第七章 真核基因表达的调控

（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 穿过大沟，与DNA非特异 结合
S386
许多调控蛋白都有HTH


λ阻遏蛋白与cro蛋白 CAP 酵母接合型调控蛋白α1，α2 果蝇的触角足基因 Antp 玉米的Kn1 水稻的OSH1
RNApol II的上游元件及其转录因子
（1）SP1

S356


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

例如GAL4，酵母的转录因子 哺乳类的固醇类激素受体
糖皮质激素受体

ZYJ272
(3) Leu zipper
-COOH，每隔7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
-NH2,富含碱性氨基酸， ＋，碱性DNA结合域 依靠Leu的疏水作用,2个helix 相互缠绕，形成拉链结构
果蝇的engrailed 果蝇的触角足蛋白 哺乳动物转录因子
（2） Zinc finger
A. Cys2/His2, 经典 ~23aa Cys- X2-4- Cys-X3-Phe- X5 -LeuX2 -His- X3 -His Cys，His与Zn++结合形成4面 体结构，使中部的氨基酸回折 成环，凸出如手指 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
•

Y277
平移对称
螺丝对称
两倍轴对称
二倍旋转对称
2 蛋白质如何识别DNA特定序列？
蛋白质的识别螺旋嵌入DNA大沟中 非特异性结合：结合部位附近的正电区域（由 带正电的氨基酸侧链组成），与DNA主链的 PO4离子产生静电作用，二者距离远，作用弱 特异性结合：当到达靶位点时，蛋白质分子上 特定位点上的H供体和受体的空间取向正好于 DNA靶位点互补，结果形成氢键，使二者距离 缩短（1.0~1.5nm），作用力增强106倍 这种寻找方式比在DNA上跳动能更迅速地找到靶 位点
7.1.2.2 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。
7.1.3 DNA 甲基化


DNA 甲基化导致某些区域DNA构象变化, 从而影响了蛋白质与DNA的相互作用,抑 制了转录因子与启动子DNA的结合效率. DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶和7-甲 基鸟嘌呤. X染色体的失活与甲基化相关.
7.1.2 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
7.1.2.1 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。 在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增
7.2.3.2 反式作用因子的种类



TF(I,II,III） 通用转录因子 ，基础因子：结合在TATA盒上 的蛋白质因子，转录必须，TFⅡA、 TFⅡB、 TFⅡD、 TFⅡE等 转录调控因子，上游因子：识别并结合在上游 元件UPE上， 诱导型因子：结合在应答元件上，活性受调控 constitutive expression inducible expression
G
7.2.2 基因转录的顺式调控元件
cis-element



由若干可以区分的DNA序列组成，并与特 定的功能基因相连，组成基因转录的调控 区，通过与相应的反式作用因子结合，实 现对基因转录的调控。 按照功能分为启动子、增强子、沉默子 按照调控水平分为基础转录水平的顺式调 控元件，如启动子；特异诱导高效表达的 顺式调控元件，如增强子
7.2 转录水平的调控
真核生物细胞中有成千上万个基因表达，不 同类型细胞由不同组合的基因表达。那么，每 种细胞如何保证正确的基因组合表达？ 一种途径是基因重复：基因有多个拷贝，不同 类型细胞表达不同的拷贝，不同拷贝的表达处 于不同调控系统。 另一种途径是复合控制系统：真核生物单拷贝 基因转录调控系统,网络
7.2.4.2 cis-factor 互作的模式


Looping hypothesis：位于2个不同的DNA结 合位点上的2个蛋白质，可以通过2个结合位 点之间的DNA形成loop得以相互作用，影响 基因转录 实验证据：
λ：cI在OR1上的结合使OR2的结合能力提高 Gal operon Ara operon SV 40 早期启动子 Enhancer，见下页
真核生物的转录因子，虽然具有较高程度的 独立性，仍然可能与原核生物的σ因子起着 相同作用，即赋予核心酶识别特异序列，并 与之结合的本领。所以没有大量转录因子， RNA 聚合酶II本身不可能识别真核中数量巨 大的启动子。
7.2.4 真核基因转录调控机制
基因转录的调控需要 顺～反因子、蛋白质之 间的相互作用 7.2.4.1 顺式元件与反式作用因子的相互作用 1 调控模型 调控蛋白以多聚体（2,4）结合 识别序列为palindromic seq.
AGCCGCCT
*(A/T)6 means six A or T;
N = any.
7.2.2.4

silencer

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
7.2.3 基因转录的反式作用因子
3

HSE, heat shock element

位于hsp上游 核心序列nGAAn，首尾排列 －GAANNTTCNNGAA－ 保守 ，几乎存在于所有的HSE中。把HSE连 接在其它基因的上游，该基因可获得热诱导 性。HSE在进化中的保守性是热休克应答普 遍性的分子基础之一
4

HSF, heat shock factor，
Eukaryotic response elements.
Response Element MRE
CRE ERE GRE Transcription Factor Consensus Sequence
metal
CREB (cAMP) Estrogen receptor Glucocorticoid receptor
base ZIP motif Y形结构
在真核生物中广泛存在

C/EBP 增强子结合蛋白 GCN4 酵母激活因子 CREB（cAMP应答元件结合蛋白） 原癌基因jun, fos编码产物
Leu拉链可以homodimer, heterodimer起作 用，说明用各种不同组合，可产生不同的调 控蛋白，能阅读多种序列（功能的灵活性）
（4） bHLH （ Helix-loop-helix）



40～50aa 含2个-helix（15~16aa）, 由连接区（12~28aa） 连接；两亲性, amphipathic；通过疏水面作用形成 二聚体 －NH2端为碱性结合区，16aa
MyoD-DNA
2. 转录激活域



酸性激活域 如GCN4，GAL4 rich-Gln 如SP1, AP2, oct1, oct2 rich-pro 如CTF/NF1 不规则的，含双性-helix
糖皮质激素
CGNCCCGGNCNC
TGACGTCA AGGTCANNNTGACCT AGAACANNNTGTTCT
HSE TRE SRE
ERE
Heat shock factor 佛波酯 Serum response factor
ethylene
GAANNTTCNNGAA TGACTCA CC(A/T)6GG
S395
SP1

zyj271
TF III A
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

B. Cys2/Cys2 zinc finger


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 Cys2/Cys2与 Cys2/His2不同
7.2.2.1
启动子
UAS: upstream activating sequence
7.2.2.2. Enhancer
sv40
增强子的特点




促进转录，不具有启动子专一性 功能与方向，位臵无关 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， enhanson
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） 原核生物调控蛋白种类较少（由于启动子或 操作子结构简单） 真核生物调控蛋白种类较多，主要是转录因子
7.2.3.1 TF结构特征


DNA binding domain：<100aa，氢键，大沟 transcription active domain：30-100aa regular domain：与其它因子或调控蛋白结合
HSE 结合蛋白，热激转录因子
DNA结合区：3个螺旋，形成疏水区 多聚化区：4个Leu拉链，三聚体有活性 C末端（452～488）保守区
5 热休克应答的调控机制
常温下，HSF在体内以单体存 在，不与DNA结合（无活性） 这是由于拉链1,4相互作用， 加上Hsp70, hsp90的共同作用， 使HSF保持单体 热激后，大量变性和 错误折叠的蛋白质出现, 与Hsp70, Hsp90竞争结 合,使拉链区暴露, 多聚 化，与HSE结合
The specific transcription factor SP1 binds to GC rich sequence in TATA less promoter
glutamine-rich domains
110
zinc finger motifs
SP1 GC
TBP
（2） CTF 结合CCAAT box，作用于大沟，无组织专 一性 每个细胞中有30万个 有许多蛋白质可与CAAT结合 NF1, 腺病毒复制原点的核因子1 C/EBP, 大鼠肝中CCAAT结合蛋白 CTF家族 CP家族
7.2.2.3 Response element


应答元件、效应元件：一组受到共同调控的基因， 都有一个相同的元件（序列），此元件能与某一 个(类)专一蛋白结合，使基因对其作出反应 含有短的共有序列；在不同基因中，拷贝相似， 有时有多个拷贝；与转录起点距离不固定，一般 位于上游元件或增强子内；常是启动子的上游元 件或增强子
7.2.4.3
诱导型转录因子活性调控
--热休克应答
1 HSP（heat shock protein)



aa序列高度保守 蛋白质功能高度保守 是一种分子伴侣chaperone
2 hsp


核苷酸序列高度保守，如人与E.Coli40～60％ 多基因家族，多拷贝，成簇存在 大部分无内元，如hsp70，转录后不须剪切即可 产生成熟mRNA，适应需要
7.2.1 Britten-Davidson model




Integrator 整合基因：产生激活因子 Sensor感受位点：位于整合基因5‘端，接受 调控信号，激活整合基因表达 Gene 结构基因 Receptor接受位点：位于结构基因5’端，被 激活因子识别 RNA/pro
mRNA
Hale Waihona Puke Baidu
S
I
R
内容介绍
7. 真核基因表达的调控
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 DNA水平的调控 转录水平的调控 转录后水平的调控 翻译水平调控 原核与真核基因表达调控差异
7.1 DNA水平的调控
7.1.1 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。 例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。 在高等动植物中，尚未发现类似现象。 许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性 totipotency