情况下，即使在培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动产生代谢这些糖的酶。这是因为葡萄糖是最常用的碳源，细菌所需要的能量主要从葡萄糖获得，在这种情况下，细菌无需开动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。葡萄糖的存在可抑制细菌细胞中的腺苷酸环化酶，减少环腺苷酸(cAMP)的合成，与它结合的受体蛋白质CAP因找不到配体而不能形成cAMP-CAP复合物。cAMPCAP是一个重要的正调节物质，可以与操纵子上的启动子区结合，启动基因转录，所以如果培养基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸环化酶活力就会相应提高，cAMP合成增加，cAMP与CAP形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。葡萄糖等降解物的这种抑制的作用称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。12江汉大学文理学院(二)半乳糟操纵子(galactose operon)大肠杆菌的半乳糖操纵子，也是一个可诱导的系统，受cAMP-CRP和阻抑物的调节。ga1操纵子有3个顺反子，即galE、galT和galK，它们编码半乳糖代谢的酶。这个操纵子含有2个启动子P1和P2。cAMP-CRP复合物结合操纵子的非编码DNA位点以相反的方式从2个启动子开始调节转录起始，即cAMP-CRP通过P1启动子激活转录但通过P2启动子抑制转录。因此，当细胞内cAMP浓度高时，在PI启动子起始操纵子的转录但是当cAMP水平低时，从P2启动子起始转录。gal操纵子的阻抑物的作用方式是2个阻抑物分子(分别结合一个操纵基因)相互作用使DNA形成一个环。位于2个操纵基因之间的DNA环含有启动子，RNA聚合酶与这些启动子相结合。成环阻碍了RNA聚合配起始转录。尽管还不知道准确的抑制机制，但我们相信叫DNA环的形成使调节蛋白质分子和RNA聚合酶之间的物理接触成为可能，RNA聚合酶结合DNA分子上已解旋的区域，这种接触在某种程度上调节了转录效率和转录速度。13江汉大学文理学院大肠杆菌半乳糖操纵子的调节14江汉大学文理学院大肠杆菌半乳糖操纵子的DNA成环15江汉大学文理学院(三)阿拉伯糖操纵子(arabinose operon)阿拉伯糖是另一个能为细菌细胞代谢提供碳源的五碳糖。大肠杆菌中阿拉伯糖的降解利用需要3个基因：araB、araA和araD，在阿拉伯糖操纵子上形成基因簇（araBAD)。另外，阿拉伯糖操纵子还包括调节基因araC、操纵基因ara0、启动子PBAD，以及离这个基因较远簇的2个负责将阿拉伯糖运入细胞的蛋白基因araE和araF。araE和araF属于另一个操纵子，由同一启动子起始转录。三个结构基因araB、araA、araD由共同的启动子PBAD起始转录。激活区araI位于PBAD启动子的上游。araBAD和araC基因的转录分别在DNA的两条链上反向进行，araBAD基因簇从启动于PBAD开始向右进行转录，而araC基因则是从Pc向左进行转录。16江汉大学文理学院 AraC蛋白同时显正、负调节因子的功能。阿拉伯糖操纵子的操纵基因受AraC蛋白调节。AraC蛋白具有两种不同的功能构象，即正、负调节因子的双重功能构象。一般认为Pr是起阻遏作用的构象形式，可与操纵区位点相结合，Pi是起诱导作用的构象形式，通过与PBAD启动子结合进行调节。Pr和Pi两种构象处于动态平衡之中。当缺乏诱导物阿拉伯糖时，AraC处于Pr状态，不结合araI而是结合操纵基因位点，阻碍araBAD的表达。当阿拉伯糖存在时，由araC编码的激活蛋白AraC与其结合，改变了AraC的构象显出Pi，该复合物结合于araL区后可激活PBAD转录。17江汉大学文理学院阿拉伯糖对ara操纵子araL位点的调控作用18江汉大学文理学院(四)色氨酸操纵子(tryptophan operon)大肠杆菌的乳糖操纵子是一个诱导系统，控制的是分解代谢。其底物小分子的存在诱导操纵子打开而合成一系列酶系，从而催化乳搪的分解。色氨酸操纵子作用则正好相反，其控制的是合成代谢，最终合成产物是色氨酸。在培养基中缺乏色氨酸时操纵子打开，而加入色氨酸后将促进操纵子的关闭，也就是代谢途径的最终产物色氨酸或某种物质对转录起到阻遏而非诱导的作用。大肠杆菌色氨酸操纵子结构19江汉大学文理学院1色氨酸操纵子的阻遏系统 trp操纵子中编码阻遏物的基因trpR距trp基因簇较远，编码合成一个相对分子质量为58000kD的阻遏蛋白。当这个阻遏蛋白以游离形式存在时，不能结合到操纵基因上，此时后者能够转录和表达，使细菌细胞合成色氨酸。但当在培养基中的色氨酸过量时，它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到操纵基因上阻止结构基因转录，这种以代谢终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物(色氨酸)称为辅阻遏物。这种调控方式容易造成在色氯酸充足时，色氨酸-阻遏蛋白复合体结合操纵基因，完全阻断转录；而当色氨酸水平很低时，阻遏被消除，转录开放，合成色氨酸。色氨酸操纵子负调控过程 20江汉大学文理学院2色氨酸操纵子的弱化系统 色氨酸操纵子的阻遏系统是色氨酸生物合成途径的第一水平调控，它主要调节转录的启动与否。色氨酸操纵子的第二水平调控是色氨酸操纵子的弱化系统，它决定着已经启动的转录是否能够继续进行下去。在色氨酸mRNA5端trpE起始密码子前有一段162个碱基的DNA序列和核糖体结合位点，称为前导序列(1eader sequence)。当mRNA转录起始后，如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录能够被启动，但到达这个区域就停止，产生一个140nt的RNA分子，如果没有色氨酸存在，则转录继续进行，合成trpEmRNA。当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，否则转录总是在这个区域终止。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止能被调节，因此这个区域被称为弱化子或衰减子(attenuator)。对引起终止的mRNA碱基序列的研究发现，这一区域的mRNA碱基序列可通过自我配对形成茎-环结构，可以导致转录终结。21江汉大学文理学院三、转录后水平调控(一)RNA干扰的影响 RNA干扰(RNA interference)是在研究反义RNA技术中首先发现的，与反义RNA的作用既有联系又有一定的差别。反义RNA是利用完全互补的RNA与同源性mRNA/DNA杂交，封闭mRNADNA，以阻断基因的表达。RNA干扰是外源或内源性双链RNA(dsRNA)触发同源mRNA的特异性降解，从而使相应基因表达沉默。因RNA干扰所致的基因沉默发生在转录后水平亦称为转录后基因沉默。22江汉大学文理学院(二)RNA编辑的影响 RNA编辑发生在转录后的mRNA中，其编辑区出现碱基插入、删除或转换等变化，从而改变了初始物的编码特性。RNA编辑同人们已知的hnRNA选择剪接一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质。但二者的区别也是显而易见的：剪接是在切除内含子后得到成熟的mRNA，其编码信息都存在于所转录的原初基因中；经过编辑的mRNA其编码区所发生的碱基数量变化，改变了初始基因的编码特性，翻译生成不同于DNA模板规定的氨基酸序列，也就合成了不同于基因编码序列的蛋白质分子。目前，己知的RNA编辑因不同原因有两种不同情况。在哺乳动物细胞中，常是由于mRNA中个别碱基替换而改变了密码子的含义，导致了蛋白质中氨基酸序列的改变。而在像锥虫线粒体的RNA编辑中，则是由于某些基因转录物中碱基系统地插入或删除，引起mRNA较广泛的改变。23江汉大学文理学院四、翻译水平调控（一）、翻译起始的调控（一）、翻译起始的调控 1、重叠核苷酸与翻译调控重叠核苷酸与翻译调控 在原核生物中常常数显操纵子中相邻的基因有少量的DNA顺序发生重叠，这不仅可以充分的利用有限的碱基，既满足细胞的需要，同时又不造成浪费。2、翻译水平的自体调控翻译水平的自体调控 原核生物翻译水平上的字体调控至少包括两种方式：a由翻译产物蛋白质直接控制自身mRNA的可翻译性。b利用RNA二级结构的改变来控制操纵子各个基因表达的差异性，这是另一种自体调控。色氨酸重叠核苷酸色氨酸重叠核苷酸 24江汉大学文理学院（1）RNA噬菌体噬菌体mRNA翻译的自体调控翻译的自体调控，这类自体调控的特点是mRNA翻译产物作为一种阻碍物起调控作用。（2）核糖体蛋白翻译系统的自体调控核糖体蛋白翻译系统的自体调控，组成原核细胞的核糖体蛋白有近70种，rRNA约3种，却占整个核糖体66%，蛋白质占34%。各种核糖体蛋白的数目不同，功能各异，半衰期不同。然而核糖体蛋白和一些辅助因子以及RNA聚合酶等的基因掺杂在一起组成6个操纵子。这样一些基因组成的操纵子则必然存在一种差异表达的机制，用以保持核糖体各种蛋白质数目和配比，并适应核糖体组装的需要。（3）mRNA二级结构对翻译的调控二级结构对翻译的调控，在一些RNA噬菌体mRNA上有两个翻译的起始位点（含AUG密码子），只有一个其实位点是可被利用的，因为第二个起始位点被包含在茎环二级结构中，因而核糖体不能识别它。但当第一个顺反子翻译的核糖体破坏了这种二级结构后，AUG被暴露，核糖体很易结合到下一个顺反子起始位点上，结果使第二个起始位点成为可利用的。许多RNA噬菌体常利用其mRNA中的二级结构来控制它的可翻译性。25江汉大学文理学院原核生物中mRNA的二级结构对翻译的调控26江汉大学文理学院3.反义反义RNA的调控的调控 有时小分子RNA也可调节基因的表达，和蛋白质调节物一样，此RNA是独立合成的分子，与靶位点的特殊序列是分开的。靶序列常是单链的核苷酸序列，调节物RNA的功能是和靶序列互补，形成一个双链区。此调节物RNA的作用可能有两种机制：a和靶核苷酸序列形成双链区，直接阻碍其功能，如翻译的开始。B在靶分子的部分区域形成双链区，改变其他区域的构象，这样直接影响其功能。在控制翻译的反义调控中意味着RNA-RNA的相互作用。27江汉大学文理学院（二）、翻译的延伸调控（二）、翻译的延伸调控 1、稀有密码子的调控稀有密码子的调控 在原核生物中，有时同一个操纵子中的基因其功能并不相关，那么它们的产量就不可能有求一致，但又同在一个操纵子中，除自我调控外还可以利用别的途径，如利用稀同在一个操纵子中，除自我调控外还可以利用别的途径，如利用稀有密码子进行调控就是有效的方法之一有密码子进行调控就是有效的方法之一。所谓的稀有密码子是在一般的编码中利用频率很低的密码子。2、二级结构对翻译的调控二级结构对翻译的调控，弱化作用是原核生物利用RNA的二级结构来调控转录。利用相似的机制还可以对翻译进行调控，较典型的例子就是抗红霉素基因利用mRNA二级结构的改变来调控甲基化酶的表达。红霉素甲基化基因的表达受到前导肽和RNA二级结构的调控28江汉大学文理学院（三）翻译终止调控（三）翻译终止调控1、严紧控制 细菌升在贫瘠的条件下（如氨基酸不足），它们立即大范围的将基因活性关闭，表现为rRNA和tRNA合成减少80%-90%，总RNA合成减少到原水平的5%-10%，某些mRNA合成减少到3%。蛋白质合成减少而降解速度增大，许多代谢发生调整，这种受控于氨基酸饥饿产生一系列的反应称为严紧反应。2、mRNA的寿命对翻译的调节 一般来说，原核生物的mRNA的寿命很短，大多数mRNA的半衰期为23min，这样就能够使细菌迅速适应环境的变化。但是，细菌中各种mRNA在寿命上还是有相当大差异的，觉得mRNA寿命的许多因素都影响到基因的表达。29江汉大学文理学院第二节 真核生物基因表达调控一、概述一、概述 真核基因表达调控也有转录调控的许多基本原理和原核生物基因相同。真核基因表达调控也有转录调控的许多基本原理和原核生物基因相同。主要表现在：与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也有转录水平调控和转录后的调控，并且也以转录水平为最重；在真核结构基因的上游和下游也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。由于真核生物与原核生物的基本生活方式不同，真核生物与原核生物染色质结构、基因结构特点不同，以及真核基因与原核基因表达的时空特点不同等真核基因表达调控中至少有四个方面与原核基因表达调控不同30江汉大学文理学院（1）真核基因表达受到更多层次的调控真核基因表达受到更多层次的调控，由于真核基因的转录与翻译在时空上是分别进行的，而且真核基因是断裂基因，转录后需经过剪切去除内含子拼接外显子等修饰过程才具有翻译模板活性，使得真核基因的表达有多种调控机制，包括DNA和染色体水平的调控、转录水平的调控、转录后水平的调控、翻译水平的调控、蛋白质加工水平的调控等多种层次。（2）顺式作用元件与反式作用因子的转录调节模式顺式作用元件与反式作用因子的转录调节模式，转录起始的调节是真核基因表达调控的关键环节，这一过程主要是通过顺式作用元件（cis-acting element）与反式作用因子（trans-acting factor）的相互作用而实现。（3）正调控占主导正调控占主导，真核细胞中虽然也像原核生物一样有正调控和负调控成分，但目前已知的主要是正调控，而且一个真核基因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异的与之结合才能调节基因的转录。（4）细胞特异性表达细胞特异性表达，真核生物都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也不一样，某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达。真核生物的细胞特异性或组织特异性表达显示其具有调控这种特异性表达的机制。31江汉大学文理学院二、DNA和染色水平 真核生物基因组不是环状和线状近于裸露的DNA，而是由多条染色体组成，染色体本身也是以核小体味单位形成的多级结构，因此真核生物的基因调控是从DNA到染色体多层次的。(一)基因丢失 有的生物在个体发育的早期，在体细胞中药丢失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组，被丢失在染色体其上的遗传信息可能对体细胞来说没有什么意义而对生殖细胞的发育也许是不可缺少的。(二)基因扩增 基因扩增其本质是指细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象。1、组织中整个染色体都进行扩增，例如果蝇的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体(ploytenne chromosomes)含1000多条染色体。2、发育中的编程扩增 (1)特定的基因簇的染色体外扩增 (2)特定的基因簇原位扩增 (3)哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增，某些试剂可使那些对其产生抗性的基因量扩增，当用药物处理培养的哺乳动物类细胞来一直特定的酶时，抗性细胞可以被分离并大量生长32江汉大学文理学院n果蝇的唾腺染色体33江汉大学文理学院（三）基因重排 一个基因可以通过从远离其启动子的地方移到距它很近的位点而被启动转录，这种方式称为基因重排，通过基因重排调节基因活性的典型例子是小鼠免疫球蛋白结构基因的表达。我们知道，免疫球蛋白的肽链主要是由可变区（V区）、恒定区（C区）以及两者之间的连接区（J区）组成的，而且V基因、C基因和J基因在小鼠细胞中相隔较远的。当免疫球蛋白形成细胞（如淋巴细胞）发育分化时，能通过染色体内重组，把三个远离的基因紧密地连接在一起，从而产生免疫球蛋白。34江汉大学文理学院（四）染色质水平调控(1)异染色质化 染色质可分为常染色质(euchromatin)和异染色(heterochrom-atin)，它们在细胞中凝聚的时期不同，异染色质是包装成2030nm，不具有转录活性的染色质。异染色质有分为组成性异染色质(constitive heteroch-romatin)和兼性异染色质(facultative heterochro-matin)。前者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等。(2)DNase的敏捷性和基因表达 当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对DNase（一种内切酶）降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质结构变得松散，DNase 易于接触到DNA之故。DNase 敏感区的范围随着基因序列的不同而变化，从基因周围几个kb到两侧20kb大小不等(3)组蛋白的乙酰化和去乙酰化控制染色质活化 真核生物的染色体是由DNA与组蛋白、非组蛋白构成的复合物。从进化的意义上说组蛋白是极端保守的，在各种真核生物中他们的氨基酸顺序，结构和功能都十分相似。35江汉大学文理学院五、DNA甲基化与去甲基化 DNA甲基化作用是真核生物基因表达调控的一种重要方式，通过影响基因转录水平而参与细胞分化的调控过程。已有大量研究表明，DNA甲基化作用可以影响DNA分子构象，从而改变某些基因上游调控区和各种与基因转录相关的蛋白因子之间的相互作用。在较高的真核细胞DNA中少量胞嘧啶残基（2%7%）被甲基化，其中卫星DNA序列最为强烈。一般说来甲基化多发生在CG二核苷酸对，大多数CG二核苷酸对都是甲基化的，甲基化达到一定程度时会发生从常规的B构象向Z构象的转变。由于Z构象结构收缩，螺旋加深，使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟而不利于基因转录的起始。甲基化作用通过两种方式抑制转录：一是通过干扰转录因子对DNA结合位点的识别。二是将转录因子识别的DNA序列转换为转录抑制物的结合点。但是，DNA甲基化和去甲基化与基因活性的关系并不是绝对的，DNA甲基化也不是使基因表达失活的一种普遍机制，甲基化和去甲基化在基因表达活性调控中心的意义依生物不同而有差异，即使同一种生物，甲基化对不同基因活性也有不同的效应。36江汉大学文理学院 转录水平的调控转录水平的调控最重要最重要RNA聚合酶聚合酶顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)转录起始的调控转录起始的调控37江汉大学文理学院顺式作用元件n定义：影响定义：影响自身基因自身基因表达活性的非编码表达活性的非编码DNA序列。序列。其活性仅影响与其自身处于同一分子的基因。真其活性仅影响与其自身处于同一分子的基因。真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为核基因的顺式作用元件按其功能可以分为启动子启动子、增强子增强子、沉默子沉默子、绝缘子绝缘子、应答原件应答原件（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。38江汉大学文理学院exon1intron1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子39江汉大学文理学院（1）启动子启动子：在：在DNA分子中，分子中，RNA聚合酶能够识别、结合聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列并导致转录起始的序列。真真核核基基因因的的启启动动子子指指的的是是RNA聚聚合合酶酶（RNA polymerase，RNA Pol）识识别别、结结合合的的基基因因转转录录调调控控区区中中启启动动基基因因转转录录的的一一段段特特异异DNA序序列列，包包含含一一组组转转录录调调控控功功能能组组件件，其其中每一个功能组件的中每一个功能组件的DNA序列约序列约720 bp。核心启动子和上游启动子40江汉大学文理学院41江汉大学文理学院（2 2）增强子增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。序列。增强子特点：增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍 增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；42江汉大学文理学院大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；43江汉大学文理学院 没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；可以通过启动子提高同一条链上靶基因的转录效率；44江汉大学文理学院增强子作用机理增强子作用机理：45江汉大学文理学院沉默子：沉默子：是指某些真核基因转录调控区中抑制或阻遏基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（数百因转录的一段（数百bp）DNA序列。沉默序列促进局部序列。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。，是基因转录的负性调节因素。n其序列长短不一，短者仅数十个碱基对，长者超过其序列长短不一，短者仅数十个碱基对，长者超过46江汉大学文理学院n绝缘子绝缘子（insulator）是真核生物基因组的调控元件之一，）是真核生物基因组的调控元件之一，亦为一种边界元件。功能为阻止临近调控元件，对它所界亦为一种边界元件。功能为阻止临近调控元件，对它所界定基因的启动子其增强或者阻遏的作用。它对增强子的抑定基因的启动子其增强或者阻遏的作用。它对增强子的抑制作用具有极性，即只对处于其所在边界另一侧的增强子制作用具有极性，即只对处于其所在边界另一侧的增强子有抑制作用，而并不能抑制与其处于同一结构域的增强子。有抑制作用，而并不能抑制与其处于同一结构域的增强子。47江汉大学文理学院n 与绝缘子作用有关的蛋白质因子与绝缘子作用有关的蛋白质因子n 真核生物基因的启动子和增强子等调控元件都真核生物基因的启动子和增强子等调控元件都是通过和细胞内特定的蛋白质因子相互作用而产是通过和细胞内特定的蛋白质因子相互作用而产生调控效应的。因此，在讨论绝缘子的作用机理生调控效应的。因此，在讨论绝缘子的作用机理时，也不可忽视它们的结合蛋白。时，也不可忽视它们的结合蛋白。n 绝缘子与其蛋白形成的复合物对绝缘子的生物绝缘子与其蛋白形成的复合物对绝缘子的生物学功能至关重要。这些蛋白常常被称为学功能至关重要。这些蛋白常常被称为“绝缘子绝缘子蛋白蛋白”48江汉大学文理学院49江汉大学文理学院n绝缘子的功能绝缘子的功能n 保护启动子功能不受其它异常增强子或其它激发信号的保护启动子功能不受其它异常增强子或其它激发信号的有害影响；防止基因免受邻近沉默信号的作用。有害影响；防止基因免受邻近沉默信号的作用。50江汉大学文理学院n应答元件应答元件n是位于基因上游能被转录因子识别和结合，从而调控基因专一性表达的DNA序列。n应答元件也有位于启动子或增强子内。如HSE位于启动子内，GRE则在增强子内。各种应答元件的作用原理是相同的，即特定的蛋白因子识别应答元件并与其结合，从而调控基因的表达。n所有的应答元件都以相同的原理发挥其功能，即基因受识别启动子或增强子中应答元件的特定蛋白因子调控，这种特定蛋白转录因子是RNA聚合酶II启动转录所必需的。51江汉大学文理学院n转录的反式作用因子转录的反式作用因子n（trans-acting factor）n是能够直接或间接识别或结合特异性顺式元件（启动子、增强子等）序列的蛋白质。n参与调控靶基因转录效率，起正向或负向调控作用。n基本结构包括3个主要功能域：n （1）识别或结合DNA的结构域n （2）转录活性域n （3）结合其他因子或调控蛋白的调节结构域52江汉大学文理学院n识别、结合识别、结合 DNA 的结构域的结构域n螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix，HTH）结构）结构n eg.同源结构域（同源结构域（homodomain,HD）、）、Oct1、2等等n锌指（锌指（Zinc finger）结构）结构n eg.TF IIIA、类固醇受体、类固醇受体、SP1等等n亮氨酸拉链结构（亮氨酸拉链结构（basic leucine zipper,bZIP）结构）结构n eg.C/EBP家族、家族、AP1（Fos-Jun家族）家族）等等n螺旋螺旋-突环突环-螺旋（螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）结构）结构n eg.Myc/Max、MyoD家族、家族、E12、E47等等53江汉大学文理学院1、螺旋、螺旋-转角转角-螺旋螺旋含约含约60个氨基酸，有至少个氨基酸，有至少2个个 螺旋，其间由短肽段形成转折，螺旋，其间由短肽段形成转折，近羧基端近羧基端 螺旋与螺旋与DNA双螺旋大双螺旋大沟结合。沟结合。例：同源异型盒（例：同源异型盒（homobox,Hox）基因编码的的蛋白质中都）基因编码的的蛋白质中都含有同源结构域含有同源结构域（homodomain,HD）的）的THT结结构，含构，含3个个 螺旋，以二聚体形式螺旋，以二聚体形式与相邻两条与相邻两条DNA大沟结合。大沟结合。Hox是胚胎发育和细胞分化的重要调控基因，已发现300多种，产物都是转录因子，序列保守。54江汉大学文理学院55江汉大学文理学院锌指结构锌指结构 肽链中含有肽链中含有2个个Cys和和2个个His、或、或4个个Cys，具有保守序列，具有保守序列C-X2-4-C-X3-F-X5-L-X2-H-X3-H，2个个C、2个个H或或4个个C与与Zn+以配位键结合，突出的环状结构称锌指，指间距离为以配位键结合，突出的环状结构称锌指，指间距离为7-8个氨基酸。个氨基酸。56江汉大学文理学院3 3、碱性、碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链二聚体二聚体亮氨酸之间相互作用形成亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成二聚体，形成“拉链拉链”。肽链氨基端肽链氨基端2030个富含个富含碱性氨基酸结构域与碱性氨基酸结构域与DNA结合。结合。57江汉大学文理学院CSM Genome&Gene regulationEukaryotic Gene Regulation碱性亮氨酸拉链结构碱性亮氨酸拉链结构及其与及其与 DNA 的结合的结合58江汉大学文理学院4 4、碱性、碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋该调控区长约该调控区长约50个个aa残残基，同时具有基，同时具有DNA结合结合和形成蛋白质二聚体的和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可功能，其主要特点是可形成两个亲脂性形成两个亲脂性-螺旋，螺旋，两个螺旋之间由环状结两个螺旋之间由环状结构相连，其构相连，其DNA结合功结合功能是由一个较短的富碱能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。性氨基酸区所决定的。59江汉大学文理学院转录激活结构域转录激活结构域（）（）转录激活结构域转录激活结构域(Transactivation domain)是反式作用因子的转录调控结构域，一般由是反式作用因子的转录调控结构域，一般由DNA结合结构结合结构域外的域外的30-100个个aa组成组成常见的反式激活域有以下几种：常见的反式激活域有以下几种：酸性酸性谨螺旋结构域谨螺旋结构域(acidic a-Helix domain)如如Jun；富含谷氨酰胺结构域富含谷氨酰胺结构域(glutaminerich domain)如如SPl富含脯氨酸的结构域富含脯氨酸的结构域(proline-rich domain)。60江汉大学文理学院激素调节甾类激素：糖皮质激素、盐皮质激素、雌激素、雄激素等 1、分子质量小，细胞中含量低 2、甾体核上12个基因差异就会导致不同激素产生 3、与受体蛋白结合形成复合物（反式作用因子）激素应答因子（顺式作用元件）61江汉大学文理学院n甾类激素受体结构甾类激素受体结构62江汉大学文理学院真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控n在DNA水平上，真核生物基因与原核生物基因有一个明显的不同之处，也就是真核生物的基因是不连续的，外显子与内含子相间排列，而转录的时候外显子和内含子是一起转录的。转录以后必须降内含子切除，才能形成成熟的mRNA分子。这个过程成为剪接（splicing）。63江汉大学文理学院真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控Britten-DavidsonBritten-Davidson模型模型 在整合基因的在整合基因的5端连接着一段具有高度专一性的端连接着一段具有高度专一性的DNA序序列，称为传感基因（列，称为传感基因（sensor gene），当它与某种信号分），当它与某种信号分子（如激素或激素蛋白复合物）相互作用时，激活了整合子（如激素或激素蛋白复合物）相互作用时，激活了整合基因的表达，产生具有生物活性的基因的表达，产生具有生物活性的RNA或蛋白质分子；当或蛋白质分子；当整合基因的表达产物和受体基因相互作用时，就启动子结整合基因的表达产物和受体基因相互作用时，就启动子结构基因的表达。构基因的表达。64江汉大学文理学院RNA编辑nRNA编辑概念 是指转录后的mRNA在编码区发生碱基插入、删除或转换的现象，是在RNA水平上的