真核生物基因的表达调控

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1、基 因 的 表 达 调 控 Gene Regulation 第 七 章 真 核 生 物 基 因 的表 达 调 控 主 要 内 容第 一 节 真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 概 述第 二 节 DNA水 平 的 表 达 调 控第 三 节 转 录 水 平 的 表 达 调 控第 四 节 其 他 水 平 上 的 表 达 调 控 第 一 节 真 核 生 物 基 因 表 达 调 控概 述 一 、 调 控 的 细 胞 学 基 础 原 核 生 物 一 般 为 自 由 生活 的 单 细 胞 有 机 体 。 直 接暴 露 在 变 化 莫 测 的 环 境 中 ，食 物 供 应 无 保 障 ， 只 有 根据 环

2、 境 条 件 的 变 化 而 改 变其 代 谢 途 径 ， 才 能 维 持 自身 的 生 存 和 繁 衍 。 因 而 ，营 养 条 件 和 环 境 因 素 是 其基 因 表 达 调 控 的 主 要 信 号 。 真 核 生 物 主 要 由 多 细胞 组 成 。 食 物 来 源 和 代 谢途 径 相 对 比 较 稳 定 。 但 是由 于 它 们 多 为 多 细 胞 有 机体 ， 在 个 体 发 育 中 出 现 细胞 分 化 ， 而 不 同 类 型 的 细胞 在 质 和 量 上 对 蛋 白 质 的需 求 是 不 同 的 。 因 而 ， 激素 水 平 和 发 育 阶 段 是 其 基因 表 达 调 控

3、的 主 要 信 号 。原 核 生 物 真 核 生 物 真 核 生 物 和 原 核 生 物 细 胞 结 构 的 不 同 ， 导 致 其基 本 生 活 方 式 完 全 不 同 ， 所 以 在 基 因 表 达 调 控 上 各具 特 点 。 对 于 原 核 生 物 而 言 ， 既 无 充 足 的 能 源 贮 备 ， 又无 高 等 植 物 制 造 有 机 物 的 本 领 ， 也 不 能 象 动 物 一 样主 动 获 取 食 物 。 因 此 ， 调 控 是 为 了 适 应 环 境 ， 获 取营 养 ， 达 到 生 存 最 优 化 。 调 控 特 点 体 现 一 个 “ 快 ”字 ， 快 速 适 应 环 境

4、 ， 获 取 营 养 ， 合 成 必 需 蛋 白 质 、降 解 不 必 要 成 分 。 这 是 长 期 进 化 ， 获 得 的 适 应 应 变能 力 。 -适 应 环 境 获 取 营 养 、 解 决 “ 温 饱 ” 问 题 真 核 基 因 表 达 调 控 的 最 显 著 特 征 是 程 序 调 控 、按 “ 既 定 方 针 办 ” 。 在 特 定 时 间 和 特 定 的 细 胞 中激 活 特 定 的 基 因 ， 从 而 实 现 “ 预 定 ” 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 在 一 定 的 环 境 条 件 范 围

5、内 保 持 正 常 生 理 功 能 ，期 间 仅 极 少 基 因 间 接 或 直 接 受 环 境 因 素 的 影 响 。这 一 特 点 使 真 核 在 千 变 万 化 的 环 境 下 ， 主 要 组 织或 器 官 仍 能 维 持 正 常 功 能 。 -“处 世 不 惊 ” 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 ：第 一 类 是 瞬 时 调 控 或 称 为 可 逆 调 控 ， 它 相 当 于 原核 细 胞 对 环 境 条 件 变 化 所 做 出 的 反 应 。 瞬 时 调 控包 括 某 种 底 物 或

6、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 。第 二 类 是 发 育 调 控 或 称 不 可 逆 调 控 ， 是 真 核 基 因调 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 。 2、 根 据 基 因 表 达 调 控 在 同一 事 件 中 发 生 的 先 后 次序 又 可 分 为 ：u DNA水 平 的 调 控 Gene Regulation at DNA levelu 转 录 水 平 的 调 控 Transcriptional Regulationu 转 录 后 水 平

7、 的 调 控 Post transcriptional Regulationu 翻 译 水 平 的 调 控 Translational Regulation u 蛋 白 质 加 工 水 平 的 调 控 Protein maturation and Processing 第 二 节 DNA水 平 的 基 因 表 达 调 控v基 因 丢 失v基 因 扩 增v基 因 重 排vDNA甲 基 化 状 态 与 调 控v染 色 体 结 构 与 调 控 一 、 基 因 丢 失 （ Gene loss） 在 细 胞 分 化 过 程 中 ， 可 以 通 过 丢 失 掉 某 些 基 因而 去 除 这 些 基 因 的

8、 活 性 。 某 些 原 生 动 物 、 线 虫 、 昆虫 和 甲 壳 类 动 物 在 个 体 发 育 中 ， 许 多 体 细 胞 常 常 丢失 掉 整 条 或 部 分 的 染 色 体 ， 只 有 将 来 分 化 产 生 生 殖细 胞 的 那 些 细 胞 一 直 保 留 着 整 套 的 染 色 体 。例 如 ： 在 蛔 虫 胚 胎 发 育 过 程 中 ， 有 27 DNA丢 失 。 在 高等 动 植 物 中 ， 尚 未 发 现 类 似 现 象 。 二 、 基 因 扩 增 （ Gene amplification） 基 因 扩 增 是 指 某 些 基 因 的 拷 贝 数 专 一 性 增 大 的

9、现象 。 它 使 得 细 胞 在 短 期 内 产 生 大 量 的 基 因 产 物 以 满 足生 长 发 育 的 需 要 ， 是 基 因 活 性 调 控 的 一 种 方 式 。例 如 ： 非 洲 爪 蟾 的 卵 母 细 胞 中 原 有 rDNA约 500个 拷 贝 ，在 减 数 分 裂 的 粗 线 期 ， 基 因 开 始 迅 速 复 制 ， 到 双 线 期 拷贝 数 约 为 200万 个 ， 扩 增 近 4000倍 ， 可 用 于 合 成 1012个 核糖 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 （ gene re-ar

10、rangement） 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 基 因 重 排 。 通 过 基 因 重 排 调 节 基 因 活 性 的 典 型 例 子 是 免 疫球 蛋 白 结 构 基 因 的 表 达 。 免 疫 球 蛋 白 由 B-淋 巴 细 胞 合 成 ， 其 肽 链 主 要 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 。 人 类 基 因 组 中 免 疫 球 蛋 白 基 因 主 要 片 段的 数 量 比 较所 有

11、Ig分 子 都 含 有 两 类 轻 链 中 的 一 类 ， 即 型 或 型 。 V、 C和 J基 因 片 段 在 胚 胎 细 胞 中 相 隔 较 远 。 编 码 产生 免 疫 球 蛋 白 的 细 胞 发 育 分 化 时 ， 通 过 染 色 体 内DNA重 组 把 4个 相 隔 较 远 的 基 因 片 段 连 接 在 一 起 ， 从而 产 生 了 具 有 表 达 活 性 的 免 疫 球 蛋 白 基 因 。 四 、 DNA的 甲 基 化 与 基 因 活 性 调 控 DNA甲 基 化 是 最 早 发 现 的 修 饰 途 径 之 一 ， 存 在于 所 有 高 等 生 物 中 。 DNA甲 基 化 能

12、关 闭 某 些 基 因 的活 性 ， 而 去 甲 基 化 则 诱 导 了 基 因 的 重 新 活 化 与 表 达 。 DNA甲 基 化 能 引 起 染 色 质 结 构 、 DNA构 象 、DNA稳 定 性 及 DNA与 蛋 白 质 相 互 作 用 方 式 的 改 变 ，从 而 控 制 基 因 表 达 。 1 DNA甲 基 化 的 主 要 形 式 DNA甲 基 化 主 要 形 成 5-甲 基 胞 嘧 啶 （ 5-mC） 和 少 量的 N6-甲 基 腺 嘌 呤 （ N6-mA）及 7-甲 基 鸟 嘌 呤 （ 7-mG） 。 真 核 生 物 中 ， 5-甲 基 胞 嘧 啶 主 要 出 现 在 CpG

13、、 CpXpG、CCA/TGG和 GATC中 。 其 中 ， CpG二 核 苷 酸 通 常 成 串 出现 在 DNA上 ， 因 而 被 称 为 CpG岛 （ CpG island） 。 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 中 有6090%的 CpG 被 甲 基 化 ， 。 2、 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 ：u 日 常 型 （ maintenance） 甲 基 转 移 酶 ： 在 甲 基 化 母 链指 导 下 可 使 半 甲 基 化 的 DNA甲

14、基 化 。 例 如 : DNA复制 之 后 新 链 的 甲 基 化 。u 从 头 合 成 （ de novo synthesis） 甲 基 转 移 酶 ： 催 化 未甲 基 化 的 CpG成 为 mCpG， 不 需 要 母 链 指 导 ， 但 速度 很 慢 。 日 常 型 甲 基 转 移 酶 引 起 的 半 甲 基 化 DNA的 甲 基 化 3、 甲 基 化 抑 制 基 因 转 录 的 机 制u DNA甲 基 化 会 导 致 某 些 区 域 DNA构 象 改 变 ， 使 染 色质 高 度 螺 旋 化 , 凝 缩 成 团 , 直 接 影 响 了 转 录 因 子 与 启动 子 区 DNA的 结 合

15、 效 率 。u DNA的 甲 基 化 不 利 于 模 板 与 RNA聚 合 酶 的 结 合 ， 从而 降 低 转 录 活 性 。u 甲 基 化 的 CpG可 以 通 过 与 甲 基 化 CpG结 合 蛋 白 1（ Methyl CpG-binding protein1, MeCP1） 的 结 合 间接 影 响 转 录 因 子 与 DNA的 结 合 。 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 对 弱 启 动 子 来 说 ， 少 量 甲 基 化 就 能 使 其 完 全 失去 转 录 活 性 。 当 这 类 启 动 子 被 增

16、强 时 ， 即 使 不 去 甲基 化 也 可 以 恢 复 其 转 录 活 性 。 甲 基 化 密 度 较 高 时 ，即 使 增 强 后 的 启 动 子 仍 无 转 录 活 性 。 甲 基 化 对 转 录 的 抑 制 强 度 与 甲 基 化 CpG结 合 蛋 白因 子 MeCP1结 合 DNA的 能 力 成 正 相 关 ， 甲 基 化 的 密度 和 启 动 子 强 度 之 间 的 平 衡 决 定 了 该 启 动 子 是 否 具有 转 录 活 性 。 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 DNA甲 基 化 通 过 对 基

17、 因 转 录 的 抑 制 ， 可 直 接 参 与 细胞 分 化 和 个 体 发 育 。 随 着 细 胞 的 分 化 和 个 体 发 育 ， 当需 要 某 些 基 因 保 持 “ 沉 默 ” 时 ， 它 们 将 迅 速 被 甲 基 化 ，若 需 要 恢 复 转 录 活 性 ， 则 去 甲 基 化 。DNA 去 甲 基 化 有 两 种 方 式 :u 被 动 途 径 : 一 种 核 因 子 可 以 粘 附 于 上 DNA, 使 粘 附 点附 近 的 DNA不 能 被 完 全 甲 基 化 , 从 而 阻 断 甲 基 化 酶的 作 用 。 u 主 动 途 径 : 是 由 去 甲 基 酶 的 作 用 ,

18、将 DNA的 甲 基 基 团移 去 。 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 在 细 胞 分 裂 间 期 的 染 色质 的 形 态 不 均 匀 ， 根 据 其 形态 及 染 色 特 点 可 分 为 2类 ：常 染 色 质 ： 呈 疏 松 的 环 状 ，电 镜 下 表 现 为 浅 染 ； 异 染 色 质 ： 呈 现 凝 缩 状 态 ，电 镜 下 表 现 为 深 染 。 转 录 发 生 时 ， 染 色 质需 要 在 特 定 的 区 域 解 旋 或 松弛 ， 导 致 基 因 暴 露 ， 转 录 因子 与 启 动 子 区 DNA

19、结 合 ， 起始 基 因 转 录 。 因 此 ， 染 色 质 呈 疏 松或 紧 密 结 构 ， 即 是 否 处 于“ 活 化 状 态 ” 是 决 定 RNA聚合 酶 能 否 有 效 行 使 转 录 功 能的 关 键 。 2、 组 蛋 白 和 核 小 体 对 基 因 转 录 的 影 响u 组 蛋 白 扮 演 了 非 特 异 性 阻 遏 蛋 白 的 作 用 。 组 蛋白 与 DNA结 合 阻 止 DNA上 基 因 的 转 录 ， 去 除 组蛋 白 基 因 又 能 够 恢 复 转 录 ;u 核 小 体 结 构 影 响 基 因 转 录 ， 转 录 活 跃 的 区 域 也常 缺 乏 核 小 体 的 结

20、构 。 第 三 节 转 录 水 平 的 基 因 表 达 调 控 真 核 基 因 表 达 调 控 主 要 也 是 在 转 录 水 平 上 进行 的 ， 受 大 量 特 定 的 顺 式 作 用 元 件 （ cis-acting element） 和 反 式 作 用 因 子 （ trans-acting factor）的 调 控 。 真 核 生 物 的 转 录 调 控 大 多 数 是 通 过 顺 式 作 用元 件 和 反 式 作 用 因 子 复 杂 的 相 互 作 用 来 实 现 的 。引 言 一 、 真 核 生 物 的 顺 式 作 用 元 件定 义 ： 指 对 基 因 表 达 有 调 节 活 性

21、的 DNA序 列 ， 其 活 性只 影 响 与 其 自 身 同 处 在 一 个 DNA分 子 上 的 基 因 。例 如 ： 启 动 子 、 增 强 子 、 沉 默 子 等 1、 启 动 子定 义 ： 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 。核 心 启 动 子 和 上 游 启 动 子 元 件 （ 类 ） 2、 增 强 子 （ Enhancer）定 义 ： 指 能 使 与 它 连 锁 的 基 因 转 录 频 率 明 显 增加 的 DNA序 列 。 作 为 基 因 表 达 的 重 要 调 节 元 件 ， 增 强 子 通 常具 有

22、 下 列 性 质 ： 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 ； 大 多 为 重 复 序 列 ， 一 般 长 约 50 bp， 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

23、 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 ； 没 有 基 因 专 一 性 ， 可 以 在 不 同 的 基 因 组 合 上 表现 增 强 效 应 ； 许 多 增 强 子 还 受 外 部 信 号 的 调 控 ， 如 ： 金 属 硫 蛋 白 的 基 因 启 动 区 上 游 所 带 的 增 强子 ， 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 可 能 有 如 下 3种 作 用机 制 ：

24、影 响 模 板 附 近 的 DNA双 螺旋 结 构 ， 导 致 DNA双 螺 旋 弯折 或 在 反 式 因 子 的 参 与 下 ，以 蛋 白 质 之 间 的 相 互 作 用 为媒 介 形 成 增 强 子 与 启 动 子 之间 “ 成 环 ” 连 接 ， 活 化 基 因转 录 ； 将 模 板 固 定 在 细 胞 核 内 特 定 位 置 ， 如 连 接 在 核 基质 上 ， 有 利 于 DNA拓 扑 异 构 酶 改 变 DNA双 螺 旋 结 构的 张 力 ， 促 进 RNA聚 合 酶 在 DNA链 上 的 结 合 和 滑 动 ； 增 强 子 区 可 以 作 为 反 式 作 用 因 子 或 RNA聚

25、 合 酶 进入 染 色 质 结 构 的 “ 入 口 ” 。 3、 沉 默 子 （ Silencer） 为 负 性 调 节 元 件 ， 当 其 结 合 特 异 蛋 白 因 子时 ， 对 基 因 转 录 起 阻 遏 作 用 。 最 早 在 酵 母 中 发现 ， 可 不 受 序 列 方 向 的 影 响 ， 也 能 远 距 离 发 挥作 用 。 4、 应 答 元 件 （ Response Element） 能 与 某 个 （ 类 ） 专 一 蛋 白 因 子 结 合 ， 从 而 控 制 基因 特 异 表 达 的 DNA上 游 序 列 称 为 应 答 元 件 （ Response Element） 。 含

26、 有 短 的 共 有 序 列 ； 在 不 同 基 因 中 ， 拷 贝 相 似 ， 有时 有 多 个 拷 贝 ； 与 转 录 起 点 距 离 不 固 定 ， 一 般 位 于 上 游元 件 或 增 强 子 内 ；u热 激 应 答 元 件 （ heatshock response element， HSE） u糖 皮 质 应 答 元 件 （ glucocorticoid response element， GRE）u金 属 应 答 元 件 （ metal response element， MRE)常 见 的 应 答 元 件 有 ： 二 、 真 核 生 物 的 反 式 作 用 因 子 反 式 作 用

27、 因 子 是 参 与 转 录 调 控 的 蛋 白 因 子 ，能 直 接 地 或 间 接 地 识 别 或 结 合 在 各 类 顺 式 作 用 元件 上 ， 与 顺 式 作 用 元 件 一 起 对 转 录 起 调 控 作 用 。通 过 蛋 白 质 -DNA， 蛋 白 质 -蛋 白 质 相 互 作 用 是 其发 挥 功 能 的 基 础 。 1、 反 式 作 用 因 子 的 分 类（ 1） 通 用 反 式 作 用 因 子 ： 在 一 般 细 胞 中 普 遍 存 在 ， 主 要识 别 启 动 子 的 核 心 成 分 。 如 识 别 TATA框 的 TBP；识 别 GC框 的 SP1； 识 别 八 聚 体

28、 核 苷 酸 的 Oct-1等 ；（ 2） 特 异 反 式 作 用 因 子 ： 存 在 于 特 殊 组 织 与 细 胞 中 的 反式 作 用 因 子 。 如 ： 淋 巴 细 胞 中 的 Oct-2；（ 3） 诱 导 型 因 子 ： 与 应 答 元 件 相 结 合 的 反 式 作 用 因 子 。 如 ： 与 激 素 应 答 元 件 GRE结 合 的 糖 皮 质 激 素 ； 与 热激 应 答 元 件 特 异 性 结 合 的 热 激 因 子 （ HSF） 等 。 2、 反 式 作 用 因 子 中 的 功 能 结 构 域3个 主 要 的 功 能 结 构 域 ：（ 1） DNA识 别 结 合 域 （ D

29、NA-binding domain） 与 顺 式 作 用 元 件 结 合 的 结 构 区 域 ， 主 要 起 与DNA结 合 的 作 用 。（ 2） 转 录 活 化 结 构 域 (transcriptional activation domain） 与 其 他 蛋 白 因 子 结 合 ， 参 与 募 集 启 动 子 结 合 蛋 白和 转 录 起 始 复 合 体 ， 控 制 基 因 转 录 活 化 的 结 构 区 域 。（ 3） 联 结 区 域 （ connector） 反 式 作 用 因 子 的 “ DNA结 合 域 ” 和 “ 活 化 结 构 域 ”是 独 立 发 挥 作 用 的 。 DNA

30、结 合 域 的 功 能 是 把 活 化 结 构 域“ 拴 在 ” 起 始 复 合 体 附 近 ， 使 之 能 够 发 挥 活 化 转 录 的 作用 。 DNA结 合 域 和 活 化 结 构 域 之 间 的 “ 联 结 区 域 ” 是 具有 足 够 柔 性 的 ， 这 样 无 论 DNA结 合 域 所 结 合 的 具 体 位 点在 哪 里 ， 都 能 使 活 化 结 构 域 找 到 其 靶 蛋 白 。 3、 反 式 作 用 因 子 中 的 DNA识 别 结 合 域 反 式 作 用 因 子 是 能 直 接 或 间 接 地 识 别 或 结 合在 各 类 顺 式 作 用 元 件 上 ， 参 与 调 控

31、 靶 基 因 转 录 效率 的 蛋 白 质 。u螺 旋 -转 角 -螺 旋 （ Helix-turn-helix ， H-T-H）u锌 指 （ Zinc finger ） 结 构u碱 性 -亮 氨 酸 拉 链 （ basic-Leucine zippers ）u碱 性 -螺 旋 -环 -螺 旋 （ basic-helix-loop-helix） 螺 旋 -转 角 -螺 旋 (H-T-H)结 构 该 结 构 域 主 要 包 含 两 个 或 以 上 -螺 旋 区 和 螺 旋 区中 间 的 转 折 区 。 主 要 通 过 一 个 靠 C端 的 -螺 旋 与 DNA双 螺 旋 大 沟 结 合 。 锌

32、指 （ Zinc finger） 结 构 是 一 种 常 出 现 在 DNA结 合 蛋 白 中 的 结 构 。 是 由一 个 含 有 大 约 30个 氨 基 酸的 环 和 一 个 与 环 上 的 4个Cys或 2个 Cys与 2个 His配位 的 Zn构 成 ， 形 成 的 结 构像 手 指 状 。 Cys2 / Cys2锌 指 Cys2 / His2锌 指甾 体 激 素 受 体 SP1， TF A 具 有 Cys2/Cys2锌 指 区 的 转 录 因 子 典 型 的 类 固 醇 激 素 受 体 结 构 示 意 图 一 些 具 有 Cys2/His2锌 指 区 的 转 录 因 子 和 蛋 白

33、质 转 录 因 子 SP1 （ GC盒 ） 、 连 续 的 3个 锌 指 重 复 结 构 。 TF III A结 构 域 示 意 图 碱 性 -亮 氨 酸 拉 链 -螺 旋 结 构 上 每 6个 氨 基酸 就 有 1个 亮 氨 酸 残 基 ， 这 些亮 氨 酸 出 现 在 -螺 旋 的 一 个 方向 ， 每 两 个 蛋 白 组 成 一 个 二 聚体 ， 使 亮 氨 酸 相 对 排 列 ， 形 成拉 链 样 结 构 ； 在 拉 链 区 的 氨 基 端 有 约 30个 氨 基 酸 残 基 的 碱 性 区 (富 含赖 氨 酸 和 精 氨 酸 )。 此 区 的 作用 是 与 DNA结 合 ， 它 也

34、形 成 -螺 旋 。 不 同 转 录 因 子 的 亮 氨 酸 拉 链 结 构 氨 基 酸 组 成 图 碱 性 -螺 旋 -环 -螺 旋 （ bHLH ） 蛋 白 质 的 C端 的 氨 基 酸残 基 形 成 两 个 -螺 旋 ， 中间 被 非 螺 旋 的 环 状 结 构 隔开 ， 蛋 白 质 的 N端 是 碱 性区 ， 为 DNA结 合 区 。 碱 性 -螺 旋 -环 -螺 旋 类蛋 白 通 常 也 是 组 成 二 聚 体的 形 式 ， 这 才 具 有 结 合DNA的 能 力 。 二 聚 体 bHLH蛋 白 与 DNA结 合 模 式 图 4、 常 见 的 转 录 活 化 结 构 域u酸 性 -螺

35、 旋 结 构 域 （ acidic helix domain）u富 含 谷 氨 酰 胺 结 构 域 （ glutamine-rich domain）u富 含 脯 氨 酸 结 构 域 （ proline-rich domain） 一 般 是 DNA结 合 结 构 域 以 外 的 30-100氨 基 酸残 基 组 成 ， 主 要 包 括 以 下 几 种 特 征 性 结 构 ： （ 1） 酸 性 -螺 旋 (acidic -helix)/带 负 电 荷 的 螺 旋 结 构 该 结 构 域 含 有 由 酸 性 氨 基 酸 残 基 组 成 的 保 守 序 列 ， 多 呈带 负 电 荷 的 亲 脂 性 -

36、螺 旋 。 包 含 这 种 结 构 域 的 转 录 因 子 有GAL4、 GCN4和 糖 皮 质 激 素 受 体 等 。（ 2） 谷 氨 酰 胺 丰 富 区 （ glutamine-rich domain） SP1是 启 动 子 GC盒 的 结 合 蛋 白 ， 共 有 4个 参 与 转 录 活 化的 区 域 ， 其 中 最 强 的 转 录 活 化 域 含 25%左 右 的 谷 氨 酰 胺 。 酵母 的 HAP1、 HAP2和 GAL2及 哺 乳 动 物 的 OCT-1、 OCT-2、Jun、 AP2和 SRF也 含 有 这 种 结 构 域 。（ 3） 脯 氨 酸 丰 富 区 （ proline

37、-rich domain） CTF家 族 （ 包 括 CTF-1、 CTF-2、 CTF-3） 的 C末 端 与 其 转录 激 活 功 能 有 关 ， 含 有 20-30%的 脯 氨 酸 残 基 ， 其 它 如 Oct2、 哺 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 三 、 真 核 基 因 转 录 调 控 的 模 式 细 胞 是 生 命 活 动 的 基 本 单 位 。 细 胞 通 过DNA的 复 制 和 细 胞 分 裂 将 本 身 所 固 有 的 遗 传信 息 由 亲 代 传 至 子 代 ， 实 现 增 殖 繁 衍 。 同

38、 时 ，它 们 还 不 断 地 “ 感 知 ” 环 境 变 化 ， 并 对 环 境变 化 作 出 特 定 的 应 答 。 细 胞 应 答 可 以 分 为 3个 阶 段 ： 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 特 定 基 因 的 表 达 过 程问 题 1： 信 号 是 如 何 顺 利 通 过 细 胞 膜 和 核 膜 的 阻 隔 到 达核 内 ， 从 而 影 响 基 因 表 达 的 特 定 区 域 ？ 目 前 认 为 ， 细 胞 表 面 受 体 与 配 体 分 子 的 高 亲 和力 特 异 性

39、结 合 ， 能 诱 导 受 体 蛋 白 构 象 变 化 ， 使 细 胞胞 外 信 号 顺 利 通 过 质 膜 进 入 细 胞 内 。受 体 （ Receptor） ：是 细 胞 膜 上 或 细 胞 内 能 特 别 识 别 生 物 活 性 分 子 并与 之 结 合 的 成 分 。 它 能 把 识 别 和 接 受 的 信 号 正 确 无 误地 放 大 并 传 递 到 细 胞 内 部 ， 进 而 引 起 生 物 学 效 应 的 特殊 蛋 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 。配 体 （ Ligand） ： 真 核

40、 细 胞 主 要 跨 膜 信 号 传 导 途 径 细 胞 表 面 的 三类 受 体 示 意 图 胞 外 信 号 通 过 细 胞 膜 和 核 膜 的 阻 隔 到 达 核 内后 ， 反 式 作 用 因 子 被 活 化 而 特 异 性 的 结 合 到 特 定DNA序 列 （ 顺 式 作 用 元 件 ） 上 。 同 时 ， 通 过 自 身具 有 的 转 录 活 化 结 构 域 活 化 其 他 相 关 因 子 ， 从 而发 挥 转 录 调 控 作 用 。问 题 2： 反 式 作 用 因 子 是 如 何 被 活 化 呢 ？ 真 核 生 物 反 式 作用 因 子 活 性 调 节的 主 要 方 式 1、 蛋

41、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3、 激 素 对 基 因 转 录 的 影 响4、 热 激 蛋 白 对 基 因 表 达 的 影 响5、 金 属 硫 蛋 白 基 因 的 多 重 调 控转 录 调 控 实 例 ： 第 四 节 其 他 水 平 上 的 调 控 在 真 核 生 物 基 因 表 达 的 调 控 中 ， DNA水平 和 转 录 水 平 上 的 调 控 占 有 十 分 重 要 的 地 位 ，但 其 他 水 平 上 的 调 控 也 不 能 忽 视 。 这 些 调 控 包括 ： RNA的 加

42、工 成 熟 、 翻 译 水 平 的 调 控 以 及翻 译 后 水 平 的 调 节 等 多 个 环 节 的 调 控 。引 言 一 、 转 录 后 加 工 的 多 样 性 真 核 生 物 的 基 因 可 以 按 其 转 录 后 的 加 工 方式 分 为 两 大 类 ： 简 单 转 录 单 位 和 复 杂 转 录 单 位 。1、 简 单 转 录 单 位 ： 这 类 基 因 只 编 码 产 生 一 个 多 肽 ，其 原 始 转 录 产 物 有 时 需 要 加 工 ， 有 时 则 不 需 要 加 工 。 第 一 种 简 单 转 录 单 位 ： 基 因 没 有 内 含 子 ， mRNA 3末 端 没 有

43、ploy(A)， 基 本 不 存 在 转 录 后 加 工 问 题 。如 ： 组 蛋 白 基 因 。第 二 种 简 单 转 录 单 位 ： 基 因 没 有 内 含 子 ， mRNA不需 要 剪 接 ， 但 需 要 加 ploy(A)。 如 ： -干 扰 素 和 许 多酵 母 蛋 白 质 基 因 。第 三 种 简 单 转 录 单 位 ： 这 类 基 因 都 有 内 含 子 ， 也 需要 加 ploy(A)， 但 加 工 剪 接 后 只 产 生 一 种 有 功 能 的mRNA， 所 以 仍 然 是 简 单 转 录 单 位 。 如 ： 大 多 数 核基 因 。简 单 转 录 单 位 又 可 以 分 为

44、 3个 亚 类 ： 简 单 转 录 单 位 转 录 后 加 工 的 3种 主 要 形 式 组 成 型 剪 接 : 一 个 基 因 的 mRNA前 体 按 一 种 方 式 剪接 ， 产 生 一 种 mRNA， 翻 译 成 一 种 蛋 白 质 。 2、 复 杂 转 录 单 位 ： 其 原 始 转 录 产 物 能 通 过多 种 不 同 方 式 ， 加 工 成 两 种 或 两 种 以 上 的mRNA。 主 要 是 一 些 编 码 组 织 和 发 育 特 异 性蛋 白 质 /多 肽 的 基 因 。 （ 1） 利 用 多 个 5端 转 录 起 始 位 点 产 生 不 同 的 蛋 白 质 （ 2） 选 用

45、不 同 的 剪 接 位 点 产 生 不 同 的 蛋 白 质可 变 剪 接 （ 选 择 性 剪 接 ， alternative splicing） ：有 些 基 因 的 mRNA前 体 ， 按 不 同 方 式 剪 接 ， 产 生两 种 以 上 mRNA， 翻 译 产 生 多 种 蛋 白 质 。 其 实 质是 5供 体 与 3受 体 剪 接 点 的 选 择 搭 配 问 题 。 大 鼠 肌 钙 蛋 白 （ Torponin） 基 因 在 不 同 的 发 育 阶 段 以 及 在 不 同 横 纺 肌 种类 中 ， 由 于 不 同 的 选 择 性 剪 接 产 生 不 同 的 肌 钙 蛋 白 。 （ 3）

46、既 利 用 多 个 5端 转 录 起 始 位 点 ， 又 选 用 不 同 的剪 接 位 点 ， 产 生 不 同 的 蛋 白 质 。 （ 4） 利 用 多 个 ploy(A)位 点 和 不 同 的 剪 接 位 点 ， 产 生不 同 的 蛋 质 。 （ 5） 无 剪 接 ， 有 多 个 转 录 起 始 位 点 和 /或 加 poly(A)位 点 的 基 因 。 例 如 ： 二 氢 叶 酸 还 原 酶 基 因 和 酵 母 乙 醇 脱 氢 酶 基因 都 具 有 不 同 的 5端 和 ploy(A)位 点 。 大 鼠 -2-珠蛋 白 基 因 、 鸡 波 形 蛋 白 基 因 和 人 N-ras基 因 均

47、含 有 多个 ploy(A)位 点 ， 而 鸡 溶 菌 酶 基 因 和 酵 母 蔗 糖 酶 基 因则 拥 有 多 个 5端 。 二 、 翻 译 水 平 的 调 控1、 mRNA运 输 控 制2、 mRNA稳 定 性 的 调 控3、 mRNA结 构4、 翻 译 的 起 始 调 节5、 选 择 性 翻 译 6、 翻 译 的 自 我 调 节 1、 mRNA运 输 控 制 一 般 来 说 ， 合 成 的 mRNA只 有 大 约 1/12能 被转 运 出 核 进 入 细 胞 质 ， 50 左 右 的 在 核 内 降 解 ，还 有 一 些 留 在 核 内 。 换 句 话 说 ， 真 核 生 物 可 以 对

48、 从 细 胞 核 转 运 到细 胞 质 中 的 转 录 产 物 数 量 进 行 调 节 ， 这 种 调 节方 式 被 称 为 运 输 控 制 （ Transport Control） 。 2、 mRNA的 稳 定 性 与 基 因 表 达 调 控 真 核 生 物 能 否 长 时 间 、 及 时 利 用 成 熟 的 mRNA分 子 翻 译 出 蛋 白 质 以 供 生 长 、 发 育 的 需 要 ， 是 与mRNA的 稳 定 性 密 切 相 关 的 。 高 等 真 核 生 物 细 胞 质 中 所 有 的 RNA都 要 受 到 降解 控 制 （ Degradation Control） ， 不 同 m

49、RNA降 解效 率 不 同 。 mRNA的 选 择 性 降 解 主 要 由 于 核 酸 酶 和mRNA内 部 结 构 相 互 作 用 的 结 果 。 有 时 ， 加 入 调 节物 可 以 增 加 mRNA稳 定 性 。 不 加 入 催 乳 素 时 ， 体 系 中 的 酪 蛋 白 mRNA在 1-2小 时内 降 解 50%； 而 加 入 催 乳 素 40小 时 后 ， 酪 蛋 白mRNA才 降 解 50%。例 子 1： 催 乳 素 延 缓 酪 蛋 白 （ casein） mRNA的 降 解 例 子 2： 人 铁 蛋 白 及 转 运 铁 蛋 白 受 体 mRNA翻 译 调 控 转 铁 蛋 白 受

50、体 （ TfR） 和 铁 蛋 白 分 别 负 责 铁 吸收 和 铁 解 毒 。 这 两 个 mRNA上 存 在 铁 应 答 元 件（ Iron response element, IRE） 。 IRE与 IRE结 合蛋 白 （ IRE-BP） 相 互 作 用 控 制 了 这 两 个 mRNA的翻 译 效 率 。 当 细 胞 缺 铁 时 ， IRE-BP与 IRE具 有 高 亲 和 力 。 IRE-BP与 铁 蛋 白 mRNA的 5非 翻 译 区 中 的 IRE结 合 ， 有 效 地阻 止 铁 蛋 白 mRNA的 翻 译 。 与 此 同 时 ， 转 铁 蛋 白 受 体mRNA上 3非 翻 译 区

51、 中 的 IRE也 与 IREBP特 异 结 合 ， 有 效地 阻 止 转 铁 蛋 白 受 体 mRNA的 降 解 ， 促 进 转 铁 蛋 白 受 体蛋 白 的 合 成 。 细 胞 高 铁 时 细 胞 缺 铁 时铁 吸 收铁 解 毒 3、 mRNA的 结 构（ 1） mRNA的 5非 编 码 序 列 对 翻 译 水 平 的 影 响u 5帽 结 构 是 否 存 在 和 易 于 接 近 eIF-4F的 程 度 对 翻 译 效 率 有着 明 显 的 影 响 。u 起 始 密 码 子 AUG的 位 置 和 其 侧 翼 的 序 列 对 翻 译 的 效 率 也 有影 响 。u 5端 非 翻 译 区 的 长

52、 度 也 会 影 响 到 翻 译 的 效 率 和 起 始 的 精 确性 ， 当 此 区 长 度 在 17-80 nt之 间 时 ， 体 外 翻 译 效 率 与 其 长度 变 成 正 比 。 u 在 5UTR中 存 在 碱 基 配 对 区 时 ， 可 以 形 成 茎 环 二 级 结 构 ，这 类 结 构 会 阻 止 核 糖 体 40S亚 基 的 迁 移 ， 对 翻 译 起 始 有 抑制 作 用 。 （ 2） mRNA的 3端 的 结 构 对 翻 译 速 率 和 mRNA寿 命的 影 响 mRNA的 3端 的 poly(A)不 仅 和 mRNA穿 越 核膜 的 能 力 有 关 ， 而 且 影 响

53、到 mRNA的 稳 定 性 和 翻译 效 率 。 一 般 来 说 ， poly(A)越 长 ， mRNA半 衰 期 也 越长 ； Poly(A)对 翻 译 效 率 的 作 用 需 要 PABP存 在 。 4、 翻 译 的 起 始 调 节 -翻 译 起 始 因 子 的 磷 酸 化现 象 ： 当 细 胞 处 在 异 常 环 境 （ 如 饥 饿 、 pH变 动 、重 金 属 处 理 、 加 入 化 学 药 品 等 ） 或 蛋 白 质生 物 合 成 受 抑 制 时 ， 都 可 以 检 测 到 细 胞 内eIF-2的 磷 酸 化 作 用 。解 释 ： 翻 译 起 始 因 子 eIF-2磷 酸 化 ， 从

54、 而 选 择 性 地降 低 或 加 强 一 些 mRNA的 翻 译 。 例 子 ： eIF-2、 氯 高 铁 血 红 素 和 HCI的 相 互 关 系实 验 现 象 ： 用 兔 网 织 红 细 胞 体 系 研 究 蛋 白 质 合 成 时 ， 如 果不 向 体 系 中 添 加 氯 高 铁 血 红 素 ， 蛋 白 质 合 成 活 性 急 剧 下 降 。v 氯 高 铁 血 红 素 控 制 的 翻 译 抑 制 因 子 （ Hemin Controlled translational Inhibitor, HCI） 是 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 ， 受 氯高 铁 血 红 素 调 节 。 没 有 氯

55、 高 铁 血 红 素 存 在 时 ， 非 活 性 HCI可 以 通 过 自 身 的 磷 酸 化 变 成 活 性 型 。vHCI也 是 eIF-2的 激 酶 ， 使 eIF-2的 磷 酸 化 ， 由 活 性 型 变 成非 活 性 型 。 5、 选 择 性 翻 译 珠 蛋 白 是 由 两 条 链 和 两 条 链 组 成 的 。 在 正 常二 倍 体 细 胞 中 有 4个 亚 基 基 因 的 拷 贝 ， 2个 亚 基 基因 的 拷 贝 ， 其 转 录 效 率 相 当 。 理 论 上 ， 如 果 它 们 具有 相 同 的 翻 译 效 率 ， 那 么 它 们 之 间 的 量 比 应 该 是 : =2:

56、1， 而 实 际 上 是 1： 1。 也 就 是 说 ， 和 珠 蛋 白在 翻 译 水 平 上 存 在 差 异 。 这 种 翻 译 水 平 上 的 差 异 与 翻 译 起 始 因 子 的 亲 和力 不 同 有 关 。 换 句 话 说 ， 细 胞 选 择 性 地 高 效 率 翻 译珠 蛋 白 亚 基 。 6、 翻 译 的 自 我 调 节 用 微 量 注 射 器 将 微 管 蛋 白 注 入 到 细 胞 中 ， 会 抑 制 微 管 蛋 白的 进 一 步 合 成 。 微 管 的 功 能 ： 维 持 细 胞 形态 ， 辅 助 细 胞 内 运 输 ， 与其 他 蛋 白 共 同 装 配 成 纺 锤体 ， 基

57、 粒 ， 中 心 粒 ， 鞭 毛 ，纤 毛 神 经 管 等 结 构 。构 成 微 管 的 基 因 /蛋 白 质 ：由 ， 两 种 类 型 的 微 管 蛋白 亚 基 形 成 的 微 管 蛋 白 二聚 体 ， 微 管 蛋 白 二 聚 体 组成 的 长 管 状 细 胞 器 结 构 。 三 、 翻 译 后 水 平 的 调 控 翻 译 后 产 生 的 多 数 蛋 白 质 无 生 物 活 性 ， 必 须 经过 切 割 加 工 、 水 解 、 化 学 修 饰 、 剪 接 ； 某 些 蛋 白 质必 须 位 于 细 胞 内 特 定 位 置 ， 如 溶 酶 体 、 线 粒 体 、 叶绿 体 ； 某 些 蛋 白 质 需 与 其 他 蛋 白 质 结 合 ， 组 装 成 功能 单 位 ， 如 血 红 蛋 白 、 微 管 蛋 白 、 核 糖 体 等 。 本 章 结 束谢 谢 ！