DNA水平调控解析

转录水平的调控

顺式作用元件(cis-acting element) 反式作用因子(trans-acting factor)
一、顺式作用元件(cis-acting element)


影响基因表达活性的DNA序列 非编码序列 包括：启动子、增强子、沉默子等
沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用
3） bzip（P262）
-COOH，每隔6个氨基酸出现一 个Leu，所有Leu出现在同一侧 面，成直线排列，形成疏水面 依靠Leu的疏水作用，2个helix 相 互缠绕，形成拉链结构 -NH2，富含碱性氨基酸，碱 性DNA结合域
4） bHLH （ Helix-loop-helix）


40～50aa 含2个-helix（15~16aa）, 由连接区（12~28aa） 连接；两亲性；通过疏水面作用形成二聚体 －NH2端为碱性区，16aa
发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在
基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常
普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组
的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因
组重组和最终物种形成的一种方式。
DNA含量的发 育控制 利用流 式细胞仪对从拟 南芥不同发育阶 段的组织中分离 到的间期细胞核 进行分析，发现 多倍体的DNA 含量与组织的成 熟程度成正比。 对于一给定的物 种，C是单倍体 基因组中的 DNA质量。
满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方 式。 如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需
要而出现的基因扩增现象。
外界环境因素引起基因扩增 药物诱导抗药性基因的扩增； 肿瘤细胞中原癌基因拷贝数异常增加。 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。

使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表 达
成环
4、反式作用因子的种类
TF(I，II，III）： 通用转录因子 (基础因子)：RNA聚合酶结合启动子所 必需的蛋白因子 转录调控因子(上游因子)：识别并结合在上游元件 UPE上，提高转录效率，活性不受调控 诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控，调控 基因的特异性表达
翻译停止 TAA/TAG/TGA
加 Poly (A) 信号
1、启动子(promotor)
真核有3种类型启动子 RNA聚合酶Ⅰ:负责5.8,18s和28srRNA转录，有核心启动子 RNA聚合酶Ⅱ:负责所有基因转录，4元件完整核心启动子和 上游启动子 RNA聚合酶Ⅲ:负责细胞质RNA、tRNA5srRNA和7sRNA转录，由 核心启动子和分开的A/C框组成 完整核心启动子的4个元件 TATAbox:-32～-25,选择起始点；识别序列BRE：-37～-32， 结合位点 起始子InR：-2～4，简易识别； 下游启动子DPE：补偿识别
1. DNA结合域 (DNA-binding domain)；
2. 转录激活域 (transcriptional activation domain)； 3. 结合其它蛋白的结合域
1、反式作用因子DNA结合域的模式（motif ）
1）螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix，HTH） 2）锌指结构（zinc finger）
constitutive expression inducible expression
SP1
C末端 DNA结合域, 3个Zn 指 2个活化结构域, rich-Gln 在大沟中结合GC box，一个SP1结合～20bp, 无组织特异性，作用无方向性，可提高转录10-25 倍 最初在SV40中发现，普遍存在于脊椎动物中， 每个细胞中有6万个
3）碱性-亮氨酸拉链 （basic-leucine zipper，bZIP）
4）碱性-螺旋-环-螺旋（basic-helix/loop/helix，HLH） 5）同源域蛋白（homeo domain，HD）
1） HTH, Helix-turn-helix

2个螺旋被一个转角隔开 识别螺旋，与DNA在大沟中特 异结合
病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特异 的增强子

感染真核细胞的病毒DNA大多具有增强子 ，可被寄主细胞蛋白质激活。 小鼠乳腺瘤病毒（MMTV）：具有糖皮质 激素基因的增强子，能在被类固醇激活的 细胞（如乳腺上皮细胞）中旺盛生长。

二、反式作用因子(trans-acting factor)
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）。 反式作用因子三个功能结构域

从酵母到人类都存在



有3个—helix H1与H2形成HTH motif H3位于大沟中，与DNA 特异结合 N末端位于小沟中，与 DNA接触
真 核 生 物 基 因 的 表 达 调 控
2、转录激活结构域(transcriptional activation domain)

三、基因重排：

将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的
位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。

通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球
蛋白结构基因的表达。


在所有物种中，胚系Ig基因的构成基本上相 同。Ig重链和轻链(λ和κ链)基因座都由多个编 码V区(可变区）和C区（恒定区）蛋白质的 基因组成，并被非编码的DNA（连接区，J区 ）所分隔。 V、C、J区在胚胎期细胞中相距较远，细胞 发育分化时，免疫球蛋白重链基因DNA重排 ，大量间隔序列被切除，使位于J-Cμ之间的 增强子序列得以发挥作用，增强基因转录。
DNA转录水平调控
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。 ● 基因丢失
● 基因扩增 抗体分子的形成 Ti质粒
● 基因重排
转座子
● DNA甲基化状态与调控
一、基因丢失：
在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而
BRE TATA InR DPE
核心启动子：TATA box 上游启动子元件：CAAT box和GC box
2、增强子
增强子的特点



促进转录，不具有启动子专一性 功能与方向，位置无关 远距离发挥作用 (100~500bp，10Kb) 组织或细胞特异性 必须有两个(以上)增强子成份紧密相连
MyoD-DNA
缺乏碱性区的蛋白质，即使形成（同、异）二聚 体，也无法同DNA结合

zyj278
5）同源域蛋白 Homeo domain

最早在果蝇中发现同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来
同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段 核苷酸序列（180bp），控制胚胎发育的基因
同裂酶检测甲基化位点

真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： 日常型甲基转移酶 主要在甲基化母链（模板链） 指导下使处于半甲基化的 DNA双链分子上与甲基胞嘧 啶相对应的胞嘧啶甲基化。 从头合成型甲基转移酶 催化未甲基化的CpG成为m CpG，速度很慢。

日常型甲基转移酶常常与DNA内切酶 活性相耦联，有3种类型。II类酶活性包括 内切酶和甲基化酶两种成分，而I类和III类 都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基 化，又能降解外源无甲基化DNA。
亲本的IGF-Ⅱ 等位基因在早 期胚中被差异 甲基化，在成 体形成配子时 仍保留原甲基 化的模式。
3、基因印记形成步骤
印记基因并非编码在DNA序列中，靠配子形成时 DNA或染色质表观变化。 基因印迹过程有三个阶段： ①印记删除：印迹删除发生在 原始生殖母细胞形成过程之中， 受孕9-21周。 ②印记重建：印记重建发生在 配子形成过程之中，受孕21周性发育成熟。 ③印记维持：母系基因印迹时 父系等位基因会表达；父系基 因印迹时母系等位基因会表达。 印记维持是发生在胚胎和个体 的整个时期。
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。
目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚
未发现类似的基因丢失现象。
二、基因扩增：
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现
象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以
2、亲本印记(parantal imprinting)
父母亲染色体甲基化程度不同，基因的活性也 不同，来源于父母本的一对等位基因表达不同。 后代出现单亲传递现象为之。又称基因组印记 (genomic imprinting)。 如源于父本的IGF-Ⅱ (胰岛素样生长因子Ⅱ) 基因可表达，而源于母本的则不能表达。此是由 于卵母细胞中的IGF-Ⅱ 已被甲基化，而精子中的 IGF-Ⅱ未被甲基化，所以这一对等位基因在合子 中表现不同。 印记失真可导致遗传病：如亨廷顿氏舞蹈病！
一、顺式作用元件(cis-acting element)
DNA上对基因活性有调节作用的特定序列 包括：LCR位点调控； 启动子调控； 增强子调控 转录起始调控； 信号肽调控； 激素调控等
加帽，转录起始
信号肽序列 1 A
1,、2、 3：外显子 A、B ：内含子
5’
2
B
3
3’
翻译起始
TATA box CAAG box


由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等真 核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类基因组中 约存在4万个CG 序列，大多位于转录单元的5'区。 没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被氧化 成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢复成C。已 经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它就变为T, 无 法被区分。因此, CpG序列极易丢失。
SP1
TF IIIA


344aa，N端与DNA结合 9个锌指，每个～30aa 与5s rRNA基因内启动 子（50bp)结合
Cys2/Cys2 zinc finger


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Cys- X2- Cys-X13 - Cys- X2- Cys Zn++与4个Cys结合 DNA结合序列较短，对称 无大量重复性锌指 例如GAL4，酵母的转录因子 哺乳类的固醇类激素受体
酸性α-螺旋结构域 如GCN4，GAL4 富含谷氨酰胺结构域 如SP1, AP2, oct1, oct2 富含脯氨酸结构域 如CTF/NF1 不规则的，含双性-helix
3、反式作用因子与顺式作用元件的结合

反式作用因子的作用方式

成环、扭曲、滑动等

反式作用因子的组合式调控作用 (combinatorial gene regulation)
许多调控蛋白都有HTH

λ阻遏蛋白 CRP 酵母接合型调控蛋白α1，α2
2）锌指结构(zinc finger motif)：两种 Cys2/His2, 经典的锌指结构 ~23aa Cys- X2-4- Cys-X3-Phe- X5 Leu- X2 -His- X3 -His Cys、His与Zn++结合形成4面 体结构，中部芳香族氨基酸 保守，疏水 串联重复排列，两指间7-8aa 锌指数目多少不等

DNA甲基化抑制基因转录的机理：
DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、 DNA稳定性，从而影响到DNA与蛋白质相互作用 方式的改变，抑制了转录因子与启动区DNA的结 合效率。主要是不利于模板DNA与RNA聚合酶的 结合。 如：引起B－DNA向Z－DNA过渡， Z-DNA结 构收缩，螺旋加深，大沟（蛋白质因子识别）不 存在，不利于转录起始。 启动区DNA上的DNA甲基化密度与基因转录 受抑制程度相关，其影响与MeCP1结合DNA的能 力成正相关。甲基化CpG的密度和启动子强度间 的平衡决定该启动子是否有转录活性。
四、DNA的甲基化与基因调控
1、DNA的甲基化


DNA甲基化是最早发 现的修饰途径之一， 可能存在于所有高等 生物中。DNA甲基化 能关闭某些基因的活 性，去甲基化则诱导 了基因的重新活化和 表达 DNA甲基化的主要形 式: 5-甲基胞嘧啶，N6甲基腺嘌呤和7-甲基鸟 嘌呤。
在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序 列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛