第12章 真核生物基因表达的调控
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同源异型框（homeoboxes）中的DNA结合结构域； 3个α螺旋；
bZIP和bHLH模体
b: 碱性区域，DNA结合模体 ZIP: leucine zipper，二聚化模体 HLH: helix-loop-helix，二聚化模体
bZIP
bHLH
12.3.1.3 DNA结合蛋白的作用特点
不同的DNA结合蛋白可以形成异二聚体； 异二聚体的形成可以增加转录调控的多样性； 依靠α螺旋中的氨基酸残基与DNA 大沟中的碱基 直接作用；
激活因子与其它蛋白质相互作用；
激活因子通过介导因子与RNA pol及基础转 录因子相互作用； 促进转录起始复合物形成。
转录激活因子的活性受到多种方式的调节
与配体结合；
在细胞内定位的改变；
磷酸化与去磷酸化的调节； 与抑制蛋白的结合或解离；
信号传导
外界刺激通常并不直接改变转录激活因子的活性，
同源结构域（homeodomain）
bZIP和bHLH模体
转录因子四种DNA结合结构域
碱性拉链结构域与DNA的结合
含有α-螺旋-突环-α-螺旋结 构域的MyoD与DNA的结合
含锌模块
含有1个或几个锌离子，通过α-螺旋与DNA大沟相互
作用；
包括：锌指结构、核受体中的锌模块、GAL4中的锌模 块等；
在存在激活因子时，可以显著激活转
录。
CREB: cAMP response elementbinding protein
介导因子
CBP: CREB binding protein
CBP作为核受体应答基因的介导因子
很多转录激活因子以CBP为介导因子
转录激活的一般过程：
染色质重塑使染色质结构松弛； 转录激活因子与增强子结合；
CAT
海胆Endo16基因
绝缘子（insulator） •是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活 效应发生作用的一种调控序列。
阻断邻近的顺式元件对所界定的基因的调控作用。
其作用可能依赖于相应的反式作用因子；
具体机制不清；
介导因子（mediator）/ 辅激活因子（coactivator） 介导因子的作用依赖于转录激活因子， 在没有激活因子时，对转录没有影响；
起始因子eIF2的磷酸化调节
网织红细胞中血红蛋白mRNA的翻译调节：
起始因子eIF4E的磷酸化调节
起始因子eIF4E与帽子结构结合
磷酸化的eIF4E与帽子结构的亲和力是
非磷酸化的eIF4E的4倍；
起始因子eIF4E结合蛋白的磷酸化调节
mRNA的选择性翻译对基因表达的调控
原核生物通过操纵子控制相关蛋白的合成比例； 真核生物通过选择性翻译控制相关蛋白的合成比例； 翻译起始因子与不同mRNA的亲和力不同，调节不同 mRNA的翻译水平：
通用转录因子（general transcription factors）
转录激活因子（transactivators）
辅激活因子（coactivators）
转录激活因子招募RNA pol的两种模型
转录激活因子的协同作用
单个的激活因子可以形成聚体，结合到一个
DNA结合位点上：Jun-Fos异二聚体；
而是通过一系列的蛋白质将信号逐级传递，构成
信号传导途径。
信号传导途径最终通常是活化了某种转录激活因 子 ，而激活一种或一类基因的表达。
翻译水平的基因表达调控
翻译水平的调控在真核生物中更为重要； 翻译水平的调控对长基因而言更为重要； 翻译水平的调控对无核细胞而言更为重要；
mRNA的稳定性； mRNA的选择性翻译； 翻译的起始调控；
含锌模块
锌指结构——由一个锌离子、两个Cys和两个 His共同形成的指状结构域
Cys His
C2H2
锌指结构与DNA结合的特异性依赖于氨基酸与碱 基的直接作用；
不同的锌指蛋白具有不同的DNA结合特异性；
锌指结构中的β-折叠与DNA的一条链相互作用， 帮助α螺旋与DNA大沟的相互作用；
锌指蛋白具有多个DNA结合结构域；
12.3.1.4 转录激活结构域
酸性结构域：GAL4 富含谷氨酸的结构域：SP1
富含脯氨酸的结构域：CTF
重组实验证明： 转录激活因子中各结构域彼此独立地发挥作用
酵母双杂交系统
12.3.2 转录激活因子的作用机制（自学）
启动子与增强子；
基础转录因子（basal transcription factors）/
铁离子应答元件（IREs）
铁蛋白的5’-UTR，转铁蛋白受体的3’-UTR；
铁蛋白的IREs受铁离子调节，促进mRNA的翻译； 转铁蛋白受体的IREs受铁离子调节，改变mRNA的稳定性；
翻译的起始调控
起始因子的磷酸化调节翻译起始： 起始因子eIF2的磷酸化调节； 起始因子eIF4E的磷酸化调节； 起始因子eIF4E结合蛋白的磷酸化调节
第十二章 真核生物基因表达的调控
2010.11
12.1 真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达调控的特点： 基因组和染色体结构复杂
转录和翻译在时空上分开
多细胞、多组织生物
12.1 真核生物基因表达调控的多层次性
染色质水平
转录起始水平
转录后水平
翻译水平
翻译后水平
12.2
真核生物染色质结构和基因活性：
结合到不同DNA结合位点上的转录因子之间协 同作用：GAL4；
增强子的远距离作用
拓扑异构模型
滑动模型 DNA环出模型
增强子的近距离作用
结构转录因子:（architectural transcription factor） 改变DNA调控区形状，促进转录的蛋白质因子；
人T细胞受体α 链基因的调控区
A型HAT：细胞核，调节基因表达
B型HAT：细胞质，乙酰化新合成的组蛋白
组蛋白去乙酰化酶（HDAC1）
核心组蛋白的乙酰化可以激活转录，
去乙酰化产生抑制效应。
核受体对转录的激活或者抑制作用（319到第二段）
无甲状腺素激素，RT-RXR为抑制因子。去乙酰化酶结合
有甲状腺素激素， RT-RXR为激活因子。乙酰化酶结合
组蛋白对基因转录活性的影响：
H1促进核小体结构形成，
抑制基因转录活化； DNase超敏感区；
内容摘要： 为探讨衰老的机理，作者研究了老年鼠 和断奶乳鼠的心、肝、脾、肺、肾、脑等6种组织细 胞的细胞核和染色质对DNA酶I (DNaseI)的消化敏 感性，结 果显示：① 老年鼠的心、肝 脾、肺、肾、 脑等6种组织细胞的细胞核和染色质对DNase I的消 化敏感性均较断奶乳鼠相应的组织低。② 老年鼠的 心、肝、脾、肺 肾、脑等6种组织的消化敏感性各 不相同，脑组织的消化敏感性最低（P<0．01)③断 奶乳鼠脑组织的消化敏感性也较其它5种组织 低， 但乳鼠中其它5种组织细胞核及染色质的消化敏感性 差异不明显。作者认为，老年鼠各组织细胞核和染 色质转录活性降低
RNA干扰；
mRNA的稳定性对基因表达的影响
mRNA转录速度不变但稳定性增加，也可以增加蛋 白质的表达量： 催乳素选择性稳定酪蛋白的mRNA； 哺乳动物细胞内铁离子的动态平衡； 转铁蛋白受体（铁输入蛋白） 铁蛋白（铁贮存蛋白） 调节铁蛋白mRNA的翻译速度，调节转 铁蛋白受体mRNA的稳定性。
血红蛋白α亚基和β亚基的合成：
4个α亚基基因、2个β亚基基因
果蝇的发育调控
三种主要的模式调节基因调节果蝇胚胎的发育：
母性基因（maternal）
分节基因（segmentation）
同源异型基因（homeotic）
组蛋白乙酰化和去乙酰化对基因转录活性的影响：
未乙酰化的组蛋白可以抑制转录； 乙酰化的组蛋白抑制转录的能力减弱； 未乙酰化的组蛋白H4 N末端碱性区域与H2AH2B的酸性区域以及DNA相互作用，稳定核小 体结构； 乙酰化中和了组蛋白H4 N末端碱性区域的正 电荷，阻止核小体交联；
组蛋白乙酰转移酶（HAT）
真核生物基因转录的调节蛋白很多，以正调节为主
多个转录激活因子参与调节，提高调节的特异性
顺式作用元件与反式作用因子
12.3.1 转录激活因子的结构
DNA结合结构域
转录激活结构域
二聚化结构域
效应分子结合位点
12.3.1.1（2） DNA结合结构域
DNA结合模体（motif）及结构:
含锌模块（modules）
含锌模块
GAL4的DNA结合模体 GAL
Leabharlann Baidu
1-65位氨基酸组成； 有6个Cys、2个锌离 子； 形成二聚体； 依靠α螺旋与DNA相 互作用；
含锌模块
核受体的DNA结合模体
两个含锌模块；
4个Cys、2个His、2个锌离子组成；
含有激素结合结构域； 核受体转录激活活性的调节；
同源异型域
常染色质与异染色质；
常染色质区的基因具有转录活性，染色质区的组蛋 白是乙酰化的； 异染色质区的组蛋白乙酰化不足.
CpG的甲基化修饰
DNA中多数甲基化的基团 是位于两条链的CpG的C 上。
非活性基因启动区的甲 基化程度很高， 处于活化状态的基因则 甲基化程度较低。
12.3
转录激活因子对转录的影响
LEF-1是在真核生物中发现的第一个结构转录因子。
LEF-1的HMG结构域与DNA小沟结合，诱导DNA弯折。
人干扰素-β基因控制区
HMGI与DNA的同一侧结合，促使 DNA弯折，促进其它转录激活因 子与增强子的结合，形成增强体 （enhanceosome）。
多个增强子的存在可以对基因的表达进行精细的控制， 决定基因在不同时间、不同部位表达。
组蛋白：
碱性蛋白质，富含Arg、Lys 高度保守 H4,H2\H3,H1 中度重复序列 化学修饰：乙酰化
核小体：
核小体核心：H2A, H2B, H3, H4 核小体组蛋白：中心结构域、氨基末端结构域
染色质纤维：
30nm纤维：
染色质的进一步折叠：
真核生物染色质经过不同层次的折叠 形成高度压缩的规则结构。 真核生物RNA pol与启动子的结合受染 色质结构的限制。 真核生物基因转录的活化依赖于染色 质重塑（remodeling）。
bZIP和bHLH模体
b: 碱性区域，DNA结合模体 ZIP: leucine zipper，二聚化模体 HLH: helix-loop-helix，二聚化模体
bZIP
bHLH
12.3.1.3 DNA结合蛋白的作用特点
不同的DNA结合蛋白可以形成异二聚体； 异二聚体的形成可以增加转录调控的多样性； 依靠α螺旋中的氨基酸残基与DNA 大沟中的碱基 直接作用；
激活因子与其它蛋白质相互作用；
激活因子通过介导因子与RNA pol及基础转 录因子相互作用； 促进转录起始复合物形成。
转录激活因子的活性受到多种方式的调节
与配体结合；
在细胞内定位的改变；
磷酸化与去磷酸化的调节； 与抑制蛋白的结合或解离；
信号传导
外界刺激通常并不直接改变转录激活因子的活性，
同源结构域（homeodomain）
bZIP和bHLH模体
转录因子四种DNA结合结构域
碱性拉链结构域与DNA的结合
含有α-螺旋-突环-α-螺旋结 构域的MyoD与DNA的结合
含锌模块
含有1个或几个锌离子，通过α-螺旋与DNA大沟相互
作用；
包括：锌指结构、核受体中的锌模块、GAL4中的锌模 块等；
在存在激活因子时，可以显著激活转
录。
CREB: cAMP response elementbinding protein
介导因子
CBP: CREB binding protein
CBP作为核受体应答基因的介导因子
很多转录激活因子以CBP为介导因子
转录激活的一般过程：
染色质重塑使染色质结构松弛； 转录激活因子与增强子结合；
CAT
海胆Endo16基因
绝缘子（insulator） •是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活 效应发生作用的一种调控序列。
阻断邻近的顺式元件对所界定的基因的调控作用。
其作用可能依赖于相应的反式作用因子；
具体机制不清；
介导因子（mediator）/ 辅激活因子（coactivator） 介导因子的作用依赖于转录激活因子， 在没有激活因子时，对转录没有影响；
起始因子eIF2的磷酸化调节
网织红细胞中血红蛋白mRNA的翻译调节：
起始因子eIF4E的磷酸化调节
起始因子eIF4E与帽子结构结合
磷酸化的eIF4E与帽子结构的亲和力是
非磷酸化的eIF4E的4倍；
起始因子eIF4E结合蛋白的磷酸化调节
mRNA的选择性翻译对基因表达的调控
原核生物通过操纵子控制相关蛋白的合成比例； 真核生物通过选择性翻译控制相关蛋白的合成比例； 翻译起始因子与不同mRNA的亲和力不同，调节不同 mRNA的翻译水平：
通用转录因子（general transcription factors）
转录激活因子（transactivators）
辅激活因子（coactivators）
转录激活因子招募RNA pol的两种模型
转录激活因子的协同作用
单个的激活因子可以形成聚体，结合到一个
DNA结合位点上：Jun-Fos异二聚体；
而是通过一系列的蛋白质将信号逐级传递，构成
信号传导途径。
信号传导途径最终通常是活化了某种转录激活因 子 ，而激活一种或一类基因的表达。
翻译水平的基因表达调控
翻译水平的调控在真核生物中更为重要； 翻译水平的调控对长基因而言更为重要； 翻译水平的调控对无核细胞而言更为重要；
mRNA的稳定性； mRNA的选择性翻译； 翻译的起始调控；
含锌模块
锌指结构——由一个锌离子、两个Cys和两个 His共同形成的指状结构域
Cys His
C2H2
锌指结构与DNA结合的特异性依赖于氨基酸与碱 基的直接作用；
不同的锌指蛋白具有不同的DNA结合特异性；
锌指结构中的β-折叠与DNA的一条链相互作用， 帮助α螺旋与DNA大沟的相互作用；
锌指蛋白具有多个DNA结合结构域；
12.3.1.4 转录激活结构域
酸性结构域：GAL4 富含谷氨酸的结构域：SP1
富含脯氨酸的结构域：CTF
重组实验证明： 转录激活因子中各结构域彼此独立地发挥作用
酵母双杂交系统
12.3.2 转录激活因子的作用机制（自学）
启动子与增强子；
基础转录因子（basal transcription factors）/
铁离子应答元件（IREs）
铁蛋白的5’-UTR，转铁蛋白受体的3’-UTR；
铁蛋白的IREs受铁离子调节，促进mRNA的翻译； 转铁蛋白受体的IREs受铁离子调节，改变mRNA的稳定性；
翻译的起始调控
起始因子的磷酸化调节翻译起始： 起始因子eIF2的磷酸化调节； 起始因子eIF4E的磷酸化调节； 起始因子eIF4E结合蛋白的磷酸化调节
第十二章 真核生物基因表达的调控
2010.11
12.1 真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达调控的特点： 基因组和染色体结构复杂
转录和翻译在时空上分开
多细胞、多组织生物
12.1 真核生物基因表达调控的多层次性
染色质水平
转录起始水平
转录后水平
翻译水平
翻译后水平
12.2
真核生物染色质结构和基因活性：
结合到不同DNA结合位点上的转录因子之间协 同作用：GAL4；
增强子的远距离作用
拓扑异构模型
滑动模型 DNA环出模型
增强子的近距离作用
结构转录因子:（architectural transcription factor） 改变DNA调控区形状，促进转录的蛋白质因子；
人T细胞受体α 链基因的调控区
A型HAT：细胞核，调节基因表达
B型HAT：细胞质，乙酰化新合成的组蛋白
组蛋白去乙酰化酶（HDAC1）
核心组蛋白的乙酰化可以激活转录，
去乙酰化产生抑制效应。
核受体对转录的激活或者抑制作用（319到第二段）
无甲状腺素激素，RT-RXR为抑制因子。去乙酰化酶结合
有甲状腺素激素， RT-RXR为激活因子。乙酰化酶结合
组蛋白对基因转录活性的影响：
H1促进核小体结构形成，
抑制基因转录活化； DNase超敏感区；
内容摘要： 为探讨衰老的机理，作者研究了老年鼠 和断奶乳鼠的心、肝、脾、肺、肾、脑等6种组织细 胞的细胞核和染色质对DNA酶I (DNaseI)的消化敏 感性，结 果显示：① 老年鼠的心、肝 脾、肺、肾、 脑等6种组织细胞的细胞核和染色质对DNase I的消 化敏感性均较断奶乳鼠相应的组织低。② 老年鼠的 心、肝、脾、肺 肾、脑等6种组织的消化敏感性各 不相同，脑组织的消化敏感性最低（P<0．01)③断 奶乳鼠脑组织的消化敏感性也较其它5种组织 低， 但乳鼠中其它5种组织细胞核及染色质的消化敏感性 差异不明显。作者认为，老年鼠各组织细胞核和染 色质转录活性降低
RNA干扰；
mRNA的稳定性对基因表达的影响
mRNA转录速度不变但稳定性增加，也可以增加蛋 白质的表达量： 催乳素选择性稳定酪蛋白的mRNA； 哺乳动物细胞内铁离子的动态平衡； 转铁蛋白受体（铁输入蛋白） 铁蛋白（铁贮存蛋白） 调节铁蛋白mRNA的翻译速度，调节转 铁蛋白受体mRNA的稳定性。
血红蛋白α亚基和β亚基的合成：
4个α亚基基因、2个β亚基基因
果蝇的发育调控
三种主要的模式调节基因调节果蝇胚胎的发育：
母性基因（maternal）
分节基因（segmentation）
同源异型基因（homeotic）
组蛋白乙酰化和去乙酰化对基因转录活性的影响：
未乙酰化的组蛋白可以抑制转录； 乙酰化的组蛋白抑制转录的能力减弱； 未乙酰化的组蛋白H4 N末端碱性区域与H2AH2B的酸性区域以及DNA相互作用，稳定核小 体结构； 乙酰化中和了组蛋白H4 N末端碱性区域的正 电荷，阻止核小体交联；
组蛋白乙酰转移酶（HAT）
真核生物基因转录的调节蛋白很多，以正调节为主
多个转录激活因子参与调节，提高调节的特异性
顺式作用元件与反式作用因子
12.3.1 转录激活因子的结构
DNA结合结构域
转录激活结构域
二聚化结构域
效应分子结合位点
12.3.1.1（2） DNA结合结构域
DNA结合模体（motif）及结构:
含锌模块（modules）
含锌模块
GAL4的DNA结合模体 GAL
Leabharlann Baidu
1-65位氨基酸组成； 有6个Cys、2个锌离 子； 形成二聚体； 依靠α螺旋与DNA相 互作用；
含锌模块
核受体的DNA结合模体
两个含锌模块；
4个Cys、2个His、2个锌离子组成；
含有激素结合结构域； 核受体转录激活活性的调节；
同源异型域
常染色质与异染色质；
常染色质区的基因具有转录活性，染色质区的组蛋 白是乙酰化的； 异染色质区的组蛋白乙酰化不足.
CpG的甲基化修饰
DNA中多数甲基化的基团 是位于两条链的CpG的C 上。
非活性基因启动区的甲 基化程度很高， 处于活化状态的基因则 甲基化程度较低。
12.3
转录激活因子对转录的影响
LEF-1是在真核生物中发现的第一个结构转录因子。
LEF-1的HMG结构域与DNA小沟结合，诱导DNA弯折。
人干扰素-β基因控制区
HMGI与DNA的同一侧结合，促使 DNA弯折，促进其它转录激活因 子与增强子的结合，形成增强体 （enhanceosome）。
多个增强子的存在可以对基因的表达进行精细的控制， 决定基因在不同时间、不同部位表达。
组蛋白：
碱性蛋白质，富含Arg、Lys 高度保守 H4,H2\H3,H1 中度重复序列 化学修饰：乙酰化
核小体：
核小体核心：H2A, H2B, H3, H4 核小体组蛋白：中心结构域、氨基末端结构域
染色质纤维：
30nm纤维：
染色质的进一步折叠：
真核生物染色质经过不同层次的折叠 形成高度压缩的规则结构。 真核生物RNA pol与启动子的结合受染 色质结构的限制。 真核生物基因转录的活化依赖于染色 质重塑（remodeling）。