第十章真核生物基因表达调控

组蛋白修饰与基因活性的关系
2.H1组蛋白磷酸化 H1组蛋白对核小体起装配作用，确定核小体 方向性，并将基本的串珠进一步组装到30nm 的纤维中。 H1组蛋白磷酸化后与DNA亲和力下降，造成染 色质疏松，可提高染色质的活性 有丝分裂中H1的磷酸化导致其对DNA的亲和力 下降，可能与具有转录活性的染色质伸展状 态相似。
人类β-珠蛋白基因簇的超敏感位点
（七）染色质的功能区域
1.基因座控制区(locus control region, LCR)


5’端调控位点，起初级调控作用，它即是一簇 超敏感位点。 是染色体DNA上一种顺式作用元件，结构域 中含有多种反式作用因子的结合序列，可能 参与蛋白质因子的协同作用，使启动子处于 无组蛋白状态。
核心组蛋白的修饰


每种核心组蛋白包括一 个～80个氨基酸残基构 成的保守的区域称为组 蛋白折叠域（histone fold domain）和一个突 出于核小体核心之外、 由20个氨基酸残基组成 的N端尾。 N端尾的相互作用对核 小体的聚集和染色质折 叠非常重要，也是组蛋 白的主要修饰部位。
乙酰化(acetylation)
感性比无转录活性区高得多
（五）染色质的重塑 （chromation remodeling）
Definition:
染色质和单个核小体内 发生的任何可检测到的变化
两种改变染色质结构的模型
占先模型(Pre-emptive model)
动力学模型(Dynamic model)
占先模型 (Pre-emptive model)



LCR是一种远距离顺式调控元件 使LCR界限之内的基因具有潜在活化的可能 是基因簇中每个基因表达所必需的



人类的β－珠蛋白基因簇长约60 Kb，含有5个 功能基因，它们的排列顺序是5’－ ε－γG－ γA－δ－β－3’。 其中ε在胚胎早期表达，γG和γA在胎儿时期表 达，δ和β在成体中表达。 每个β－珠蛋白基因都有自己的一套调控系统， 但它们的表达还要受到基因簇上游12 Kb的基 因座控制区（locus control region, LCR）的 控制。
LCR最初是在研究地中海贫血病的过程中被发现的，
地中海贫血是一种由α或β珠蛋白缺陷导致的血液病。
许多地中海贫血是由珠蛋白基因编码区突变造成的，
但是也有一些地中海贫血是由于β－珠蛋白基因簇上游
因此，LCR具有增强转录的功能。
12 Kb的区域发生大范围缺失，导致了整个基因簇沉默。
• 人类β－珠蛋白基因LCR的增强子活性已由实 验证明。将连接或不连接LCR的人类β－珠蛋 白基因分别转化小鼠细胞。 • 研究发现，如果缺少LCR，β－珠蛋白基因转 录水平通常不到内源小鼠β－珠蛋白基因的1 ％。
• 若是连接上LCR，外源β－珠蛋白基因的表达
水平与小鼠自身的β－珠蛋白基因的表达水平 相当。
2.核基质结合区 （matrtix associated region, MAR）
Definition:
染色质通过DNA特定序列结合 在核基质蛋白质上，形成环状结构。 这特定的DNA序列称为核基质结合区

二、染色体水平上的调控
（一）基因丢失
Definition:
在细胞分化过程中，通过 丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。
（二）基因扩增 Definition:
（amplification of gene）指基因组中特定基因 的拷贝数专一性大量增加的现象。
（三）染色体重排
(chromosome rearrangement)
环化模型。两个绝缘子将一个增强子隔离出来。当蛋白质结 合到这些绝缘子上后，它们相互作用，将增强子隔离在环形 结构中，从而不能激活附近启动子的转录。
果蝇两个串联基因上的绝缘子效应
DNA结构域可能有以下三种位点
四、DNA水平上的调控
（一）DNA的甲基化（methylation）
甲基化位点主要在CpG序列
真核生物基因 的表达调控
主要内容



概述 染色体水平上的调控 染色质水平上的调控 DNA水平上的调控 真核细胞Ⅱ类基因的调控区 真核细胞Ⅱ类基因的转录调控因子
一、概述
（一）真核生物 基因表达多层次性
DNA
①染色体、染色质、 水平上的调控 ②转录调控
hnRNA
③转录后加工调控 ④转运调控
染色质重塑复合物
染色质重塑复合物的作用机理

SWI/SNF类复合物有解旋酶活性，在ATP作 用下，使核小体DNA螺旋程度降低，组蛋白 八聚体沿DNA移动，核小体结构松散。
染色质活化过程
转录因子、组蛋白乙酰化酶和染色质重塑复合体的 结合顺序因启动子的不同而不同。
（1）转录因子结合于 特定序列 （2）染色质重塑 复合物结合
乙酰化是最早发现与转录有关的组蛋白修饰方式
甲基化(methylation)
磷酸化(phosphorylation)
组蛋白修饰与基因活性的关系
1.核心组蛋白的修饰

在含有活性基因的染色体结构域中，组蛋白 乙酰化程度增加，组蛋白甲基化程度减少
Acetylation occurs in two different circumstances during DNA replication; when genes are activated
核
细胞质
mRNA
⑤翻译调控 ⑥mRNA降解的调控
蛋白质前体
⑦翻译后加工 的调控
mRNA降解物
活性蛋白质
（二）真核生物基因表达调控的种类
涉及基因的迅速打开和关闭，刺激 短期调控 或可逆性调控： 信号主要是激素和生长因子
基因永久性或半永久性地开启和 长期调控 或不可逆性调控：关闭，不可逆地改变细胞生化特 征，最终导致细胞分化
增强子屏蔽的活性。在启动子和增强子之间的绝缘 子阻止启动子接受增强子的转录激活影响
阻碍物活性。在启动子和浓缩、阻碍状态的染色质 之间的绝缘子可以阻止启动子受到浓缩染色质（由 沉默子诱导）阻抑基因转录的影响
绝缘子的功能
绝 缘 子 活 性 机 理 的 两 种 假 说
滑动模型。当激活蛋白结合到增强子上，刺激信号或激活蛋 白本身沿DNA滑向启动子。而绝缘子可能与一个或多个蛋白 结合，阻挡滑向启动子的信号。
活性染色质特征

1、组蛋白H1与染色质结合不紧密；

2、4种核内组蛋白含量虽然正常，但是乙酰
化程度比非活性染色质的高； 3、活性染色质中，组蛋白H2B很少磷酸化； 4、核小体结构结合了两种小分子量的非组蛋 白HMG14和HMG17；



5、组蛋白H3的巯基暴露。
6.处于转录活化的染色质区域，对DNaseI敏

在靠近MAR位点的地方经常有拓扑异构酶II 的识别位点，意味着每一个巨大的环状DNA 的超螺旋程度受到独立的调控。增强子以及 其他调控元件也经常靠近MAR位点。 在某些情况下，染色质重塑也是从MAR位点 开始的，并且影响整个染色质环。
MAR功能：限定DNA的环，使环状结构成为 相对独立的结构功能单位
如果在启动子部位 形成了核小体，则转录 因子和聚合酶不能与 DNA 结合，反之亦然。
动力学模型 (Dynamic model)
Leabharlann Baidu
在ATP水解释放能 量的驱动下，各种转录 因子将核小体从DNA中 置换出来。

染色质重塑涉及在基因组一个较短的区 域中核小体位置的改变或者结构的改变， 是一个能量依赖的过程，由染色质重塑 复合物（chromatin remodeling complex） 催化完成。
TF
RNA polII
MeCP-1
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
MeCP-1可与多个甲基化的CpG位点结合
TF
RNA polII
MeCP-2
CH3 CH3
SIN3 HDAC CH3 CH3 CH3
MeCP-2能结合到单个甲基化的CpG 碱基对上， 还结合Sin3 阻遏复合体(含HDAC活性)，



由组蛋白和DNA组成的染色质结构限制了转 录因子对DNA的接近与结合，实际上起着阻 遏转录的作用。 基因转录需要染色质发生一系列重要的变化， 如染色质去凝集，核小体变成开放式的疏松 结构，使转录因子等更容易接近并结合核小 体DNA。 有两种方式可以显著改变DNA的易接近性： 组蛋白的乙酰化和核小体重塑。
3.限定子（delimiter）或绝缘子（insulator）
Definition: :
可以阻止激活或失活效应传向 相邻的结构功能单位的DNA序列


绝缘子是一组在真核生物基因组中建立独立 的转录活性区的调控元件，它具有两种性质。 第一，当绝缘子位于增强子或者沉默子与启 动子之间时可以阻断增强子或者沉默子对启 动子的作用。 第二，绝缘子可以使其界定的基因的表达不 受位置效应的影响。
CpG岛（ CpG –rich islands）
富含CpG的区段称为CpG岛


几乎管家基因都含CpG 岛 一般位于基因的5’端区域 大多数CpG岛是未甲基化的 CpG岛中的核小体中H1 含量低，其它组蛋白 被广泛乙酰化，并有超敏感位点 未甲基化CpG 岛可能说明基因具有潜在活性，
（二）染色质的3种状态
阻遏状态 活性状态 激活状态
（三）异染色质化
常染色质 （euchromatin）
异染色质 （heterochromatin） 兼性异染色质没有 持久的活性，由常 染色质凝聚而成
组成型异染色质 DNA不含有基因 着丝粒、端粒、核仁形成区
（四）组蛋白的修饰
（ Histone modification ）

组蛋白去乙酰化酶
(Histone deacetylase，HDACs)
许多组蛋白乙酰化酶是以往鉴定过的 激活蛋白或辅激活蛋白 （coactivator）。
CBP/p300可乙酰化H4 的N 端尾， PCAF 可乙酰化H3 的N端尾
去乙酰化与基因活性的阻遏有关
在酵母中，SIN3和Rpd3 与 Ume6 形成复合物，能阻遏该启 动子转录。Rpd3 有组蛋白去乙 酰化酶活性
（3）转录因子被释放
染色质结构重塑
（4）乙酰化酶复合物结合
组蛋白被修饰

（5）新的转录因子与DNA结合。 （6）RNA聚合酶与DNA结合。 （7）转录起始需要来自于特异性转录因子经 中介复合体传递来的正调控信号。
（六）活性染色质的DNase敏感性


处于转录活化的染色质区域，对DNaseI敏感 性比无转录活性区高得多。 是由于此区域染色质结构变得松散， DNaseI 易于接触到DNA。 对DNaseI敏感性只反映该基因具有被转录的 潜能。并不反映该基因一定在转录。 DNaseI超敏感位点（ DNaseI HyperSensitive Sites，DHSS)：大多位于基因5´端启动子区域， 少数位于其他部位。 超敏感位点实际上是一段100-200 bp 的DNA 序列特异暴露的区域，可能被一些非组蛋白 结合而抑制了同组蛋白结合，失去了组蛋白 的保护。
全甲基化
半甲基化
DNA甲基化的检测

HpaII能切割非甲基化的CCGG序列
MspI能切割甲基化或非甲基化的CCGG序列
MspI酶切
HpaII酶切
MspI
HpaII
DNA甲基化与基因活性

基因不能表达的组织中呈甲基化状态， 活性基因低甲基化状态
DNA甲基化抑制转录机理


影响染色质的结构，稳定染色质的失活状态， 阻止转录因子的进入，防止其活化。 DNA甲基化直接干涉转录因子与启动子内识别 位点结合； 抑制作用通过甲基化CpG结合蛋白（methylated CpG binding proteins, MeCP）起作用，这种因 子与转录调控因子竞争甲基化DNA结合位点。
三、染色质水平上的调控
（一）染色质的结构
DNA 核小体 组蛋白 组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白， 有H1、H2A、H2B、H3和H4共5种。 染色质
染色质折叠的放射环模型
核小体颗粒的晶体结构
H1的直接功能是阻 止核小体的移动，阻碍 DNA序列进一步暴露。 除去H1会活化部分 转录活性，是染色质活 化的重要事件

during DNA replication
DNA复制时，同时要合成 新的组蛋白。在组蛋白组 装成核小体之前被乙酰化， 组装完成后又去乙酰化
when genes are activated
组蛋白乙酰化，使 基因控制区与核小 体偶联变得松弛， 使染色质变成活性 状态。

组蛋白乙酰化酶
(Histone acetyltransferase，HATs)