第十章 真核生物基因表达的调控

普遍性转录因子的结构与功能 TFIID的TBP(TATA binding protein)结构域结合启动子 的TATA box，促进其它转录因子的结合。TFII I 结合INR。 许多普遍性转录因子含有与RNA聚合酶σ因子相似的结构域， 识别特异启动子起始转录。 RNA pol.II的结构与功能 CTD结构域含YSPTSPS的重复单位, 不同物种重复数不 同，CTD对转录活性是必需的，其Ser/Thr可以被不同程度磷 酸化在转录起始与延伸中具有重要作用。
类型II基因的顺式作用元件 核心启动子区: 包括-25~-30区的TATA box(TATAAA)，INR(转录起始区, PyPyA+1NT/APyPy，结合 TAFII和Pol II)，及帽子编码序列(CS)； 上游调控元件(UPE): 包括GC序列(GGGCGG，结合 SP-1), CCAAT box(GGCCAATCT)等； 增强子(enhancer): 在上下游或内含子内，可以两个方 向起作用，可作用于多个基因的表达即可以互换增强子，包 括诱导型增强子和组织特异性增强子； 抑制子: 为负调控元件，可阻断顺式作用元件的增强子 活性，去除后可恢复非特异性表达或转变为组织特异性表达。
类型II基因转录因子与顺式元件的相互作用
转录因子的调控作用 作用于序列不同的多个DNA位点: 亲和性相近，如HAP-1可以结 合CYC1和CYC7的UAS区，但两区段无同源性； 多种蛋白因子结合同一顺式因子: Ig基因的八聚体ATCAAAT可被 Oct-1、Oct-2、OBP-100、NFIII、NF-A1、NF-A2等因子结合，CCAAT可 被C/EBP、CTF/NF1、CP1、CP2等结合，TGACTCA由Ap1, Fos, Jun的异 源二聚体结合； 识别特异性DNA序列的时序: 不同因子的有序协同作用是特异性 结合调控基因活性的基础； 磷酸化作用: 许多转录因子的磷酸化/去磷酸化直接影响其活性， 如Sp1结合DNA后才能被磷酸化，其激酶亦结合DNA后才具有活性。
类型I基因的转录因子 UBF: upstream binding factor, 可结合核心启动子和上游启动子序 列，与HMG-1的DNA结合结构域具相似结构； SL-1: 结合核心启动子序列，由TBP和3种TAFs组成； TFIC和TFIA: 结合和激活RNA pol I； 类型III基因的转录因子 TFIIIA: 结合5S rRNA基因内部控制区(ICR, C box)，含9个锌指结 构； TFIIIC: 结合tRNA基因内启动子，酵母中为τ因子，可结合A/B box(τA/τB)； TFIIIB: 与TFIIIC-DNA复合物相互作用正确定位RNA pol; TFIID: 部分III类基因需要TFIID； UBF: 影响5S rRNA和tRNA基因转录； TFIIIR: 为含有RNA的转录因子。
转录因子的结构式样 DNA结合蛋白的功能结构域在DNA-蛋白质相互识别、结合中具 有重要作用: 1)结合DNA的结构域；2)蛋白质-蛋白质相互作用结构域。 HTH: 包括识别螺旋-转角-结合螺旋； 同源盒结构域(HD): homeobox; 锌指结构: zinc finger, 包括锌族结构(6个Cys与两个Zn++配位结合) 和锌扭结构(8个Cys结合Zn++配位结合形成四面体); 亮氨酸拉链: leucine zipper，包括bZip(碱性亮氨酸拉链); HLH: helix-loop-helix。
转录的顺式作用元件
真核基因转录调控区结构 近端启动区: 包括TATA、CCAAT box，主要是核心启 动子(TATA、INR)和调节启动子(上游/下游调控元件)序列； 增强子区: 离转录起始较远, 可以是上游、下游或内含 子; 远端控制区: 为影响染色质结构的调控区，使DNA伸展 利于结合转录因子。
类型II基因转录因子的例子 Sp1: 结合GC box－GGGCGG, DNA结合区含锌指结构，N端为激 活区富含谷氨酰胺(25%)，许多基因启动子含多个GC box，Sp1结合于GC 的同侧DNA大沟中，提高转录活性10~25倍，参与组成型表达； CTF: 结合CCAAT box, N端185aa较保守含许多正电荷 α螺 旋结合 DNA大沟，C端为活化肽段，含20~30%脯氨酸； GAL4: N端结合DNA，C端为活化结构域含较多酸性氨基酸, 可能 通过与普遍性转录因子相互作用表现特异性表达调控； Ap1: 包括Fos, Jun，含亮氨酸拉链结构，形成二聚体(同源/异源， Jun/Fos)结合DNA; CREB/ATF: CRE结合蛋白，由cAMP活化，能同Jun/Fos形成异源 二聚体； C/EBP: 识别增强子，C端含亮氨酸拉链形成二聚体，由碱性α 螺 旋结合DNA，又与其它转录因子相互作用。
同源盒(homeobox)结构域 酵母GCN4、GAL4、MAT α2 ，哺乳动物Oct-2、Oct-1、Pit-1及线虫 的Unc-86等属于同一族同源盒蛋白质－Antp，与果蝇体节发育同源盒结构域 具有同源性。 同源异形蛋白结构: 含保守的N端(MSSLYYXN)-可变区(富含ASGPD) N端同源盒肽(IYPWMC)-同源盒结构域(2、3螺旋为HTH结构)-偏酸性C端。 同源异形基因均有一同源异形盒顺序，长约180核苷酸编码60个氨基酸，含 四个α螺旋，第2、3螺旋形成HTH基序结合到DNA的八聚体顺序(octamer sequence)由第3螺旋插入DNA大沟。
RNA聚合酶III转录调控区 即由RNA聚合酶III转录的5S rRNAs和所有tRNAs及其他聚合 酶I和II不转录的RNAs的编码基因，其启动子包括基因内启动子，基 因外(上游)启动子及混合型启动子。 基因内启动子(intragenic promoter): 编码tRNA、5S rRNA、 7SL RNA等基因其启动子位于基因内，tRNA基因含两个区域即block A(+8~+30) 和B区(+51~+72)。 基因外启动子: 编码snRNA、U6和人7SK RNA基因启动子位 于转录起始上游，含TATA box及其他近/远端调控序列。 混合型启动子: 需要内部启动子和上游调控元件。 重复序列的调控元件 许多启动子含(TC)n及其他串联重复序列里；鸟类、哺乳动 物前病毒两端的LTR(long-terminal repeat)的5’LTR作为启动子， 3’LTR作为转录终止子；Alu重复序列可结合人核蛋白可能具有调控 作用。
RNA聚合酶I转录调控区
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。
基因转录的反式调控因子
转录因子的种类 按功能分: 1)普遍性转录因子, 如TFIID等； 2)转录激活因子，结合UPE/enhancer； 3)转录抑制因子，为负调控因子； 按靶位点的特异性分: 1)组织/细胞特异性结合因子； 2)序列特异性结合因子: 大多数DNA结合蛋白; 3)基因特异性结合因子: 结合特定基因的序列;
类型II基因的转录因子 普遍性转录因子: 作用于基本核心启动子如TATA box、 INR(转录起始区)，每种细胞类型都必需的，如 TFIID/A/B/E/F/G/H/I等。 特异性转录因子: 作用于转录起始复合物形成过程的 靶分子和控制位点，含DNA特异性序列结合结构域和激活 结构域(有的两者都有)。
活性染色质和基因的转录
转录活性染色质与核小体置换 间期核内DNA被10nm核小体(H2A/H2B/H3/H4各2个组成八聚 体，精氨酸残基插入DNA小沟内，赖氨酸稳定核小体内或之间的 DNA相互作用)缠绕(146bp/1.65圈), 一些高丰度的非组蛋白(NHP)如 HMG蛋白亦结合DNA，形成30nm的染色质纤丝，染色质的去浓缩 (decondensed)是基因转录的前提； 染色质上核小体组蛋白的存在(包括H1)防碍转录因子的接近 起到阻遏基因转录的作用，一分子转录因子与特定序列核小体表面互 作而其他分子协同的伸入核小体轴心其他因子随后参与发生核小体重 组装(remodeling)－包括持久性置换和诱导型置换，主要发生在启动子 和上游调控区； 转录单位内的核小体在RNA pol移动中会发生构象和组分变化 如H1减少，HMG增加，组蛋白乙酰化增加，H2A/H2B二聚体不稳定 －“裂解的核小体”，减少对转录的抑制作用。
转录因子的激活结构域 转录因子活性的调控 配基结合活化作用: 结合诱导刺激物改变转 录因子构象； 蛋白质糖基化: 发生在Ser/Thr残基上，与磷 酸化相互排斥； 磷酸化/去磷酸化: 由信号传导激活蛋白激酶/ 磷酸酶调控。
蛋白质-蛋白质相互作用: 甾体激素受体与Hsp90结合为失活状 态，结合甾体激素后被激活进入核内结合基因； 酸性氨基酸聚集结构域: 酸性氨基酸高度集中，含一个两亲性 α 螺 旋(一侧酸性, 另一侧疏水)，酸性激活结构域可能参与蛋 白质-蛋白质相互作用，如GAL4、GCN4、AP1/Jun； 富含谷氨酰胺结构域: 在Sp-11、Oct-1、Oct-2、HAP-1、HAP2、GAL11、Jun、Ap-2、SRF等转录因子中发现，Sp-1结合 GC box，活化结构域含25%谷氨酰胺； 富含脯氨酸结构域: CTF/NF-1、AP2的C端出现，含20-30%脯氨酸，Jun、 Oct-2等 亦出现；
DNA甲基化与基因转录 DNA甲基化主要是胞嘧啶的甲基化，可改变与DNA结合 蛋白的特异性识别作用，甲基化在大多数脊椎动物中使基因处于 失活状态。与基因调节有关的大多数甲基化发生在短序列CpG(称 CpG双联体)的胞嘧啶上，而且其通常成族于基因5’区构成CpG岛 (CpG island)，虽然高等动物中DNA只有约3－4％甲基化，但80 －100％的CpG双联体可能含甲基化胞嘧啶。胞嘧啶甲基化由（胞 嘧啶－5）－甲基转移酶催化形成。 DNA甲基化与基因调节相关，哺乳动物的X染色体是高度 甲基化的其上的基因几乎是失活的；珠蛋白(globin)基因在鸡成熟 卵中高度甲基化亦是失活的，受精后血红细胞的胚性血红蛋白去 甲基化，转录开始，而成人胚性血细胞的珠蛋白基因保持高度甲 基化并处于失活状态。许多感染脊椎动物的病毒游离状态时是去 甲基化的，感染后即被甲基化需去甲基化才能激活。无脊椎动物 如果蝇，及真菌中胞嘧啶很少甲基化，高等植物中基因总是高度 甲基化。甲基化如何影响基因活性尚不清楚。
第十章 真核生物基因表达的调控
真核基因表达调控的特点 活性染色质和基因的转录 转录的顺式作用元件 基因转录的反式作用调控因子 类型II基因转录因子与顺式元件的相互作用 真核基因转录的调控机制 细胞周期的调控
Βιβλιοθήκη Baidu
真核基因表达调控的特点
基因组DNA 原核生物DNA: 很少结合蛋白质，转录起始终止反应快; 真核生物DNA: 与组蛋白形成核小体(染色质)并进一步组装成染色体， 基因的转录需要染色质结构的变化； 转录和翻译 原核生物: 无核膜，转录与翻译偶联(trp操纵子衰减作用); 真核生物: 核膜分隔，核内转录及及其加工，胞质进行翻译，可影响核 内基因转录和加工； 细胞生长与分化 所有细胞含有相同的DNA，不同细胞内进行基因的 “程序化”差异表达是细胞生长分化的基础； 基因表达调控的复杂性 环境信号－原核与真核生物细胞的反应各 异，原核细胞受到的环境变化反应基本一致，真核细胞基因表达受到 调节蛋白、肽激素、信号分子等的特异性调控； 持家基因(house-keeping)-所有细胞类型都表达，时态基因－不同发育 时期表达，组织特异基因(tissue-specific)－特定组织器官表达.
DNA的DNaseI高敏感性和超敏感性 活性染色质往往出现对DNaseI的敏感性，主要是编码、 转录成mRNA的区段。高敏感位点出现在启动子内，大小一 般不超过200bp(1kb范围)，与基因表达相关。 某些活化转录基因族的上游和下游区出现超敏感位 点，如人珠蛋白基因家族的上下游，其界限内为潜在的活化 基因。 非组蛋白HMG HMG蛋白(high mobility group, 高度可移动蛋白)为结 合活化染色质的小分子NHP蛋白，每10个核小体结合1个 HMG分子，导致基因对DNaseI的敏感性。