第二章 真核基因表达与调控
真核基因不同水平上的表达调控
真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次（图真核生物基因表达中可能的调控环节）。
但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。
（一）DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。
这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。
其中有些改变是可逆的。
1、基因剂量与基因扩增细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多，细胞保持这种特定比例的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。
例如，有A、B两个基因，假如他们的转录、翻译效率相同，若A基因拷贝数比B基因多20 倍，则A基因产物也多20倍。
组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。
为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。
基因剂量也可经基因扩增临时增加。
两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的一百倍，需要合成大量核糖体。
核糖体含有rRNA分子，基因组中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。
所以在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加了4000倍。
卵母细胞的前体同其他体细胞一样，含有约500个rRNA基因（rDNA）。
在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高达2×106。
这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。
在基因扩增之前，这500个rRNA基因以串联方式排列。
在发生扩增的3周时间里，rDNA不再是一个单一连续DNA片段，而是形成大量小环即复制环，以增加基因拷贝数目。
这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中，包括鱼、昆虫和两栖类动物。
目前对这种基因扩增的机制并不清楚。
在某些情况下，基因扩增发生在异常的细胞中。
例如，人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞繁殖和生长失控。
有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。
真核生物DNA水平上的基因表达调控
复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之
间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不 同形式的复杂多基因家族。
海胆的组蛋白基因家族 串联单位中的每一个基因分别被转录成单顺反子 RNA，这些RNA都没有内含子，而且各基因在同一条DNA链上按同一方 向转录，每个基因的转录与翻译速度都受到调节。 研究还表明，在一个特定的细胞中，并不是所有串联的单位都得到转录。 胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，暗示可 能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。
一、基因家族 二、真核基因的断裂结构 三、真核生物DNA水平上的基因表达调控 四、DNA 甲基化与基因活性的调控
前述：真核基因组的一般构造特点
① 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽 链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。
② 真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一 小部分DNA是裸露的。
真核生物基因调控，根据其性质可分为两 大类：
第一类:瞬时调控或称可逆性调控
它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包 括某种底物或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: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。
在真核生物中基因表达的调节其特点是:
（1）多层次; （2）无操纵子和衰减子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控主要应回答3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？ ② 基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、mRNA
的成熟或蛋白质合成）实现的？ ③ 不同水平基因调控的分子机制是什么？
真核生物基因表达的调控
二 染色质水平调控
（一）异染色质化 （二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用 （三）DNA酶的敏感区域 （四）核基质蛋白
三 转录水平的调控
◆许多真核生物基因编码关键代谢酶或细胞组 成成分，这些基因常在所有细胞中都处于活跃 状态。这种组成型表达的基因称为持家基因 (house keeping gene)。 ◆另一些基因的表达则因细胞或组织不同而异， 只在某些才高效表达。这类基因表达的调控通 常发特定的发育时期或细胞中生在转录水平。。
➢5′ UTR可能形成发夹或茎环二级结构，阻止核糖体 40S亚基的迁移，对翻译起始有顺式抑制作用。但若二 极结构位于AUG的近下游（最佳距离为14 bp），会使 40亚基停靠在AUG位点，增强起始反应(翻译起始因子 使二极结构解链，翻译复合体顺利通过)。
（三）mRNA的结构
➢3′端的poly A 影响mRNA的稳定性和翻译效率。
(3) 内含子切除
不同剪接方式： ◆在剪接内切核酸酶(splicing endonuclease) 的 催化下，非常精确地在内含子与外显子的交界 处进行切割，并在一种特殊的剪接连接酶 (splicing ligase)的催化下重新连接起来。 ◆某些mRNA前体的内含子是在RNA分子本 身的催化下完成所以称为RNA自剪接(selfsplicing)，这种具有自动催化活性的RNA有时 也称为核酶(ribozyme)。 ◆ 在核酸蛋白质复合结构－核酸剪接体 (spliceosome)作用下完成。
（四）选择性翻译
珠蛋白是由两条α链和两条β链组成的。在二 倍体细胞中有4个α-珠蛋白基因，如果它们相同 转录和翻译的话，应是α:β=2:1，而实际上是1:1。 是转录调控还是翻译调控？ 体外实验：在无细胞系统中加入等量α-mRNA、 β-mRNA、少量起始因子，合成的α-珠蛋白仅占 3%，说明β-mRNA和起始因子的亲和性远大于 α-mRNA。 当加入过量的起始因子时，α:β=1.4:1 ，接近1:1。 表明是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起 始因子的亲和性不同。
真核生物基因表达调控
第十章作业1. 简述真核生物基因表达调控的7个层次。
①染色体和染色质水平上的结构变化与基因活化②转录水平上的调控，包括基因的开与关，转录效率的高与低③RNA加工水平的调控，包括对出事转录产物的特异性剪接、修饰、编辑等。
④转录后加工产物在从细胞核向细胞质转运过程中所受到的调控⑤在翻译水平上的控制，即对哪一种mRNA结合核糖体进行翻译的选择以及蛋白质成量的控制⑥对蛋白质合成后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪接等的控制⑦对mRNA选择性降解的调控2. 真核基因表达调控与原核生物相比有何异同？相同点：①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水平的调控，并且也以转录水平调控为最重要；②在真核结构基因的上游和下游(甚至内部)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。
不同点：①原核细胞的染色质是裸露的DNA，而真核细胞染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体。
②在原核基因转录的调控中，既有激活物参与的正调控，也有阻遏物参与的负调控，二者同等重要。
③原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，即在转录尚未完成之前翻译便已开始。
④真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也就不一样，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，因而具有调控这种特异性表达的机制。
3. DNA 甲基化对基因表达的调控机制。
甲基化抑制基因转录的机制：DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白H1相结合，DNaseⅠ超敏感位点丢失，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区DNA的结合效率的结合活性，不能启始基因转录。
DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了转录活性。
4. 转录因子结合DNA的结构基序（结构域）有哪几类？①螺旋-转折-螺旋②锌指结构③碱性-亮氨酸拉链④碱性-螺旋-环-螺旋5. 真核基因转调控中有几种方式能够置换核小体？①占先模式：可以解释转录时染色质结构的变化。
真核生物的基因表达调控
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• 锌指结构域The zinc finger domain
锌指结构有2种形式： C2H2 zinc finger和C4 zinc finger •C2H2 zinc finger：由12个氨基酸组成的环，通过2个半胱氨 酸（C，Cys）和2个组氨酸（H，His）残基固定，这4个残基 与Zn2+在空间上形成一个四面体结构。 一般情况下需要3个 或更多的C2H2型锌指才能与DNA结合，如在TFIIA有9个重复， 转录因子SP1有3个重复。 •C4 zinc finger： Zn2+与4个半胱氨酸（C，Cys）结合，存 在于类固醇激素受体转录因子中。
限定于结构域之内。
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反式作用因子的结构与功能
（1）概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开 放（正调控）或关闭（负调控）。
（2）通用或基本转录因子—RNA聚合酶结合启动子所必需 的一组蛋白因子。如：TFⅡA、 TFⅡB、 TFⅡD、 TFⅡE 等。 （3）特异转录因子( special transcription factors)—个别 基因转录所必需的转录因子.如：OCT-2：在淋巴细胞中特 异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。
(2) 动态模型（dynamic model）：认为转录因子与组 蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经 历结构上的改变，即染色质重塑。在染色质重塑过 程中，某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小 体解体。
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组蛋白的乙酰化-去乙酰化 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种 重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色质 结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的活性。 组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某些基因， 增强或抑制某些基因的表达。 组蛋白的8个亚基上有32个潜在的乙酰化位点。组 蛋白的乙酰化过程由组蛋白乙酰转移酶催化完成。
真核生物基因表达调控
酸性激活域 (D/E-rich) 谷氨酰胺(Q)富含域 脯氨酸(P)富含域
蛋白质-蛋白质结合域 （dimerization, co-factors）
1） TF最常见的DNA binding domain
Zinc Finger
bZIP
Homeodomain
bHLH
(1) 锌指(zinc finger)
2. The pri5’ capping 3’ formation / polyA splicing
3. Mature transcripts are transported to the cytoplasm for translation
Chromatin
epigenetic control
Protein degradation RNA silencing
一般而言的基因表达调控范畴
二、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性
按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性(temporal specificity)。
Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His C-terminal: α-helix binding DNA
常结合GC box
(2) 碱性亮氨酸拉链 bZIP
(3) 碱性螺旋-环-螺旋bHLH
bHLH蛋白(basic Helix-Loop-Helix)
2） TF常见的trans-activation domain
– usually expressed at high level – the level of their gene expression may vary
真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达的调控09中西七2班 032009225 丁雪菲真核生物的基因表达可以随细胞内外环境条件的改变以及生长发育的不同阶段而在不同表达水平上加以精确的调节，这是真核生物基因表达调控的多层次性。
真核生物基因表达的调控可以发生在以下各个水平：1、染色质水平真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，在DNA和染色质水平上发生的改变包括：染色质丢失（某些序列的删除）、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰和异染色质化等。
发生在染色质水平的基因表达调控，也称转录前水平的调控。
真核生物中的基因组DNA与组蛋白形成复合物，组蛋白在细胞内含量丰富，几乎与ＤＮＡ的含量相当。
真核生物中大多数编码蛋白质的基因为简单重复序列，但是组蛋白基因是中度重复序列，其中多数拷贝是完全相同的，有一些则差异较大。
导致组蛋白不均一性的另一个原因是组蛋白的修饰，最常见的组蛋白修饰是乙酰化，一般发生在Ｎ端氨基或者赖氨酸的ε-氨基上。
这种修饰可以影响染色质的结构和功能，调控基因活性。
2、转录起始水平组蛋白对基因转录活性的影响例子：爪蟾卵母细胞５ＳｒＲＮＡ基因只在卵母细胞中转录实验证明：转录因子和组蛋白可以竞争基因的转录调控区，去过转录因子与调控区亲和力低，则基因的调控区与组蛋白形成核小体，并由Ｈ１将核小体交联成有序的紧密结构，抑制基因的转录活性；反之如果转录因子先与基因控制区结合，则不能与组蛋白形成核小体，基因具有转录活性。
3、转录后水平真核生物可以通过选择不同的5’-起始点或者3’-加尾位点产生不同的成熟mRNA，最终合成不同的蛋白；也可以进行组织特异性的选择性拼接，表达具有不同生物活性的蛋白。
3.1可变拼接mRNA前体可以选择不同的拼接途径产生不同的成熟mRNA，称为可变拼接。
例子：大鼠的免疫球蛋白μ重链基因大鼠的免疫球蛋白μ重链有两种存在形式：分泌型和膜结合型。
两种蛋白的区别在于羧基末端，膜结合型的羧基末端为疏水区，可以锚定在膜上；分泌型羧基端为亲水区，不能锚定在膜上而称为分泌型蛋白。
真核生物基因表达调控
真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。
但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。
DNA水平的调控DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂，删除，扩增，重排，修饰（如甲基化与去甲基化，乙酰化与去乙酰化等）和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。
转录水平的调控转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。
通过染色质改型，组蛋白乙酰化，染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用，基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件，转座元件，增强子，抑制子的调控，同时受反式作用因子包括基本转录因子，上游转录因子和转录调节因子等的调控。
转录后调控转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。
加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。
同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。
转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。
翻译水平的调控阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。
一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA，阻止其翻译此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。
翻译后调控直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。
在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。
1．蛋白质折叠线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。
在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。
2．蛋白酶切割末端切割有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。
真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达的调控一、生物基因表达的调控的共性首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。
1、作用范围。
生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。
管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。
可见，调控是普遍存在的现象。
2、调控方式。
基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。
3、调控水平。
一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。
然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。
二、真核生物基因表达调控的特点真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。
真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。
1、多层次。
真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。
2、无操纵子和衰减子。
3、大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。
4、个体发育复杂，而受环境影响较小。
真核生物多为多细胞生物，在生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。
前者为短期调控，后者属长期调控。
从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。
三、真核生物基因表达调控的机制介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。
1、染色质水平。
真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。
染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。
a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。
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。
第二节真核基因转录水平的调控(精)
第二节真核基因转录水平的调控一、真核生物的RNA聚合酶有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶Ⅰ；RNA聚合酶Ⅱ；RNA聚合酶Ⅲ。
二、真核基因顺式作用元件（一）、顺式作用元件概念指DNA上对基因表达在调节活性的某些特定的调控序列，其活性仅影响其自身处于同一DNA分子上的基因。
（二）、种类启动子、增强子、静止子1、启动子的结构和功能启动子与原核启动子的含义相同，是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。
但真核同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列。
而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录，而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用。
RNA聚合酶Ⅱ启动子结构1）TATA框（TATA frame）：其一致顺序为TATAA(TAA(T。
TATA框中心在-30附近，相当于原核的-10序列（pribnow box）。
对大多数真核生物来说，RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。
TATA框的左右富含G┇C 序列，这就有利于该框与RNA聚合酶形成开放性启动子复合物。
2）CAAT框（CAAT frame）：位置在-75附近，一致序列为GGC(TCAATCT。
CAAT框可能控制着转录起始的频率。
（3）GC框在-90bp左右的GGGCGG序列称为GC框。
一个在-30—+15即核心启动子(core promoter element，另一为上游启动子区(upstream promoter element在-150—-50，不同物种的启动子因子有显著差异，启动子区没有和mRNA的TATA和CAAT盒顺序，故物种间大前体-rRNA基因的转录起始是不同的。
基因间间隔含一个或几个终止信号可终止其之前的基因的转录而其本身不转录，间隔区含多种反向顺序可作为增强子结合转录因子2、增强子的结构和功能增强子（enhancer）：又称为远上游序列（far upstream sequence 。
它是远距离调节启动子以增加转录速率的DNA序列，其增强作用与序列的方向无关，与它在基因的上下游位置无关。
真核基因表达调控
子遗传学的奠基石。
Gregor Mendel (1822-1884).
The Father of Genetics
在孟德尔遗传学基础上， Morgan 又提出了 基因学说。 1910年，Morgan和他的助手们发现了第一只 白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果蝇
都是红眼的，称为野生型。Morgan将白眼雄果
Actually, they had. That morning, Watson and
Crick
had
figured
out
the
structure
of
deoxyribonucleic acid, DNA. And that structure —
a "double helix" that can "unzip" to make copies
控制遗传信息流动的基本机制——RNA干扰 方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理医学奖。
1928 年，英国科学家 Griffith 等人发现，具有
光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有 粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多糖能保
护细菌免受动物白细胞的攻击。
美国著名的微生物学家 Avery首先用实验证明 基因就是DNA分子。他将光滑型致病菌（S型） 烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细 菌自然丧失了致病能力。
• 1993 年，美国科学家 Roberts 和 Sharp 因发
现 断 裂 基 因 （ introns ） 而 获 得 Nobel 奖 ； Mullis 由 于 发 明 PCR 方 法 而 与 加 拿 大 学 者 Smith （ 第 一 个 设 计 基 因 定 点 突 变 ） 共 享 Nobel化学奖。
简述真核生物基因表达调控过程
简述真核生物基因表达调控过程真核生物基因表达调控过程是指在真核生物细胞中，如何通过一系列的调控机制，将基因中的遗传信息转化为蛋白质，以实现细胞功能的正常发挥。
基因表达调控过程可以分为转录调控和转录后调控两个阶段。
在转录调控阶段，首先是在细胞核中进行转录。
细胞核中的DNA被RNA聚合酶酶识别并解链，形成单链mRNA。
但并不是所有基因都会被转录，细胞会根据需要选择性地进行转录。
这是通过转录因子的作用来实现的。
转录因子是一类能够与DNA特定序列结合的蛋白质，它们能够促进或抑制转录的进行。
转录因子的结合位点位于启动子区域，当转录因子结合到启动子区域时，会引发一系列的反应，包括启动RNA聚合酶的活性和引导其结合到合适位置上，从而促使转录的进行。
转录因子的表达受到多种因素的调控，如细胞内的信号分子、细胞周期等。
转录后调控是指在mRNA合成后，通过一系列的调控机制来决定其在细胞中的命运。
mRNA在合成后需要经过剪接、修饰和运输等过程。
剪接是指将mRNA中的内含子去除，将外显子进行连接的过程。
通过剪接的不同方式，可以生成不同的mRNA亚型，从而在翻译过程中产生不同的蛋白质。
修饰是指在mRNA上加上帽子和尾巴等化学修饰，这些修饰可以保护mRNA不被降解，并帮助mRNA与翻译机器结合。
运输是指mRNA离开细胞核，进入到细胞质中，进一步参与翻译过程。
这个过程受到RNA结合蛋白的调控。
在翻译过程中，mRNA被核糖体识别并翻译成蛋白质。
这个过程也受到多种调控机制的影响。
一方面，mRNA上的启动子序列会影响翻译的起始位置，从而决定蛋白质的翻译起始位点。
另一方面，mRNA的稳定性也会影响翻译的效率和蛋白质的表达水平。
mRNA 的稳定性受到RNA结合蛋白和非编码RNA的调控。
总的来说，真核生物基因表达调控过程是一个复杂而精细的调控网络。
通过转录调控和转录后调控的相互作用，细胞可以根据内外环境的需要，在不同的时空位置上产生不同类型的蛋白质，以实现细胞功能的正常发挥。
真核生物基因表达调控步骤
真核生物基因表达调控步骤
小伙伴们！今天咱们来一起了解下真核生物基因表达调控的步骤。
这事儿听起来有点复杂，不过只要跟着我一步一步来，你会发现也没那么难啦。
然后呢，就是转录后调控啦。
这个时候刚刚转录出来的mRNA可就开始它的奇妙之旅了。
它会进行一些加工处理，像加帽和加尾这种操作。
这就好比给mRNA穿上了漂亮的衣服，让它在细胞里能更好地发挥作用。
这一步相对来说比较常规，不过你也得注意着点，有时候一些小细节没处理好，可能就会影响mRNA的稳定性呢。
我就曾经有一次差点在这出问题，还好及时发现了，所以大家可别掉以轻心哦！
再之后呢，就是翻译后调控啦。
新合成的蛋白质刚诞生，还不能马上就开始工作呢，就像刚出生的小婴儿还需要成长和学习一样。
它们可能会经过一些修饰，像磷酸化、糖基化之类的。
这一步我感觉像是给蛋白质赋予超能力的过程，真的很神奇！不过这一步也要小心谨慎，要是修饰错了地方，蛋白质的功能可能就会受到影响。
最后还有基因表达的表观遗传调控。
这个概念可能有点抽象，简单来说呢，就是在不改变DNA序列的基础上，通过对染色体结构的改变来调控基因表达。
比如说DNA 甲基化组蛋白修饰之类的。
这一步我觉得就像给基因表达设定了一些隐藏的规则一样。
这一点真的很重要，我通常会再检查一次，真的，确认无误是关键！。
分子生物学-真核生物基因表达调控
3 基因重排与交换
将一个基因从远离启动子的地方移到距它很
Hale Waihona Puke 近的位点从而启动转录，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免
疫球蛋白和T-细胞受体基因的表达。
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。
发育早期：只有一个着丝点行使功能，
从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成 为mCpG
基因丢失
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。
一．
基因丢失： 在细胞分化过程中，某些原生动物、线虫 、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而除去 这些基因的活性。 马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有许 多着丝点。
假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产
物。
一般是启动子出现问题。
8.2 DNA水平的基因表达调控
1染色质水平的调节：“开放”型活性染色质
（activechromatin）结构对转录的影响
2基因扩增
3基因重排与交换
4
DNA甲基化与基因活性的调控
1 染色质状态对基因表达的调控
能相关的基因，这些基因成套组合称为基因家族。 如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都 属于基因家族 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为 一个基因簇(gene cluster) 。
1、简单多基因家族
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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)
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。
• 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。
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
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)
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。
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。
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)
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。
• 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。
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
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。
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）
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
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
• 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
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。
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。
• 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
RNA pol II 转录体系的顺式作用元件