真核生物的基因表达调控

DNA甲基化与印记
多个启动子的选择性使用
某些真核生物的基因不止一个启动子，例如，抗肌营
养不良蛋白有8个启动子，通过使用不同的启动子可转 录出不同长度的mRNA，它们经过翻译可产生不同性 质或功能的蛋白质产物。 人谷胱甘肽还原酶的基因具有两个启动子，这两个启 动子分别指导定位于细胞质和线粒体的谷胱甘肽还原 酶的合成。指导线粒体谷胱甘肽还原酶的启动子在指 导细胞质谷胱甘肽还原酶启动子的上游。显然，上游 启动子转录出来的mRNA要比下游启动子转录出来的 mRNA要长。分析它们的核苷酸序列以后发现，长 mRNA的起始密码子位置前移，因而会多翻译一段指 导进入线粒体的信号肽序列。
在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础
转录因子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有：增强子、沉默子、绝 缘子和各种反应元件；参与基因表达调控的反式作用因子也称为 转录因子，它们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏 蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达，而阻遏蛋白与沉默子结 合，抑制基因的表达，某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以 作为阻遏蛋白其作用，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。 辅激活蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质 的相互作用而行使功能，作用方式包括：招募其它转录因子和携 带修饰酶（如激酶或乙酰基转移酶）到转录复合物而刺激激活蛋 白的活性；辅阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点，但同样通过蛋白质 与蛋白质的相互作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的 激活位点、作为负别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶（如 磷酸酶或组蛋白去乙酰基酶）的活性。
阻遏蛋白与沉默子结合以后抑制基因表达的三种可能方式
转录水平调控的实例
酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控
热休克蛋白的基因表达调控 激素诱导的基因表达调控 金属硫蛋白的基因表达调控 生物发育过程中的组织特异性基因表达
酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控
酵母细胞内参与利用半乳糖代谢的3个基因GAL1（半乳糖激酶基
组蛋白乙酰化或去乙酰化与染色质转录活性的关系
组蛋白乙酰化与染色质重塑的关系
组蛋白的修饰与染色质构象变化的关系
在DNA水平上的基因表达调控
DNA扩增
DNA重排 DNA甲基化 基因丢失 DNA印记 启动子的选择使用
DNA扩增
是通过增加基因的拷贝数来提高基因表达效率的一种
锥体虫主要的表面抗原基因发生的重排 酿酒酵母在交配类型转换过程中发生的
基因重排
抗体基因多样性产生的分子机制
VJ和VDJ的重组连接 连接的多样性，重排过程中的连接是不精确的，
这种“故意”的不精确连接可导致氨基酸的变 化或缺失，从而影响到抗原结合位点的结构， 实际上它是抗体上出现高变区的原因 插入的多样性，TdT作用导致DJ连接或V-DJ连 接中随机插入若干个核苷酸到V基因、D基因 或J基因的末端 体细胞超突变，主要发生在V基因 选择性剪接和选择性加尾
DNA结合结构域
DNA结合结构域一般会含有以下几种结
构基序中的一种： （1）α-螺旋-转角-α-螺旋 （2）锌指结构 （3）碱性拉链 （4）α-螺旋-环-α-螺旋 （5）与小沟接触的β-支架因子
转录因子四种DNA结合结构域
碱性拉链结构域与DNA的结合
含有α-螺旋-突环-α-螺旋结 构域的MyoD与DNA的结合
手段，使用这种手段来进行调控的基因通常是细胞在 较短的时间内或在特定的发育阶段大量需要的基因。 当其它调控手段已到达极限的时候，DNA扩增就显得 尤为重要。 实例：果蝇的绒毛膜基因；两栖动物的成熟卵细胞的 rRNA基因；哺乳动物细胞的DHFR基因。
DNA重排
B淋巴细胞在成熟过程Ig基因经历的重排
真核生物在转录水平进行基因表达调控的主要方式
激活蛋白激活基因表达的可能机制
绝缘子作用的分子模型
ICR绝缘子对小鼠Igf2和H19基因表达的控制
转录因子
转录因子是泛指除RNA聚合酶以外的一系列参
与DNA转录和转录调节的蛋白质因子，分为基 础转录因子和调节转录因子，其中前者又称为 一般转录因子或普遍转录因子，专指从核心启 动子开始进行精确转录所必需的一组最低数量 的蛋白质的总称，其它转录因子参与转录的调 节，激活或阻遏基因的转录，因此属于调控转 录因子。 并不是所有的转录因子都能够与DNA结合，也 不是所有的转录因Βιβλιοθήκη Baidu都是激活基因的转录。
真核生物的基因表达调控
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更
有效和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真 核生物基因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要 在不同的生长时期和不同的发育阶段具有不同的基因 表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录 水平，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在 转录水平上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层 次是真核生物特有的，比如染色质水平、RNA后加工 水平和mRNA运输等； 调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子， 但真核生物一般无操纵子结构。
DNA甲基化导致基因转录活性丧失的三种可能机制
DNA印记
就许多真核生物的某些基因而言，在一个发育的个体之中，两个
等位基因中只有一个才表达，而哪一个被表达是由亲代决定的： 有的是来自父本的基因才能表达，如IGF-2基因，有的是来自母本 的基因才表达。这种由亲代决定的等位基因的选择性表达的机制 被称为印记。印记的手段是甲基化，不表达的等位基因的CpG岛 上的C被甲基化，表达的等位基因的CpG岛上的C没有被甲基化。 在配子形成时期，许多基因就开始以性别特异性的方式进行甲基 化反应，性别特异性的甲基化导致胚胎内来自不同亲本的等位基 因的区别表达。 尽管在胚胎发育的早期，其胚性细胞内的甲基化样式重新设定， 需要经历一波又一波的去甲基化和新甲基化反应，但这并不影响 到印记基因的甲基化。 在个体发育的整个阶段，由于组织特异性甲基化酶的作用，不同 类型的细胞其甲基化样式会发生改变，但被印记的基因始终得到 维持，这要归功于细胞内一种维持甲基化酶的作用。
因）、GAL7（半乳糖转移酶基因）和GAL10（半乳糖差向异构酶 基因），受到半乳糖可得性的协同调节，这3个基因尽管相互靠得 很近，但并不象原核生物那样组成操纵子。 在GAL1和GAL10之间有一段上游激活子序列（UAS），它为转 录因子GAL4蛋白的结合位点。 在没有半乳糖时，GAL4蛋白二聚体与GAL80蛋白组成的复合物 与UAS结合，这时GAL80作为阻遏蛋白阻止GAL4激活GAL基因 的转录；在有半乳糖（同时无葡萄糖）时，半乳糖的代谢物与 GAL80上的结合位点结合，改变了GAL80的构象，并导致GAL4 的磷酸化从而激活GAL4，GAL基因因此被诱导表达
激活蛋白的效应器结构域
激活蛋白的效应器结构域即是激活基因转录的激活结
构域。转录因子上的DNA结合结构域只能让转录因子 与特定的顺式作用元件结合，以“锁定”被调节的目 标基因，激活基因表达的功能由转录因子上专门的激 活结构域承担。 已发现三种常见的激活结构域：（1）酸性结构域—— 富含酸性氨基酸残基，但常有1个疏水的氨基酸残基镶 嵌在其中。（2）富含Gln结构域；（3）富含Pro结构 域。
酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控
热休克蛋白的基因表达调控
与原核生物一样，真核生物在温度骤然升高或其它不良因素的
刺激下，体内热激蛋白基因被诱导表达以帮助细胞度过难关。 热激蛋白的基因表达除了启动子以外还受到HSE和热激因子 （HSF）的控制，其中HSE位于热休克基因的上游，其一致序 列是GAANNTTCNNGAA，HSF是与HSE结合的转录因子。 就哺乳动物而言，在正常的条件下，其细胞内的HSF以单体的 形式存在，缺乏结合DNA的活性；在细胞受热或受其它不良因 素的刺激下，HSF从单体变成三聚体后进入细胞核，并与HSE 结合，上调热休克基因的表达。然而，HSF的三聚体化和与 DNA结合还不足以诱导转录，因为在酵母细胞内，HSF一直以 三聚体的形式存在并始终与DNA结合，因此，HSF在与DNA结 合以后还应该有第二步激活步骤。已有实验证明，酵母和果蝇 HSF的第二步激活由超氧阴离子负责。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核
生物DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转 录的“默认状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行 的负调控，而真核生物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控 机制主要是通过激活蛋白进行的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响 到基因的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所 在位置的染色质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位 是核小体，因此，染色质结构的改变是从核小体的变化开始的， 而核小体的变化是从组蛋白的共价修饰和去修饰开始的。 组蛋白能够经历的共价修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛酰 化和ADP-核糖基化等，其中乙酰化对染色质结构的影响最大。 组蛋白的乙酰化修饰至少具有三个功能：（1）中和Lys残基上的 正电荷而减弱组蛋白与DNA的亲和力；（2）招募其它刺激转录 的激活蛋白和辅激活蛋白；（3）启动染色质重塑。以上三个方面 均有利于基因转录的发生。
锥体虫主要表面抗原基因的重排
酿酒酵母在交配类型转换过程中发生的基因重排
DNA甲基化与基因表达
DNA甲基化是一种复制后加工反应。真核生物和原核生物的甲基
化位点和甲基化的功能完全不同。 真核生物DNA的甲基化位点主要是CpG 二核苷酸（少数是CpNpG 三核苷酸序列）之中的C，甲基供体为SAM，由DNA甲基化酶催 化，C甲基化后成为5-甲基胞嘧啶。 CpG序列在基因组中的分布并不均一，它们通常成簇存在，形成 所谓的CpG岛。每一个CpG岛长度在1kb~2kb左右，通常位于基因 的启动子附近或内部，并有可能延伸到基因的第一个外显子。 甲基化样式与基因表达有关：活性基因的CpG岛处于去甲基化状 态，非活性基因的CpG岛处于甲基化状态。管家基因的CpG岛在 所有的细胞都呈去甲基化状态，而组织特异性基因的CpG岛只是 在表达它的细胞才处于去甲基化状态。
转录因子的结构
绝大多数转录因子至少具有以下三种不同的结构域的
一种： （1）DNA结合结构域，直接与顺式作用元件结合的转 录因子都具有此结构域。转录因子通常使用此结构域 之中的特殊α-螺旋与顺式作用元件内的大沟接触，通 过螺旋上的特殊氨基酸残基的侧链基团与大沟中的特 殊碱基对之间的次级健（主要是氢键）相互识别而产 生特异性。许多转录因子在此结构域上富含碱性氨基 酸，这可能有利于它和DNA骨架上带负电荷的磷酸根 发生作用； （2）效应器结构域，这是转录因子调节转录效率（激活 或阻遏）、产生效应的结构域； （3）多聚化结构域，此结构域的存在使得转录因子之间 能够组装成二聚体或多聚体（同源或异源）。下面将 集中介绍前两种结构域，特别是DNA结合结构域。
抗体轻链基因的重排机制
胚性细胞内轻链基因的结构
抗体重链基因重排、转录、后加工和翻译
D基因和J基因连接的多样性
锥体虫主要表面抗原基因的重排
锥体虫是由一种叫采采蝇的吸血蝇传播的血液寄生
性原生动物，它是非洲昏睡病的病原体。在应付宿 主细胞的免疫系统方面，锥体虫可谓是魔高一丈， 它会不断而有序地改变其表面抗原，以逃避免疫系 统对它的攻击，因此，一旦人被感染锥体虫，患者 极容易进入慢性感染状态，最后可能发展到严重的 神经损伤、昏迷或死亡。 锥体虫的表面抗原性质与其可变的表面糖蛋白 （VSG），由它形成一种保护性的外被。锥体虫基 因组约有1000拷贝的VSG基因，但并不是所有的 VSG基因都能表达。只有处于表达偶联位点的拷贝 （ELC）才有可能被转录，其它位点上的VSG被称 为基本拷贝（BC），无转录活性。