生物化学基因表达的调控.ppt

基因表达的调控基因表达的调控Regulation of Gene Expression1Reverse transcriptionReplication复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录中心法则中心法则2基因组基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的：一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗传物质或整套基因。单个遗传物质或整套基因。基因表达基因表达：遗传信息经过：遗传信息经过转录和翻译转录和翻译等一系列过等一系列过程，合成特定的程，合成特定的RNA和蛋白质，进而发挥其特定和蛋白质，进而发挥其特定的生物功能的全过程。的生物功能的全过程。基因的表达是可调控的基因的表达是可调控的：生物体通过特定的蛋白：生物体通过特定的蛋白质质-DNA以及蛋白质以及蛋白质-蛋白质之间的相互作用来控蛋白质之间的相互作用来控制基因表达的过程。其目的是满足自身发育的需制基因表达的过程。其目的是满足自身发育的需求及适应环境的变化。求及适应环境的变化。3相对于管家基因，另外一些基因极易受到外界环相对于管家基因，另外一些基因极易受到外界环境因素的影响。境因素的影响。在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制性的表达。因此它们分别称为性的表达。因此它们分别称为诱导表达诱导表达（induction expression）和和阻遏表达阻遏表达（repression expression）。）。这些基因分别称这些基因分别称为为可诱导（可诱导（inducible）基因）基因和和可阻遏可阻遏（repressible）基因）基因。诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环境的改变而做出的两种表现形式。境的改变而做出的两种表现形式。6 二二、基因表达调控是多层次协调、基因表达调控是多层次协调的复杂过程的复杂过程基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻译水平的调控和翻译后水平的调控。译水平的调控和翻译后水平的调控。转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。7三、基因表达具有时空特异性三、基因表达具有时空特异性空间特异性（即组织特异性）：空间特异性（即组织特异性）：同一基因同一基因产物在不同的组织器官中的分布是不同的，产物在不同的组织器官中的分布是不同的，某些基因在一种组织中暂不表达或永不表某些基因在一种组织中暂不表达或永不表达，而另外一些基因是相反的情况。达，而另外一些基因是相反的情况。血红蛋白与肌红蛋白血红蛋白与肌红蛋白 同工酶同工酶 8时间特异性（即阶段特异性）：时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生在细胞的生长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育。发育。人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达9 9四、基因表达受顺式作用元件和反四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节式作用因子共同调节一个基因是否表达和表达多少与一个基因是否表达和表达多少与调节序列调节序列（regulatory sequenceregulatory sequence）密切相关。调节密切相关。调节序列位于被调控的序列位于被调控的结构基因（结构基因（structural structural genegene）的上游，具有特定的核苷酸序列。的上游，具有特定的核苷酸序列。10根据调节序列与结构基因的相对位置关系，根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些调节序列称为人们将这些调节序列称为顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting element），），包括启动子包括启动子（promoter）、增强子（）、增强子（enhancer）、沉）、沉默子（默子（silencer）等。）等。有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元件结合，共同实现调节基因表达的目的，件结合，共同实现调节基因表达的目的，它们被称为它们被称为反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）。）。11Gene Expression Regulation for Prokaryotes第二节原核生物基因表达调控第二节原核生物基因表达调控12DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核生物基因组是一个闭合环原核生物基因组是一个闭合环原核生物基因组是一个闭合环原核生物基因组是一个闭合环状的状的状的状的DNADNA分子。分子。分子。分子。原核生物的细胞结构也比较简原核生物的细胞结构也比较简原核生物的细胞结构也比较简原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（单，它的全部物质（单，它的全部物质（单，它的全部物质（DNADNA，RNARNA和蛋白质）都包容在细和蛋白质）都包容在细和蛋白质）都包容在细和蛋白质）都包容在细胞膜内。胞膜内。胞膜内。胞膜内。原核生物基因组的转录和翻译原核生物基因组的转录和翻译原核生物基因组的转录和翻译原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上在同一空间内完成，时间上在同一空间内完成，时间上在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终的差异不大。在转录过程终的差异不大。在转录过程终的差异不大。在转录过程终止之前，止之前，止之前，止之前，mRNAmRNA就已经结合就已经结合就已经结合就已经结合在由在由在由在由rRNArRNA和核蛋白体蛋白和核蛋白体蛋白和核蛋白体蛋白和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开共同构成的核蛋白体上，开共同构成的核蛋白体上，开共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。始了蛋白质的生物合成。始了蛋白质的生物合成。始了蛋白质的生物合成。13一、一、操纵子模型是原核生物基因表操纵子模型是原核生物基因表达的基本模式达的基本模式19601960年，法国巴黎巴斯德研究所的年，法国巴黎巴斯德研究所的年，法国巴黎巴斯德研究所的年，法国巴黎巴斯德研究所的 F.Jacob F.Jacob 和和 J.J.L.Monod L.Monod 发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的培养基中不分泌培养基中不分泌培养基中不分泌培养基中不分泌 -半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，只有在只含乳糖只有在只含乳糖只有在只含乳糖只有在只含乳糖的培养基中才能分泌的培养基中才能分泌的培养基中才能分泌的培养基中才能分泌 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶。分析表明这。分析表明这。分析表明这。分析表明这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码 -半乳半乳半乳半乳糖苷酶的糖苷酶的糖苷酶的糖苷酶的mRNAmRNA的结果。的结果。的结果。的结果。19611961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此贡献，他们分享了贡献，他们分享了贡献，他们分享了贡献，他们分享了19651965年度的年度的年度的年度的NobleNoble生理医学奖。生理医学奖。生理医学奖。生理医学奖。19691969年，年，年，年，J.R.Beckwith J.R.Beckwith 从大肠杆菌的从大肠杆菌的从大肠杆菌的从大肠杆菌的DNADNA中分中分中分中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。14乳糖操纵子（乳糖操纵子（Lac operon）的结构）的结构阻遏基因启动子启动子操纵序列操纵序列1515l l结构基因结构基因 lacZlacZ、lacYlacY、lacAlacA:分别编码分别编码 -半乳半乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。因呈多顺反子转录。l l操纵序列操纵序列（operatoroperator，o o）:阻遏蛋白的结合位阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，点。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，l lac ac 的转录的转录将受到阻遏。将受到阻遏。l l阻遏基因阻遏基因 lacIlacI:编码与操纵序列结合的阻遏蛋编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。白。l l启动子启动子（promoterpromoter）:位于位于 lacIlacI 和和 lacO lacO 之间。之间。阻遏基因启启动动子子操纵序列操纵序列1616典型的大肠杆菌启动子序列典型的大肠杆菌启动子序列l l能够被由能够被由能够被由能够被由s s70 70 RNARNA聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启动子的保守序列动子的保守序列动子的保守序列动子的保守序列1717LacI 阻遏蛋白的阻遏作用l l阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了 lac lac lac lac 操纵子中结构基因的表达。操纵子中结构基因的表达。操纵子中结构基因的表达。操纵子中结构基因的表达。1818LacI 阻遏蛋白与 DNA 结合的复合物1919别乳糖诱导的 lac 操纵子表达诱导剂诱导剂2020乳糖、半乳糖和别乳糖的化学结构式乳糖乳糖乳糖乳糖半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖别乳糖别乳糖别乳糖别乳糖2121LacLac 操纵子的基因表达调节操纵子的基因表达调节 在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。乳糖在乳糖在 -半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转录录 lac 操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂（inducer）。）。但是，乳糖操纵子是一个但是，乳糖操纵子是一个弱启动子弱启动子(TTTACA/TATGTT)，需要一个正调控机制来促使，需要一个正调控机制来促使转录的启动。转录的启动。22分解代谢物基因激活蛋白分解代谢物基因激活蛋白CAP 的结合位点的结合位点l lCAPCAP：catabolite gene activation proteincatabolite gene activation proteinl lCAPCAP的结合位点在的结合位点在的结合位点在的结合位点在-60 -60 处。处。处。处。l lCAPCAP以同源二聚物的形式与以同源二聚物的形式与以同源二聚物的形式与以同源二聚物的形式与 cAMP cAMP 结合，形成结合，形成结合，形成结合，形成CAP-cAMPCAP-cAMP复合物结合在复合物结合在复合物结合在复合物结合在 CAP CAP结合位点上。结合位点上。结合位点上。结合位点上。l l外环境中葡萄糖的减少可以增加外环境中葡萄糖的减少可以增加外环境中葡萄糖的减少可以增加外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP cAMP 合成。合成。合成。合成。CAP-cAMP结合部位结合部位2323CAP-cAMP 复合物2424CAP 的正调控作用l lcAMPcAMP与与与与CAPCAP的二聚物形成复合物后，结合在的二聚物形成复合物后，结合在的二聚物形成复合物后，结合在的二聚物形成复合物后，结合在CAPCAP结合位点上，促使转录的启动。结合位点上，促使转录的启动。结合位点上，促使转录的启动。结合位点上，促使转录的启动。2525阻遏蛋白和阻遏蛋白和CAP共同参与的协同调控共同参与的协同调控2626乳糖操纵子的意义乳糖操纵子的意义阻遏蛋白的抑制作用和阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同担介导的正调控共同担负着原核生物体系内糖源的协调利用。负着原核生物体系内糖源的协调利用。乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生物学的一个划时代的突破。（物学的一个划时代的突破。（1965年年Nobel奖）奖）27二、翻译水平的调控是对转录调控的二、翻译水平的调控是对转录调控的补充补充原核生物基因表达的时空性决定了转录和原核生物基因表达的时空性决定了转录和翻译过程的偶联。翻译过程的偶联。色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trptrp operon operon）是典型的转）是典型的转录和翻译过程的偶联。录和翻译过程的偶联。转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译的偶联而实现的。的偶联而实现的。28色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trptrp operon operon）l l结构基因：结构基因：结构基因：结构基因：trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB 和和和和 trpAtrpAl l上游调控区：调节基因（上游调控区：调节基因（上游调控区：调节基因（上游调控区：调节基因（trpRtrpR）、启动子（）、启动子（）、启动子（）、启动子（P P）、）、）、）、前导序列（前导序列（前导序列（前导序列（trptrpL L）和操纵序列（）和操纵序列（）和操纵序列（）和操纵序列（OO）。）。）。）。l l启动子（启动子（启动子（启动子（P P）和操纵序列（）和操纵序列（）和操纵序列（）和操纵序列（OO）有部分重叠。）有部分重叠。）有部分重叠。）有部分重叠。29293030开放状态的色氨酸操纵子开放状态的色氨酸操纵子 当培养基中色氨酸含量很少时，当培养基中色氨酸含量很少时，当培养基中色氨酸含量很少时，当培养基中色氨酸含量很少时，trpRtrpR 阻遏蛋白以阻遏蛋白以阻遏蛋白以阻遏蛋白以同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列 O O 结合，结合，结合，结合，使得使得使得使得RNARNA聚合酶能够启动转录。聚合酶能够启动转录。聚合酶能够启动转录。聚合酶能够启动转录。3131关闭状态的色氨酸操纵子关闭状态的色氨酸操纵子 当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂（酸被称为辅阻遏剂（酸被称为辅阻遏剂（酸被称为辅阻遏剂（corepressorcorepressor）。）。）。）。粗粗粗粗调开关调开关调开关调开关 3232色氨酸操纵子色氨酸操纵子 mRNA 前导序列前导序列3333前导序列的发夹结构前导序列的发夹结构3434转录中的色氨酸操纵子转录中的色氨酸操纵子 当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列1 1。而此。而此。而此。而此时的转录仍在进行，序列时的转录仍在进行，序列时的转录仍在进行，序列时的转录仍在进行，序列2 2和序列和序列和序列和序列3 3形成了稳定的形成了稳定的形成了稳定的形成了稳定的2:32:3茎茎茎茎-环结构环结构环结构环结构。RNARNA聚合酶可以转录聚合酶可以转录聚合酶可以转录聚合酶可以转录5 5个结构基因。个结构基因。个结构基因。个结构基因。3535转录衰减子终止了转录转录衰减子终止了转录 当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列1 1，并继续向前，并继续向前，并继续向前，并继续向前与序列与序列与序列与序列2 2结合。核蛋白体与序列结合。核蛋白体与序列结合。核蛋白体与序列结合。核蛋白体与序列1 1和序列和序列和序列和序列2 2的结合，使的结合，使的结合，使的结合，使序列序列序列序列3 3和序列和序列和序列和序列4 4形成了形成了形成了形成了3:43:4茎茎茎茎-环结构环结构环结构环结构。这一结构与随。这一结构与随。这一结构与随。这一结构与随后的多聚后的多聚后的多聚后的多聚U U序列使序列使序列使序列使RNARNA聚合酶终止了转录。聚合酶终止了转录。聚合酶终止了转录。聚合酶终止了转录。3636转录衰减子转录衰减子转录衰减子转录衰减子（transcription attenuator）：）：操纵子前导区内一段类似于终止子结构的操纵子前导区内一段类似于终止子结构的DNA序列序列，其作用是减弱操纵子的转录，其作用是减弱操纵子的转录，实现对转录过程的实现对转录过程的精确调节精确调节。37转录衰减子的意义转录衰减子的意义转录衰减子的形成使转录衰减子的形成使RNA聚合酶无法对已聚合酶无法对已经启动的操纵子中的结构基因进行转录，经启动的操纵子中的结构基因进行转录，而终止转录的茎而终止转录的茎-环结构的形成又依赖于核环结构的形成又依赖于核糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。由此可见，由此可见，衰减作用充分利用了转录和翻衰减作用充分利用了转录和翻译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精细调节。细调节。38氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列苏苏苯丙苯丙组组3939三、分解代谢和合成代谢操纵子的三、分解代谢和合成代谢操纵子的调节机制调节机制40第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，其原因在于：达复杂的多，其原因在于：1.大小不同大小不同。大肠杆菌基因组的长度为。大肠杆菌基因组的长度为4 106bp，约有，约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为个基因；而哺乳类基因组的长度为 109bp，约有，约有3万万3.5万个基因。万个基因。2.编码特性不同编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是。原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺乳类基因组中只有编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列的序列编码蛋白质、编码蛋白质、rRNA和和tRNA等，其余等，其余90%的序的序列功能至今尚不清楚。列功能至今尚不清楚。413.连续性不同。连续性不同。原核生物的基因是连续的，转录后原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译成为蛋白质；而真核生物编码蛋白即可被翻译成为蛋白质；而真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的mRNA。4.排列方式不同。排列方式不同。原核生物的基因是以串联的形式原核生物的基因是以串联的形式排列的，可转录出多顺反子的排列的，可转录出多顺反子的mRNA；而真核；而真核生物是一个结构基因转录生成一条生物是一个结构基因转录生成一条mRNA，即，即mRNA是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的协调表达。协调表达。425.序列重复度不同。序列重复度不同。原核基因组中基本上没有重原核基因组中基本上没有重复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复序列（序列（repetitive sequence）。）。6.存在的形式不同。存在的形式不同。原核基因组是裸露的环状双原核基因组是裸露的环状双链链DNA；而真核基因组与组蛋白结合构成了核；而真核基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链小体，具有串珠形状的双链DNA再经盘绕和浓再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。缩后形成染色质，组装在细胞核内。7.遗传信息的载体不同。遗传信息的载体不同。原核基因组的遗传信息原核基因组的遗传信息存在于存在于DNA上；而真核生物的遗传信息不仅存上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核在于核DNA上，还存在线粒体上，还存在线粒体DNA上。上。438.基因表达的时空性不同。基因表达的时空性不同。原核细胞中基因表达原核细胞中基因表达在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。表现出空间和时间上的差异。9.基本调节方式不同。基本调节方式不同。处于基本状态下的原核生处于基本状态下的原核生物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。核细胞基因活化才能被转录。44基因表达调控是多层次协调的复杂过程基因表达调控是多层次协调的复杂过程染色质水平的调控染色质水平的调控转录水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控翻译后水平的调控45DNA和组蛋白八聚体构成了高度排列有序的染色和组蛋白八聚体构成了高度排列有序的染色质，这不利于基因表达。质，这不利于基因表达。基因激活蛋白通过改变基因启动子和调节序列区基因激活蛋白通过改变基因启动子和调节序列区域的染色质结构来转录起始，这称为域的染色质结构来转录起始，这称为染色质重塑染色质重塑（chromatin remodeling）。）。染色质重塑需要染色质重塑需要ATP依赖的酶蛋白复合体。依赖的酶蛋白复合体。一、转录活化染色质的结构影响到基因一、转录活化染色质的结构影响到基因表达的频率和程度表达的频率和程度46超敏感位点超敏感位点被激活的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感被激活的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之超敏感位点（的位点，称之超敏感位点（hypersensitive site）。）。超敏感位点通常位于被活化基因的超敏感位点通常位于被活化基因的5-侧翼区侧翼区1000bp内，但有时也会出现在更远的内，但有时也会出现在更远的5-侧翼区侧翼区或或3-侧翼区。侧翼区。许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得调节蛋白易与之结合。调节蛋白易与之结合。47DNA 碱基的化学修饰碱基的化学修饰真核生物真核生物DNA中，约有中，约有5的胞嘧啶被甲基化为的胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶，并与其甲基胞嘧啶，并与其3的鸟嘌呤形成的鸟嘌呤形成CpG结构。结构。发生在基因发生在基因5侧翼区的侧翼区的CpG结构称为结构称为CpG岛。岛。染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反比染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反比。管家基因多富含管家基因多富含CpG岛，并且岛，并且CpG岛中胞嘧啶多岛中胞嘧啶多处在非甲基化的状态。处在非甲基化的状态。48组蛋白的磷酸化和乙酰化组蛋白的磷酸化和乙酰化在组蛋白在组蛋白H3和和H4 N-末端的丝氨酸可被磷末端的丝氨酸可被磷酸化，降低了整个核小体与酸化，降低了整个核小体与DNA的结合能的结合能力。同理，组蛋白力。同理，组蛋白H1的赖氨酸乙酰化和精的赖氨酸乙酰化和精氨酸乙酰化也可使其正电荷减少，与氨酸乙酰化也可使其正电荷减少，与DNA结合的能力降低，核小体的脱落有利于转结合的能力降低，核小体的脱落有利于转录调控因子的结合。录调控因子的结合。49二、转录水平上的真核生物基因表达调二、转录水平上的真核生物基因表达调控最为重要控最为重要l l真核生物的转录调控是通过依赖真核生物的转录调控是通过依赖真核生物的转录调控是通过依赖真核生物的转录调控是通过依赖DNADNA的的的的RNARNA聚聚聚聚合酶、合酶、合酶、合酶、DNADNA的顺式作用元件和反式作用因子的顺式作用元件和反式作用因子的顺式作用元件和反式作用因子的顺式作用元件和反式作用因子的的的的相互作用实现的。相互作用实现的。相互作用实现的。相互作用实现的。沉默子沉默子5050RNA聚合酶聚合酶I：位于细胞核的核仁；合成：位于细胞核的核仁；合成45S rRNA的前体，加工成的前体，加工成28S、5.8S及及18S rRNA；这；这类启动子包括核心元件（类启动子包括核心元件（core element，CE）和）和上游调控原件（上游调控原件（upstream control element，USE）。）。RNA聚合酶聚合酶II：位于细胞核的核仁外，合成编码蛋位于细胞核的核仁外，合成编码蛋白的白的mRNA前体前体hnRNA 和和 snRNA。其启动子具有。其启动子具有典型的典型的TATA盒、盒、CAAT盒和盒和GC盒盒等。等。RNA聚合酶聚合酶III：位于细胞核的核仁，合成：位于细胞核的核仁，合成5S rRNA、tRNA、U6 snRNA和和7SL RNA的前体。的前体。（一）（一）RNA聚合酶聚合酶51n按功能特性，顺式作用元件可分为按功能特性，顺式作用元件可分为启动子启动子（promoter）、增强子（）、增强子（enhancer）和沉）和沉默基因（默基因（silencer）。）。（二）顺式作用元件（二）顺式作用元件沉默子沉默子5252启动子启动子n n启动子包括至少一个转录起始位点以及一个以上启动子包括至少一个转录起始位点以及一个以上启动子包括至少一个转录起始位点以及一个以上启动子包括至少一个转录起始位点以及一个以上的功能组件。的功能组件。的功能组件。的功能组件。n nTATATATA盒盒盒盒（TATA boxTATA box）：位于）：位于）：位于）：位于-25 -35-25 -35处，一致保处，一致保处，一致保处，一致保守序列为守序列为守序列为守序列为TATAAAATATAAAAn nCAAT CAAT 盒盒盒盒（CAAT boxCAAT box）：位于）：位于）：位于）：位于-70 -80-70 -80处，保守处，保守处，保守处，保守序列为序列为序列为序列为CCAATCCAATn nGC GC 盒盒盒盒 （GC boxGC box）：位于）：位于）：位于）：位于-80 -110-80 -110处，保守序列处，保守序列处，保守序列处，保守序列为为为为GCCACACCCGCCACACCC或或或或GGGCGGG GGGCGGG 53n nTATATATA盒是启动子中的主要序列盒是启动子中的主要序列盒是启动子中的主要序列盒是启动子中的主要序列。n nDNADNA在起始（在起始（在起始（在起始（initiatorinitiator，InrInr）序列处被解螺旋。）序列处被解螺旋。）序列处被解螺旋。）序列处被解螺旋。RNA聚合酶聚合酶II识别的启动子序列识别的启动子序列54n n是一种顺式调控元件，它可以通过启动子来极大是一种顺式调控元件，它可以通过启动子来极大是一种顺式调控元件，它可以通过启动子来极大是一种顺式调控元件，它可以通过启动子来极大地提高转录效率。可远离转录起始位点地提高转录效率。可远离转录起始位点地提高转录效率。可远离转录起始位点地提高转录效率。可远离转录起始位点（130kb130kb）。）。）。）。n n它的一般跨度为它的一般跨度为它的一般跨度为它的一般跨度为100200bp100200bp，可使旁侧的基因转录，可使旁侧的基因转录，可使旁侧的基因转录，可使旁侧的基因转录效率提高效率提高效率提高效率提高100100倍。倍。倍。倍。n n增强子由若干组件构成，其基本的核心组件常由增强子由若干组件构成，其基本的核心组件常由增强子由若干组件构成，其基本的核心组件常由增强子由若干组件构成，其基本的核心组件常由8bp12bp8bp12bp组成，可以有完整的或部分的回文结构，组成，可以有完整的或部分的回文结构，组成，可以有完整的或部分的回文结构，组成，可以有完整的或部分的回文结构，并以单拷贝或多拷贝的形式存在，增强子普遍存并以单拷贝或多拷贝的形式存在，增强子普遍存并以单拷贝或多拷贝的形式存在，增强子普遍存并以单拷贝或多拷贝的形式存在，增强子普遍存在于多种真核生物、原核生物以及病毒的基因组在于多种真核生物、原核生物以及病毒的基因组在于多种真核生物、原核生物以及病毒的基因组在于多种真核生物、原核生物以及病毒的基因组上。它上。它上。它上。它决定基因表达的时空特异性决定基因表达的时空特异性决定基因表达的时空特异性决定基因表达的时空特异性。增强子（增强子（Enhancer）55增强子的特性增强子的特性n n增强子要有通过启动子才能发挥作用增强子要有通过启动子才能发挥作用增强子要有通过启动子才能发挥作用增强子要有通过启动子才能发挥作用。没有启动。没有启动。没有启动。没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性。子没有严格的专一性。子没有严格的专一性。子没有严格的专一性。n n增强子的效应与位置无关增强子的效应与位置无关增强子的效应与位置无关增强子的效应与位置无关。它可以在基因的上游。它可以在基因的上游。它可以在基因的上游。它可以在基因的上游和下游发挥作用。和下游发挥作用。和下游发挥作用。和下游发挥作用。n n增强子作用与序列的方向性无关增强子作用与序列的方向性无关增强子作用与序列的方向性无关增强子作用与序列的方向性无关。n n增强子具有很强的组织或细胞特异性增强子具有很强的组织或细胞特异性增强子具有很强的组织或细胞特异性增强子具有很强的组织或细胞特异性。56n沉默子是沉默子是是一种参与基因表达的是一种参与基因表达的负性调控元件负性调控元件，对基因的转录具有抑制作用。对基因的转录具有抑制作用。n沉默子的作用沉默子的作用不受序列方向的影响不受序列方向的影响，也能远距离，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。沉默子（沉默子（silencersilencer）57反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。白质。又称为又称为转录因子转录因子(Transcription Factor,TF)，能，能直接或间接直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件的地识别或结合在各顺式作用元件的（8bp 12bp）核心序列上，参与调控靶基因表）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白质。达效率的蛋白质。1 1反式作用因子的种类反式作用因子的种类 （三）反式作用因子（三）反式作用因子58与与RNA聚合酶聚合酶II作用的转录因子作用的转录因子 TBP TBP TBP TBP（TFII DTFII DTFII DTFII D）特异性识别特异性识别特异性识别特异性识别TATATATATATATATA盒盒盒盒 TAF TAF TAF TAF辅助辅助辅助辅助TBP-DNATBP-DNATBP-DNATBP-DNA结合结合结合结合 TFII A TFII A TFII A TFII A稳定稳定稳定稳定TFII BTFII BTFII BTFII B与与与与TBPTBPTBPTBP对启动子的结合对启动子的结合对启动子的结合对启动子的结合 TFII B TFII B TFII B TFII B结合结合结合结合TBPTBPTBPTBP，并结合聚合酶，并结合聚合酶，并结合聚合酶，并结合聚合酶II-TFII FII-TFII FII-TFII FII-TFII F复合物复合物复合物复合物 TFII E TFII E TFII E TFII E结合结合结合结合TFII HTFII HTFII HTFII H，具有，具有，具有，具有ATPATPATPATP酶和解旋酶活性酶和解旋酶活性酶和解旋酶活性酶和解旋酶活性 TFII F TFII F TFII F TFII F紧密与聚合酶紧密与聚合酶紧密与聚合酶紧密与聚合酶IIIIIIII结合；也与结合；也与结合；也与结合；也与TFII BTFII BTFII BTFII B结合；阻遏结合；阻遏结合；阻遏结合；阻遏聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶IIIIIIII和非特异的和非特异的和非特异的和非特异的DNADNADNADNA序列结合序列结合序列结合序列结合 TFII H TFII H TFII H TFII H具有解旋酶活性，使具有解旋酶活性，使具有解旋酶活性，使具有解旋酶活性，使DNADNADNADNA解开双链；使聚合酶解开双链；使聚合酶解开双链；使聚合酶解开双链；使聚合酶IIIIIIII的的的的CTDCTDCTDCTD磷酸化；结合核苷酸磷酸化；结合核苷酸磷酸化；结合核苷酸磷酸化；结合核苷酸-切除修复蛋白切除修复蛋白切除修复蛋白切除修复蛋白592转录因子与顺式作用元件相互作用的转录因子与顺式作用元件相互作用的结构基础结构基础转录因子含有三个功能不同的结构域：转录因子含有三个功能不同的结构域：DNA结合结合结构域结构域（DNA binding domain）、）、转录活化结构转录活化结构域域（transcriptional activation domain）和）和与其与其它蛋白因子结合的结构域它蛋白因子结合的结构域（protein binding domain）。）。转录因子能够特异性地识别和结合顺式作用元件转录因子能够特异性地识别和结合顺式作用元件是是DNA结合结构域特定的空间结构所决定的。结合结构域特定的空间结构所决定的。60DNA结合结构域结合结构域转录因子的转录因子的DNA结合结构域结合结构域有三种特定的空间结构：有三种特定的空间结构：螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）结）结构构锌指锌指（zinc finger）结构）结构亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucine zipper）结构）结构61螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix）n n两个两个两个两个 -螺旋（螺旋（螺旋（螺旋（7 79 9氨基酸残基）通过一段氨基酸残基）通过一段氨基酸残基）通过一段氨基酸残基）通过一段 -转角转角转角转角连接，其中一个连接，其中一个连接，其中一个连接，其中一个 -螺旋螺旋螺旋螺旋富含碱性氨基酸残基，是富含碱性氨基酸残基，是富含碱性氨基酸残基，是富含碱性氨基酸残基，是与与与与DNADNA结合的结构域结合