第十三章 真核生物基因表达调控

转录起始位点
A
上游调节元件 （UPE）
真核生物基因结构模式
UPE: upstream promotor element UAS: upstream activating sequence
基因基础转录的调节
基因的基础转录是指由核心启动子与通用
转录因子结合后起始的转录过程
调节包括：

转录中涉及的蛋白质因子之间的竞争，核心 启动子的完整性以及转录模板DNA的损伤等 （DNA损伤在转录前必须先得到修复）都影 响调节基因转录。
• acetylation •phosphorylation methylation glucosylation
trans factor active form
二、真核细胞基因表达调控的不同层次
7个层次： 染色体和染色质水平上的结构变化和基因活化 转录水平上的调控 RNA加工水平上的调控 转录后加工产物从细胞核向细胞质转运过程的调控 翻译水平的调控 蛋白质合成以后选择性地被激活的控制，蛋白质和 酶分子水平上的剪切、活性水平的控制 mRNA的选择性降解的调控
内部一般含有一个核心序列
许多增强子还受外部信号的调控
SV40至少有3个不连续的21bp的增强子成 分A,B,C，6个增强子元
增强子的作用机制
增强子和UPE都可以被反式作用的调控因子
结合，引起DNA构象变化，甚至DNA螺旋弯 曲，形成环状结构，结合到增强子的各种反 式作用因子之间相互作用，并接触作用于启 动子上的各种蛋白质因子，促进PIC组装，从 而激活转录 增强子序列元件是一些特异蛋白质因子结合 位点，它能使模板DNA固定在细胞核特定结 构如核基质上，有利于DNA拓扑异构酶发挥 作用
织特异性，只在活跃表达的细胞中，基因才具 有这种敏感性

鸡卵清蛋白100kb的基因簇，在输卵管组织中都对 DNaseⅠ有敏感性，而在不表达卵清蛋白肝细胞中，
该基因簇区域不显示对DNaseⅠ的敏感性
在染色质中的基因DNA对DNaseⅠ的敏感性
只能说明该基因具有被转录的潜在能力，并 非一定就能转录
合后，能使该基因转录停止 组蛋白H1比核心组蛋白阻遏转录的作用强 H1转录模板的活性能被转录因子，如sp1， Gal4等因子作为抗阻遏物，阻止H1阻遏作用， 是因为转录因子能与H1竞争DNA上的结合位点 决定基因是否转录的关键是转录因子和组蛋 白那个先占据到DNA上的调节位点
组蛋白的乙酰化与去乙酰化
• Post-transcription transcription & translation RNA processing synchronizely
Eukaryote
• enhancer & silencer
Prokaryote
Attenuater
polycistron (operon)
• monocistron • m5C gene off
碱基甲基化的形成部位
DNA甲基化抑制基因转录的机理
作用机理：
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。

启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转 录受抑制的程度密切相关。
甲基化对转录有抑制作用，主要是通过甲基化的 DNA上结合特异性转录阻遏物，或称为甲基化CpG 结合蛋白而起作用，这些蛋白能与转录调控因子竞 争甲基化DNA结合位点
真核生物基因表达调控
Control of gene expression in eukaryote
一、真核基因表达调控的特点
真、原核基因表达调控的相同点和不同点 相同点：

与原核调控一样，真核基因表达调控有转录水平调控 和转录后调控，并且以转录水平调控为最主要

在真核结构基因的上游和下游（甚至基因内部）也存
调控蛋白质包括负调控因子（阻遏蛋白）
正调控因子（转录因子）
真核生物转录调控的顺式作用元件
顺式作用元件：具有调节功能的特定的DNA序列只
能影响同一分子中的相关基因，发生在一个序列中 的突变不会改变其他染色体上等位基因的表达 反式作用因子：与顺式作用元件相反的调节蛋白， 可通过扩散结合于细胞内的多个靶位点，当发生突 变后将同时影响不同染色体上的等位基因的表达， 表现反式作用 通过各种顺式作用元件和反式作用因子的复杂的相 互识别与作用对基因转录的启动，延伸速率等进行 调节。
核心组蛋白都能够发生乙酰化修饰，H3和H4乙
酰化程度大于H2A-H2B，且H3和H4上分布着乙酰 化的主要位点，Lys侧基上的ε-NH2
生物功能



乙酰化促进基因转录的活性 促进转录起始复合物的装配 组蛋白的去乙酰化导致基因沉默
活性染色质对DNase的的敏感性
基因活性区域对DNaseⅠ的敏感性有细胞和组
被阻遏状态

有活性状态

被激活状态

异染色质化
— DNA结构高度致密，处于阻
遏状态，无转录活性

组成型异染色质：染色质在整个细胞周期一直
保持压缩状态，不具转录活性

兼性异染色质：只在一定的发育阶段或者生理
条件下由常染色质凝聚而成，无持久活性
组蛋白对基因活性的影响
是基因活性的重要调控因子，当与裸露DNA混

编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增

外界环境因素引起基因扩增
基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关。

在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc 原癌基
因的DNA区段扩增10－200倍。

许多致癌剂可诱导DNA扩增。
基因重排
特异性调节，发生在特殊的细胞类型中
例如：酿酒酵母接合型 哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接
原核与真核生物转录起始点上游区的结构
-70
正调控因子结合区
-30
负调控因子结合区
-20
+1
mR NA
TTGA CA
-35
TATA AT
-10
原核生物
RNA聚合酶 主要接触位点
真核生物UPE从种类上讲要比原核生物多
mR NA
增强子
GC区 区
CAAT
TAT A
CCGCC
C GGGCG G GGCCA
在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白质因子与
这些调控成分的结合与否调控基因的转录
不同点
Eukaryote • DNA + histon
→chromatin
Prokaryote
Naked DNA
• Repeptitive gene
• Splitting gene
Overlapping gene
no intron
MAT 沉寂匣子 HML, HMR
接合型互变
与活跃匣子不同类型的沉寂匣子可以取代活跃匣子， 改变接合型
染色质的结构
紧密压缩状态

不利于基因表达，为非活性状态
DNA与组蛋白结合后被阻遏表达 除去H1组蛋白，使染色质处于伸展状态，部分 基因活化被转录 DNA启动子上结合激活因子，形成转录复合物 为激活状态

复习
真核基因转录水平的调控
真核、原核基因转录调控的区别 原核生物功能相关的基因组成操纵子；真核生
物不组成操纵子 原核生物调节元件较少，真核生物调节元件多 原核生物通常以负调控为主，其调节因子的活 性主要受变构效应调节；真核生物以正调节为 主，调节因子以共价修饰为主，如磷酸化和去 磷酸化 真核生物具有染色质结构，基因活化需要染色 质重塑的过程
绝缘子与沉默子
绝缘子：能够阻止激活或阻遏作用在染色质
上传递的一类顺式作用元件
例如：

如果将一个绝缘子臵于增强子和启动子之间，
能阻止增强子对启动子的激活

如果一个绝缘子在活性基因和异染色质之间，
则可以保护该基因免受异染色质化而失活
An enhancer activates a promoter in its vicinity, but may be blocked from doing so by an insulator located between them.
真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 七 个 层 次
染色质 DNA 染色质水平调控
DNA
转录调控
细胞核 细胞质
转录初产物 （RNA） 转录后加工调控
转运调控
mRNA
翻译调控
蛋白质前体
翻译后加工调控
mRNA降 解物
mRNA降解调 控
活性蛋白质
三、染色体水平上的调控
主要有：
染Hale Waihona Puke Baidu质结构
DNA在染色体上的位臵
够结合的蛋白质组分（NHP组分）
核内的NHP组分参与了DNA的复制，基因产
物的转运，初始转录产物RNA的加工，RNP
颗粒的组装，核亚显微结构，细胞周期内核
的变化和基因表达调控以及所有这些过程中
信息的传递等步骤。
DNA水平上的调控
DNA的甲基化
大多数DNA的甲基化位点存在于双链CpG岛的胞 嘧啶上。 ★ 2%~7%的动物细胞DNA胞嘧啶是被甲基化的 （数值依物种而变化）。大多数甲基基团能在 CG“双联体”中被找到，事实上，大多数CG序列 是被甲基化的。 ★ 形成的回文结构为： 5` mCpG 3` 3` GpCm 5`
重 链 基 因 座 的 重 排
酵母结合型的染色质重排
单倍体细胞,
a or 接合型 不同接合型的细胞可以接合 相同接合型的细胞不能接合
MATa
, MAT
接合型可互变
a←→ 需要HO基因，编码内切酶
盒式模型
一个单倍体细胞中同时存在MATa和 在同一染色体上，活跃匣子
MAT

在染色质中的DNA潜在活性区域核小体组装较为
松弛且某些位点用DNaseⅠ处理时DNA极易断裂，
为高敏感位点（HS）
染色质上对DNaseⅠ的敏感区域有一定的界限 即使在一个基因内，各个区段对DNaseⅠ敏感
程度也不同，基因编码转录大范围表现一般 的敏感性，而在基因调控区的少数区域则显 示高度敏感性
无序的，发生在肿瘤细胞基因组中
免疫球蛋白基因重拍
脊椎动物和人的淋巴细胞在成熟过程中抗体基因
的重排是基因重排研究中的重要实例 淋巴细胞分化而来的浆细胞能够产生无数种类的 抗体分子（免疫球蛋白） 免疫球蛋白由两条轻链（L）和一条重链（H） 组成，分别由三个独立的基因簇组成，其中κ和λ 编码轻链，另一条编码重链 无论重链、轻链都是由多个V和C基因簇组成的 说明编码一条完整多肽链的基因在表达之前必须 经过重排
沉默子：是基因的负调控元件，它的DNA序列
被调控蛋白结合后阻断了转录起始复合物的形
成或活化，使基因表达活性关闭
负调控元件,
不受距离和方向限制，可对异源基 因的表达起作用 对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用 例如 酵母，mating type ß-珠蛋白ε基因簇
基因转录的反式作用因子
Ⅱ类基因转录的调控区与启动子
Ⅱ类基因的转录指真核细胞RNA聚合酶Ⅱ负 责转录的基因，一般为编码蛋白质的基因 近端作用元件 Ⅱ类基因调控区
位置划分
远端作用元件 启动子
Ⅱ类基因调控区
功能划分
调控元件
增强子正调控作用功能
增强子：指能够使和它连锁的基因效率明显
增加的DNA序列，主要存在于真核生物基因 组

人的β-珠蛋白基因簇上、下游两个远侧区域就是 超敏感位点 LCR是一种远距离顺式调控元件（基因座调控区）， 具有增强子和稳定活化染色质的功能，也是特异 性反式调控因子的结合位点
组蛋白的乙酰化能使染色质对DNaseⅠ和微球
菌核酸酶的敏感性显著增强
非组蛋白
与染色质松散结合，或者在某些条件下才能
基因拷贝数的变化
基因丢失
基因重组 基因扩增
基因重排 DNA修饰
基因丢失
在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去
除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、 甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色 体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染 色体。
基因扩增
在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有 复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数 专一性增加的现象 为满足正常的生长发育需要 如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增: 卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了 4000倍，用于转录合成卵裂期所需要的1012个 核糖体。
最早是在研究SV40基因表达时，发现的一段
位于转录起始点上游的序列对早期、晚期两 个方向转录都有增强作用，故称为增强子
ENHANCER SV40
增强子的作用特点
增强效应明显 增强子没有基因专一性 不具方向性，功能与序列取向无关 能对远离基因的转录起始位点起作用 增强效应具有组织或细胞特异性 大多为重复序列