第九章 真核生物基因表达调控
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• 按照功能不同，可将染色质分为活性染色质和非 活性染色质。前者是指那些具有转录活性的染色 质，而后者则用于表示缺乏转录活性的染色质。
• 在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大 的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、 松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩 的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因 而没有转录活性。
激活蛋白Gcn4募集辅激活蛋白Gcn5复合体指导启动子处组蛋白 N端尾的乙酰化
四膜虫的P55蛋白质是最先发现的一种乙酰转移酶。
抑制子Ume6指导Sin3复合体的去乙酰化作用 Ume6：抑制子，阻遏蛋白
• 3 DNA拓扑结构变化
• 天然双链DNA的构象是负超螺旋。当基因活跃转 录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正 超螺旋，其后面的DNA为负超螺旋。
• 异染色质就是一种典型的非活性染色质。
• 活性染色质的特征
• 与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，活性染 色质区域的核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结 构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。 在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更 为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于 检测这种变化。
第九章 真核生物基因表达调控
第一节 真核生物基因表达调控的特点
• 真核基因表达的调控是当前分子生物学这一前 沿学科中的前沿领域，现有的研究证明，许多 重要生命现象的深层问题都集结于此，形成了Hale Waihona Puke Baidu许多的热点探索课题。在一定程度上可以说基 因的表达调控是分子生物学的真谛所在。
• 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。 真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复 杂。
2.组蛋白的结构
• 在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地 接近DNA。在真核细胞中，由组蛋白和基因组DNA两 部分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。
• 在染色质中还存在一些短的对DNase I的消化十分 敏感的区段，长度一般介于50～200 bp之间，可被 极微量的DNase I降解，被称为DNase I超敏感位点 （DNase I hypersensitivity site）。
• 通过分析很多基因的染色质，发现DNase I超敏感 位点广泛存在。每个活跃表达的基因都有一个或几 个超敏感位点，大部分位于基因的5’调控区，少 数位于其他部位，如转录单位的下游。非活性基因 的5’侧翼区的对应位点不会表现出对DNase I的敏 感性。
一、真核生物基因表达调控的复杂性 • 真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上
二、真核生物基因表达调控与染色质结构变 化相关
• 1 染色质的结构
• 染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合 体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的 纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期， 30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。 分裂期结束后，染色体又转化为染色质。
• 催化向组蛋白添加乙酰基的组蛋白乙酰转移酶 （histone acetyl transferase, HAT）在1996年 被分离出来。许多组蛋白乙酰转移酶是以往鉴定过 的激活蛋白或辅激活蛋白（coactivator）。
• 组蛋白乙酰化为一可逆过程，乙酰化和去乙酰化的 动态平衡控制着染色质的结构和基因表达。组蛋白 脱乙酰酶（histone deacetylase, HDAC）可去除 组蛋白上的乙酰基，抑制基因表达。当第一个组蛋 白去乙酰化酶从人类细胞中被分离出来后，组蛋白 的去乙酰化与基因转录抑制之间的关系就建立起来 了。
• 超敏感位点代表着开放的染色质区域，由于组蛋白 八聚体的解离或缠绕方式的改变，这段区域中的 DNA序列暴露，易受到核酸酶的攻击。
• 对超敏感位点的最初认识来自SV40微小染色体的研 究。SV40的DNA是5200 bp的环状分子，周长1500 nm。在宿主细胞的细胞核中，SV40形成串珠状核小 体。在它的复制起点附近，同时也是晚期转录启动 子的上游，存在一段DNase I的超敏感区域，在电 镜下可直接观察到该区域在核小体组装上出现空缺。 这段空缺长约120 nm（约350 bp），无核小体结构。
• 正超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前 移动转录，而负超螺旋有利于核小体的再形成。
4 DNA碱基修饰
• DNA甲基化是指在DNA甲基化酶（DNA methyltransferase）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸 为甲基供体，将甲基转移到DNA分子的胞嘧啶碱基上 形成5-甲基胞嘧啶的过程。
• 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。组蛋白的去乙酰化，则可 以使染色质凝集，引起基因沉默。
• 组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响
• 核心组蛋白保守的折叠结构域和N端尾巴
Histone fold:～80个氨基酸残基构成的保守的区域由3个α 螺旋组成，螺旋间由短的无规则的环隔开。
组蛋白N端尾的修饰作用
• 组蛋白尾含有的几个赖氨酸残基是乙酰化的位点。 核心组蛋白赖氨酸的乙酰化中和了它的正电荷，降 低了组蛋白尾对带负电荷的DNA骨架的亲和性，导 致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而为参与 转录调控的各种蛋白质因子与DNA的结合创造了条 件。组蛋白N端尾对30 nm纤维的形成是必需的，当 N端尾被乙酰化后，从核小体纤维盘绕成30 nm粗纤 维的过程将被阻止。异染色质中的组蛋白一般不被 乙酰化，而具有转录活性的染色质常常是高度乙酰 化的，这些清楚地表明这种类型的修饰与DNA的包 装相关。
• 胞嘧啶的甲基化作用不是随机的。在脊椎动物基因 组中胞嘧啶甲基化仅限于5’-CG-3’二核苷酸，植 物中仅限于5’-CG-3’二核苷酸和5’-CNG-3’三核 苷酸。
DNA的甲基化反应分为两种类型
• 在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大 的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、 松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩 的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因 而没有转录活性。
激活蛋白Gcn4募集辅激活蛋白Gcn5复合体指导启动子处组蛋白 N端尾的乙酰化
四膜虫的P55蛋白质是最先发现的一种乙酰转移酶。
抑制子Ume6指导Sin3复合体的去乙酰化作用 Ume6：抑制子，阻遏蛋白
• 3 DNA拓扑结构变化
• 天然双链DNA的构象是负超螺旋。当基因活跃转 录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正 超螺旋，其后面的DNA为负超螺旋。
• 异染色质就是一种典型的非活性染色质。
• 活性染色质的特征
• 与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，活性染 色质区域的核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结 构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。 在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更 为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于 检测这种变化。
第九章 真核生物基因表达调控
第一节 真核生物基因表达调控的特点
• 真核基因表达的调控是当前分子生物学这一前 沿学科中的前沿领域，现有的研究证明，许多 重要生命现象的深层问题都集结于此，形成了Hale Waihona Puke Baidu许多的热点探索课题。在一定程度上可以说基 因的表达调控是分子生物学的真谛所在。
• 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。 真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复 杂。
2.组蛋白的结构
• 在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地 接近DNA。在真核细胞中，由组蛋白和基因组DNA两 部分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。
• 在染色质中还存在一些短的对DNase I的消化十分 敏感的区段，长度一般介于50～200 bp之间，可被 极微量的DNase I降解，被称为DNase I超敏感位点 （DNase I hypersensitivity site）。
• 通过分析很多基因的染色质，发现DNase I超敏感 位点广泛存在。每个活跃表达的基因都有一个或几 个超敏感位点，大部分位于基因的5’调控区，少 数位于其他部位，如转录单位的下游。非活性基因 的5’侧翼区的对应位点不会表现出对DNase I的敏 感性。
一、真核生物基因表达调控的复杂性 • 真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上
二、真核生物基因表达调控与染色质结构变 化相关
• 1 染色质的结构
• 染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合 体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的 纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期， 30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。 分裂期结束后，染色体又转化为染色质。
• 催化向组蛋白添加乙酰基的组蛋白乙酰转移酶 （histone acetyl transferase, HAT）在1996年 被分离出来。许多组蛋白乙酰转移酶是以往鉴定过 的激活蛋白或辅激活蛋白（coactivator）。
• 组蛋白乙酰化为一可逆过程，乙酰化和去乙酰化的 动态平衡控制着染色质的结构和基因表达。组蛋白 脱乙酰酶（histone deacetylase, HDAC）可去除 组蛋白上的乙酰基，抑制基因表达。当第一个组蛋 白去乙酰化酶从人类细胞中被分离出来后，组蛋白 的去乙酰化与基因转录抑制之间的关系就建立起来 了。
• 超敏感位点代表着开放的染色质区域，由于组蛋白 八聚体的解离或缠绕方式的改变，这段区域中的 DNA序列暴露，易受到核酸酶的攻击。
• 对超敏感位点的最初认识来自SV40微小染色体的研 究。SV40的DNA是5200 bp的环状分子，周长1500 nm。在宿主细胞的细胞核中，SV40形成串珠状核小 体。在它的复制起点附近，同时也是晚期转录启动 子的上游，存在一段DNase I的超敏感区域，在电 镜下可直接观察到该区域在核小体组装上出现空缺。 这段空缺长约120 nm（约350 bp），无核小体结构。
• 正超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前 移动转录，而负超螺旋有利于核小体的再形成。
4 DNA碱基修饰
• DNA甲基化是指在DNA甲基化酶（DNA methyltransferase）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸 为甲基供体，将甲基转移到DNA分子的胞嘧啶碱基上 形成5-甲基胞嘧啶的过程。
• 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。组蛋白的去乙酰化，则可 以使染色质凝集，引起基因沉默。
• 组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响
• 核心组蛋白保守的折叠结构域和N端尾巴
Histone fold:～80个氨基酸残基构成的保守的区域由3个α 螺旋组成，螺旋间由短的无规则的环隔开。
组蛋白N端尾的修饰作用
• 组蛋白尾含有的几个赖氨酸残基是乙酰化的位点。 核心组蛋白赖氨酸的乙酰化中和了它的正电荷，降 低了组蛋白尾对带负电荷的DNA骨架的亲和性，导 致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而为参与 转录调控的各种蛋白质因子与DNA的结合创造了条 件。组蛋白N端尾对30 nm纤维的形成是必需的，当 N端尾被乙酰化后，从核小体纤维盘绕成30 nm粗纤 维的过程将被阻止。异染色质中的组蛋白一般不被 乙酰化，而具有转录活性的染色质常常是高度乙酰 化的，这些清楚地表明这种类型的修饰与DNA的包 装相关。
• 胞嘧啶的甲基化作用不是随机的。在脊椎动物基因 组中胞嘧啶甲基化仅限于5’-CG-3’二核苷酸，植 物中仅限于5’-CG-3’二核苷酸和5’-CNG-3’三核 苷酸。
DNA的甲基化反应分为两种类型