第二章 真核基因表达与调控

RNA pol II 转录体系的顺式作用元件
其他反 应元件
增强子 或
沉默子
上游启动子 启动子
-110~-40
-30
CAAT盒 GC盒
TATA 盒
+1 结构基因
二、反式作用因子(trans-acting factor)
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作 用，调节其表达。
• 特点：一般位于启始位点-40~-110bp之间，有方向 性并与距离有关。
• 作用机制：调节TATA因子与TATA的结合、 RNA pol Ⅱ与启动子的结合、转录起始复合物的形成等。
核心启动子构成
2. 增强子
• 概念：能增强启动子活性的DNA序列。 • 特点：
1）能远距离增强启动子的活性； 2）无方向性，在启动子的上游和下游均起作用； 3）对启动子的影响无严格的专一性。 • 作用机制：可能通过与某些调节蛋白的结合改变 染色质的结构而发挥作用。
第三节 真核基因表达的调控
基因表达的多级调控
基因数目 基因激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
一、DNA和染色体结构对转录的调控 1. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化,降低转录 活性；甲基化范围与基因表达程度呈反比。
2. 组蛋白变化
➢ 绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过 蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体 (dimer)或多聚体(polymer)。
（四）反式作用因子结构特点
锌指(zinc finger)
三 个
DNA结合域
碱性α-螺旋 碱性亮氨酸拉链
结 构
碱性螺旋-环-螺旋
பைடு நூலகம்
域
酸性激活域
转录激活域 谷氨酰胺富含域
脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域
（二聚化结构域）
常见的DNA结合域(DNA-binging domain) 1. 锌指结构(zinc finger motif)
常结合GC盒
含1个α螺旋，2个 反向平行的β折迭； 与Zn2+结合
C —— Cys H —— His
N
锌
N
指
C
C
2. 亮氨酸拉链（Leu zipper）
这种调节作用称为反式作用。
还有个别蛋白质因子可特异识别、结合 自身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用。
DNA
a
mRNA 蛋白质A
C
A c
顺式调节
C
反式调节
A
b
DNA mRNA 蛋白质C
（一） 反式作用因子的主要特点
• 一般具有三个结构域：DNA识别结构域、转 录活性域和蛋白质-蛋白相互作用结构域；
2. 反式作用因子与顺式作用元件的结合
• 多数：先激活后结合; • 少数：先结合后激活。
3. 反式作用因子的作用模式 • 增强子与调基因可以很远，上游启动子
亦相隔数十个碱基，如何起作用？ • 作用模式：扭曲、滑动、成环等
P
E
E
P
扭曲 滑动
E
P
成环
4. 中介因子对转录起始的调控
• 某些反式作用因子是间接通过中介因子起作用
• 能识别并结合调控区的顺式作用元件； • 对基因表达有正性调节（激活）和负性调节
（抑制）二种方式。 • 其调节机制涉及顺式作用元件、RNA聚合酶
和其它调节蛋白。
（二）转录调节因子分类 （按功能特性）
* 基本转录因子
是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组 蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及 rRNA)转录的类别。TF I；TF II；TF III
二、转录起始调控
（一） RNA pol I 转录体系的调节
RNA pol I 转录产物: 45S rRNA
rDNA基因的启动子
核心元件（核心 启动子）
上游调控元件(UCE)： 增强转录
上游结合因子1：结合二个元件 所需转录因子
选择性因子1：后结合二个元件
rDNA
UCE (-156~-10720) Core (-45~+20)
3. 反应元件
• 概念：某些反式作用因子与特定刺激信号结合后， 能与某些上游启动子元件和增强子所结合，调节基 因表达，这类顺式作用元件即特称中~。
• 种类：激素反应元件、金属离子反应元件、TPA反 应元件、血清反应元件等。
4. 沉默子
• 概念：能抑制启动子活性的DNA序列。
• 特点：与增强子相似；沉默子与增强子的角色可因 调控基因而转换。
常结合CAAT盒
（五）DNA - 蛋白质 的相互作用
蛋白质-蛋白质
反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别 及结合，通常是非共价结合，被识别的DNA结合位 点通常呈对称、或不完全对称结构。
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白 质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体 (polymer)，最常见的是二异聚体化。
A基因表达
A
B
C
A
B
B基因关闭 D
三、转录后调控
（一）mRNA加帽和加尾的调控意义
• 5′帽子结构的作用：
– 防止mRNA被5′→ 3′核酸酶降解； – 能被帽结合蛋白识别，增强mRNA的可翻译
性，没帽子结构，翻译效率降低； – 促进mRNA从核到胞浆的运输过程； – 增强mRNA的剪接效率, 帽对exon1的剪接尤
亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的α螺旋，每 两个螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。
两个蛋白质因子的α螺旋通过亮氨酸的疏水作用 结合在一起形成拉链结构 (二聚体化)
在亮氨酸拉链近N-端有富含碱性(带正电荷)氨 基酸残基的区域，是DNA的结合区。
亮氨酸拉链
3. 碱性螺旋-环-螺旋
4. 碱性α-螺旋 由碱性氨基酸残 基组成。
TFⅡ（转录因子）参与RNA-pol Ⅱ转录
转录因子 TF ⅡD TF ⅡA
TF ⅡB TF ⅡF TF ⅡE
功能 辨认TATA盒 稳定TF ⅡD结合 促进pol Ⅱ结合
解旋酶 ATPase
➢特异转录因子(special transcription factors)
为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、 空间特异性表达。
还需TF IIIA
A box (+10~+20) A box (+10~+20) TF III C
TF III C TF III B TF III B TF III C RNA pol III TF RIINI BA polTIIFIIII C
RNA聚合酶III的转录起始
（三） RNA pol II 转录体系的调节
DNA B
转录起始点
A
编码序列
• 真核生物的顺式作用元件包括三类： Ⅰ类顺式作用元件——Ⅰ类启动子——RNA pol Ⅰ Ⅱ类顺式作用元件——Ⅱ类启动子——RNA pol Ⅱ Ⅲ类顺式作用元件—— Ⅲ类启动子——RNA pol Ⅲ
• Ⅱ类顺式作用元件调控的基因主要是编码蛋白质的基 因，少数是snRNA基因。
• 但某些Ⅱ类基因无TATA盒，如管家基因等； • 功能：确保转录精确而有效地从转录起始序
列开始
⑵起始子(initiator, inr)
• 以转录点为中心的的保守序列，
• 共有序列为PyPyAN(A/T) PyPy，Py-嘧啶， • 功能：是某些基因最佳转录所需的
⑶下游启动子元件
(down stream promotor element, DPE)
• 常位于转录点下游约+30bp处，
• 共有序列为G(A/T)CG， • 功能：可以补偿TATA盒缺失导致的转录抑制
⑷上游启动子元件
(down stream promotor element, DPE)
• 概念：是一些位于TATA盒上游的可调节基因转录 DNA序列。
• 主要包括： 1）CAAT盒 能与CAAT结合转录因子（CTF）和 CAAT/增强子结合蛋白（C/EBP）结合 2）GC盒 以CCGCCAAT为序列特征，能与反式作 用因子Sp1结合。
为重要，需要2个帽结合蛋白参与（CBP80 和CBP20）
第五章 真核基因表达调控
真核基因表达调控的基本特点
• （管家基因）组成性表达；（奢侈基因） 可变性表达（诱导和阻遏）
• 时间（发育相关性）和空间特异性（组 织细胞相关性）
• 正性调控为主
第二节 真核基因表达调控的分子机制
一、顺式作用元件(cis-acting element)
概念: 真核生物中能够被基因调控蛋白特异性识别和结 合，并对自身基因转录起始有调节作用的DNA序列。
UCE
UBF UBF
Core
UBF
SL1 TBP TAFs
+1 转录起始点
GC丰富
UBF TBP UBFTARFNs A pol
RNA pol
UBF TBP UBF TAFs
RNA pol I 转录起始
（二） RNA pol III 转录体系的调节 转录产物: tRNA和5S rRNA 启动子特点：基因的启动子位于转录区 tRNA基因启动子：A盒和B盒 tRNA基因所需转录因子：TF IIIC和TF IIIB 5SRNA基因所需转录因子：TF IIIC和TF IIIB
一个真核生物基因的转录需要3至5个转 录因子。转录因子之间不同方案组合，生成 有活性、专一性的复合物，再与RNA聚合酶 搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。
按不同组合，人类约３.５万个基因，估 计需转录因子３００余个即可。
（四）转录起始调控模式
主要通过调节反式作用因子的活性控制转录起始；
反式作用因子（有活性） 反式作用因子（无活性）
1. 反式作用因子的活性调节
• 表达式调节: 需要时才合成, 随即被降解; • 共价修饰: 作用时间较长，常见有磷酸化/去磷酸化、
糖基化，都作用于Ser和Thr，有竞争排斥； • 配体结合：如激素受体类反式作用因子，只有当与
激素结合才有活性； • 蛋白质-蛋白质相互作用：如碱性亮氨酸拉链的二
异聚体化
调节基因表达水平
其他反 应元件
增强子 或
沉默子
维持基本的表达水平
上游启动子 启动子
-110~-40
-25
CAAT盒 GC盒
TATA 盒
+1 结构基因
决定基因表达的 时空特异性。
激素，金属离子 等反应元件。
使转录 增强或 减弱
决定基因 与RNA pol II 表达的基 结合，决定转 础水平 录起始点的精
TFⅡB P
CREB (cAMP反应元 件结合蛋白)
P CBP
5. 多重增强子作用
• 金属硫蛋白基因：有4个金属反应元件，2个基础水 平增强子（与激活蛋白AP1反应），1个糖皮质激素 反应元件，这些增强子不同组合产生不同效应；
• 组合式基因调控：有限的反式作用因子，可以通过 不同组合调控不同基因表达。
• Ⅱ类顺式作用元件包括： 核心启动子( Core promoter)，增强子(enhancer)，沉 默子（silencer ），及各种反应元件等。
1. 核心启动子( Core promoter)
• Ⅱ类启动子的核心启动子常由TATA盒、位于 TATA盒上游的的上游启动子元件、以转录点 为中心的起始子和下游启动子元件，4个元件 组合而成。
分类1
• 转录激活因子：通常为增强子结合蛋白 • 转录抑制因子：通常沉默子结合蛋白
分类2
• 辅激活因子 ：起联结和中介作用
• 上游因子：协助基本转录因子，提高转 录效率和专一性
• 可诱导因子：时间和空间（组织）特异 性地调控转录
（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质 相互作用对转录起始进行调节
➢ 指的是反式作用因子与顺式作用元件之间 的特异识别及结合。通常是非共价结合， 被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不 完全对称结构。
确定位
真核生物的转录起始: 起始前复合物（PIC）的生成
TATA PIC TFⅡD TF ⅡA TFⅡB RNA polyⅡ/TFⅡF TFⅡE
AD
TATA
F
B
E
RNA polyⅡ
DNA
起始前复合物 （Pre-Initiation Complex，PIC）
模板理论(piecing theory)
• 一般位于转录起始点的-60 bp~ +40 bp 。 • 通常一个基因的核心启动子只含有2个或3个
元件。
⑴ TATA盒 (TATA box)
• Ⅱ类启动子的TATA盒其中最主要的结构，位 于转录起始点上游-30bp处；
• TATA盒和部分上游启动子元件组成；是TF ⅡD识别部位。一般是含TATA序列的6-7 bp 的核心序列： TATA(A/T)(A/T)，在不同基因 中有差异
活性染色质:① 富含Lys组蛋白水平降低，② H2A, H2B二聚体不稳定性增加，③ 组蛋白修饰（乙酰 化），④ H3组蛋白巯基暴露。
3. DNA拓扑结构变化 天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；
基因活化后
负超螺旋
转录方向
RNA-pol 正超螺旋
活化基因侧冀区常有DNaseI超敏位点，对 核酸酶敏感，位于调节蛋白结合位点附近。