真核生物基因表達調控

1、Why study protein expression?(The steps of gene expression control)NucleusCytosolDNAPrimaryRNA transcriptmRNAmRNAproteinModified proteinTranscriptional controlRNA Processing controlRNATransportcontrolInactive mRNARNADegradationcontrolTranslation controlPost-translationalcontrol(Gygi et al., Mol. Cel

2、ll. Biol., 1990, p.1720-1730)真核生物真核生物基因表達的調控基因表達的調控10.1 10.1 染色質結構與基因表達染色質結構與基因表達染色質是細胞核中基因組染色質是細胞核中基因組DNADNA與蛋白質構成的復合體。染色與蛋白質構成的復合體。染色質的基本結構單位是核小體。質的基本結構單位是核小體。10 nm10 nm粗的纖維可以進一步盤繞粗的纖維可以進一步盤繞成成30 nm30 nm粗的纖維。在分裂期，粗的纖維。在分裂期，30 nm30 nm粗纖維再折疊成具有一定粗纖維再折疊成具有一定形態(tài)結構的染色體。分裂期結束后，染色體又轉化為染色質。形態(tài)結構的染色體。分裂期結束后，

3、染色體又轉化為染色質。按照功能不同，可將染色質劃分為按照功能不同，可將染色質劃分為活性染色質活性染色質和和非活性染色質非活性染色質。前者是指那些具有轉錄活性的染色質，而后者則用于表示缺乏前者是指那些具有轉錄活性的染色質，而后者則用于表示缺乏轉錄活性的染色質。轉錄活性的染色質。在結構上，活性染色質和非活性染色質也有很大的差異。具有在結構上，活性染色質和非活性染色質也有很大的差異。具有轉錄活性的染色質區(qū)域為一種轉錄活性的染色質區(qū)域為一種開放、松散開放、松散的結構。而非活性染的結構。而非活性染色質呈現(xiàn)一種色質呈現(xiàn)一種高度濃縮的形態(tài)高度濃縮的形態(tài)，轉錄機器不能與其中的啟動子，轉錄機器不能與其中的啟動子

4、結合，因而沒有轉錄活性。異染色質就是一種典型的非活性染結合，因而沒有轉錄活性。異染色質就是一種典型的非活性染色質。色質。10.1.1 10.1.1 位置效應位置效應位置效應（位置效應（position effectposition effect）是指一個基因由于在基因組的位置）是指一個基因由于在基因組的位置發(fā)生改變，而發(fā)生的表達上的變化。位置效應在果蠅中得到了發(fā)生改變，而發(fā)生的表達上的變化。位置效應在果蠅中得到了詳盡的研究。野生型詳盡的研究。野生型w w+ +基因使果蠅的復眼呈紅色。有一個果基因使果蠅的復眼呈紅色。有一個果蠅品系，由于染色體倒位使蠅品系，由于染色體倒位使w w+ +基因座靠近著

5、絲粒處的異染色基因座靠近著絲粒處的異染色質。質。10.1.2 10.1.2 活性染色質的特征活性染色質的特征與非表達區(qū)域中核小體結構緊密、間隔規(guī)則相比，活性染色質與非表達區(qū)域中核小體結構緊密、間隔規(guī)則相比，活性染色質區(qū)域的核小體組裝較為伸展或不規(guī)則。這樣的一種結構有利于區(qū)域的核小體組裝較為伸展或不規(guī)則。這樣的一種結構有利于轉錄因子的結合，以及轉錄因子的結合，以及RNARNA聚合酶沿模板的滑動。在轉錄起始聚合酶沿模板的滑動。在轉錄起始區(qū)以及某些特殊的區(qū)域，核小體的構象變化更為明顯，區(qū)以及某些特殊的區(qū)域，核小體的構象變化更為明顯，DNaseDNase I I和微球菌核酸酶等非特異性內切酶可用于檢測

6、這種變化和微球菌核酸酶等非特異性內切酶可用于檢測這種變化。在染色質中還存在一些短的對在染色質中還存在一些短的對DNaseDNase I I的消化十分敏感的區(qū)段，的消化十分敏感的區(qū)段，長度一般介于長度一般介于5050200 bp200 bp之間之間，可被極微量的，可被極微量的DNaseDNase I I降解，被降解，被稱為稱為DNaseDNase I I超敏感位點超敏感位點（DNaseDNase I hypersensitivity site I hypersensitivity site）。通過）。通過分析很多基因的染色質，發(fā)現(xiàn)分析很多基因的染色質，發(fā)現(xiàn)DNaseDNase I I超敏感位點廣

7、泛存在。超敏感位點廣泛存在。每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于每個活躍表達的基因都有一個或幾個超敏感位點，大部分位于基因的基因的55調控區(qū)，少數位于其他部位，如轉錄單位的下游。調控區(qū)，少數位于其他部位，如轉錄單位的下游。非活性基因的非活性基因的55側翼區(qū)的對應位點不會表現(xiàn)出對側翼區(qū)的對應位點不會表現(xiàn)出對DNaseDNase I I的敏的敏感性。感性。超敏感位點代表著開放的染色質區(qū)域，由于組蛋白八聚體的解超敏感位點代表著開放的染色質區(qū)域，由于組蛋白八聚體的解離或纏繞方式的改變，這段區(qū)域中的離或纏繞方式的改變，這段區(qū)域中的DNA序列暴露，易受到序列暴露，易受到核酸酶的攻擊。核酸

8、酶的攻擊。對超敏感位點的最初認識來自對超敏感位點的最初認識來自SV40微小染色微小染色體的研究。體的研究。SV40的的DNA是是5200 bp的環(huán)狀分子，周長的環(huán)狀分子，周長1500 nm。在宿主細胞的細胞核中，在宿主細胞的細胞核中，SV40形成串珠狀核小體。在它的復形成串珠狀核小體。在它的復制起點附近，同時也是晚期轉錄啟動子的上游，存在一段制起點附近，同時也是晚期轉錄啟動子的上游，存在一段DNase I的超敏感區(qū)域，在的超敏感區(qū)域，在電鏡下電鏡下可直接觀察到該區(qū)域在核小可直接觀察到該區(qū)域在核小體組裝上出現(xiàn)空缺。這段空缺長約體組裝上出現(xiàn)空缺。這段空缺長約120 nm（約（約350 bp），無核

9、），無核小體結構小體結構。10.1.3 10.1.3 染色質結構的調節(jié)染色質結構的調節(jié)在原核細胞中，在原核細胞中，RNARNA聚合酶和調節(jié)蛋白可以自由地接近聚合酶和調節(jié)蛋白可以自由地接近DNADNA。在真核細胞中，由組蛋白和基因組在真核細胞中，由組蛋白和基因組DNADNA兩部分組成的染色質兩部分組成的染色質結構限制了轉錄因子對結構限制了轉錄因子對DNADNA的接近與結合，實際上起著阻遏的接近與結合，實際上起著阻遏轉錄的作用?；蜣D錄需要染色質發(fā)生一系列重要的變化，如轉錄的作用?；蜣D錄需要染色質發(fā)生一系列重要的變化，如染色質去凝集，核小體變成開放式的疏松結構，使轉錄因子等染色質去凝集，核小體變

10、成開放式的疏松結構，使轉錄因子等更容易接近并結合核小體更容易接近并結合核小體DNADNA。有兩種方式可以顯著改變。有兩種方式可以顯著改變DNADNA的易接近性：的易接近性：組蛋白的乙酰化和核小體重塑。組蛋白的乙酰化和核小體重塑。組蛋白的組蛋白的去乙酰化，則可以使染色質凝集，引起基因沉默。去乙?；?，則可以使染色質凝集，引起基因沉默。10.1.3.1 10.1.3.1 組蛋白組蛋白N N端尾的修飾對染色質結構及基因轉錄的影響端尾的修飾對染色質結構及基因轉錄的影響核心組蛋白保守的折疊結構域和核心組蛋白保守的折疊結構域和N端尾巴端尾巴HistoneHistone fold: fold:8080個氨基酸

11、殘基構成的保守的區(qū)域由個氨基酸殘基構成的保守的區(qū)域由3 3個個螺旋組成，螺旋間由短的無規(guī)則的環(huán)隔開。螺旋組成，螺旋間由短的無規(guī)則的環(huán)隔開。 組蛋白組蛋白N端尾的修飾作用端尾的修飾作用組蛋白尾含有的幾個賴氨酸殘基是乙?；奈稽c。核心組蛋白組蛋白尾含有的幾個賴氨酸殘基是乙?；奈稽c。核心組蛋白賴氨酸的乙?；泻土怂恼姾?，降低了組蛋白尾對帶負電賴氨酸的乙?；泻土怂恼姾?，降低了組蛋白尾對帶負電荷的荷的DNADNA骨架的親和性，導致局部骨架的親和性，導致局部DNADNA與組蛋白八聚體解開與組蛋白八聚體解開纏繞，從而為參與轉錄調控的各種蛋白質因子與纏繞，從而為參與轉錄調控的各種蛋白質因子與DNA

12、DNA的結合的結合創(chuàng)造了條件。組蛋白創(chuàng)造了條件。組蛋白N N端尾對端尾對30 nm30 nm纖維的形成是必需的，當纖維的形成是必需的，當N N端尾被乙?；?，從核小體纖維盤繞成端尾被乙酰化后，從核小體纖維盤繞成30 nm30 nm粗纖維的過程將粗纖維的過程將被阻止。異染色質中的組蛋白一般不被乙?；?，而具有轉錄活被阻止。異染色質中的組蛋白一般不被乙?；?，而具有轉錄活性的染色質常常是高度乙?；?，這些清楚地表明這種類型的性的染色質常常是高度乙?；?，這些清楚地表明這種類型的修飾與修飾與DNADNA的包裝相關。的包裝相關。經過多年的努力，催化向組蛋白添加乙?；慕M蛋白乙酰轉移經過多年的努力，催化向組

13、蛋白添加乙?；慕M蛋白乙酰轉移酶（酶（histone acetyl transferasehistone acetyl transferase, HAT, HAT）終于在）終于在19961996年被分離出來。年被分離出來。許多組蛋白乙酰轉移酶是以往鑒定過的激活蛋白或輔激活蛋白許多組蛋白乙酰轉移酶是以往鑒定過的激活蛋白或輔激活蛋白（coactivatorcoactivator）。）。激活蛋白激活蛋白Gcn4募集輔激活蛋白募集輔激活蛋白Gcn5復合體指導啟動子處組蛋復合體指導啟動子處組蛋白白N端尾的乙?；宋驳囊阴；哪はx的四膜蟲的P P5555蛋白質是最先發(fā)現(xiàn)的一種乙酰轉移酶。蛋白質是最先發(fā)現(xiàn)的

14、一種乙酰轉移酶。 組蛋白乙?；癁橐豢赡孢^程，乙?；腿ヒ阴；膭討B(tài)平衡控組蛋白乙?；癁橐豢赡孢^程，乙?；腿ヒ阴；膭討B(tài)平衡控制著染色質的結構和基因表達。組蛋白脫乙酰酶（制著染色質的結構和基因表達。組蛋白脫乙酰酶（histone deacetylase, HDAC）可去除組蛋白上的乙?；?，抑制基因表）可去除組蛋白上的乙酰基，抑制基因表達。當第一個組蛋白去乙?；笍娜祟惣毎斜环蛛x出來后，達。當第一個組蛋白去乙?；笍娜祟惣毎斜环蛛x出來后，組蛋白的去乙?；c基因轉錄抑制之間的關系就建立起來了。組蛋白的去乙?；c基因轉錄抑制之間的關系就建立起來了。抑制子抑制子Ume6指導指導Sin3復合體的去磷

15、酸化作用復合體的去磷酸化作用Ume6：抑制子，阻遏蛋白：抑制子，阻遏蛋白10.1.3.2 10.1.3.2 核小體重塑核小體重塑核小體重塑涉及在基因組一個較短的區(qū)域中核小體重塑涉及在基因組一個較短的區(qū)域中核小體位置的改變核小體位置的改變或者或者結構的改變結構的改變，是一個能量依賴的過程，由，是一個能量依賴的過程，由核小體重塑復合核小體重塑復合體體（chromatin remodeling complex）催化完成催化完成。重塑復合體。重塑復合體利用利用ATP水解釋放的能量，介導二種主要的反應：（水解釋放的能量，介導二種主要的反應：（1）組蛋）組蛋白八聚體沿白八聚體沿DNA滑動，從而改變核小體的

16、位置，使轉錄因子滑動，從而改變核小體的位置，使轉錄因子能夠與原來無法靠近的啟動子序列結合；（能夠與原來無法靠近的啟動子序列結合；（2）介導組蛋白重）介導組蛋白重排，在不改變位置的情況下使核小體變成一種較為松散的結構。排，在不改變位置的情況下使核小體變成一種較為松散的結構。下面我們具體考察下面我們具體考察激活蛋白激活蛋白、染色質重構復合體染色質重構復合體、組蛋白乙酰組蛋白乙酰轉移酶轉移酶在激活在激活HOHO基因轉錄的過程中的作用?；蜣D錄的過程中的作用。酵母酵母HOHO基因編碼一基因編碼一種內切核酸酶，介導酵母的交配型轉換。種內切核酸酶，介導酵母的交配型轉換。首先轉錄因子首先轉錄因子SWI5SW

17、I5與與DNADNA結合，募集結合，募集Swi/SnfSwi/Snf復合體，催化染色質重構。下一步是組復合體，催化染色質重構。下一步是組蛋白乙酰轉移酶蛋白乙酰轉移酶SAGASAGA與與Swi/SnfSwi/Snf結合催化啟動子區(qū)域的組蛋白結合催化啟動子區(qū)域的組蛋白乙?；旧|變得松散，暴露出另一個活化子乙?；?，染色質變得松散，暴露出另一個活化子SBFSBF的結合位的結合位點。點。SWI5SWI5能夠獨立與能夠獨立與DNADNA結合，然而結合，然而SWI5SWI5的結合位點距啟動子的結合位點距啟動子都比較遠，最近的一個結合位點距啟動子也有都比較遠，最近的一個結合位點距啟動子也有1 kb1 kb

18、以上以上, ,不能不能直接激活轉錄。直接激活轉錄。SBFSBF也有幾個結合位點，它們距距啟動子都很近，在也有幾個結合位點，它們距距啟動子都很近，在SBFSBF的介的介導下轉錄裝置與啟動子結合，激活基因表達。釀酒酵母以出導下轉錄裝置與啟動子結合，激活基因表達。釀酒酵母以出芽的方式進行繁殖，即母細胞出芽產生一個子細胞。芽的方式進行繁殖，即母細胞出芽產生一個子細胞。SBFSBF只在只在細胞周期的適當階段具有活性，而細胞周期的適當階段具有活性，而SWI5SWI5僅在母細胞內有活性。僅在母細胞內有活性。由于由于HOHO基因的表達受兩個調節(jié)子的控制，所以基因的表達受兩個調節(jié)子的控制，所以HOHO基因僅在母

19、基因僅在母細胞和細胞周期特定的階段表達。細胞和細胞周期特定的階段表達。 10.1.4 10.1.4 染色質結構的區(qū)間性染色質結構的區(qū)間性10.1.4.1 10.1.4.1 絕緣子絕緣子絕緣子（絕緣子（insulatorinsulator）序列首先在果蠅中被發(fā)現(xiàn)，以后又在多種）序列首先在果蠅中被發(fā)現(xiàn)，以后又在多種真核生物的基因組中被鑒定出來。真核生物的基因組中被鑒定出來。19851985年，年，UdvadryUdvadry等在果蠅等在果蠅的基因組中檢測出了兩個絕緣子序列，的基因組中檢測出了兩個絕緣子序列，scsscs和和scsscs（specialized specialized chromat

20、in structurechromatin structure）。）。scsscs和和scsscs分別位于果蠅多線染色體分別位于果蠅多線染色體S7A7S7A7條帶熱激蛋白基因座的兩側，長度分別是條帶熱激蛋白基因座的兩側，長度分別是350 bp350 bp和和200 bp200 bp。當。當受到熱激時，受到熱激時，hsp70hsp70基因高水平轉錄，在多線染色體上形成一基因高水平轉錄，在多線染色體上形成一個膨泡。個膨泡。scsscs和和scsscs就位于膨泡的兩端，是膨泡的邊界元件。在就位于膨泡的兩端，是膨泡的邊界元件。在scsscs和和scsscs的外側是異染色質區(qū)域，所以絕緣子能夠抵擋異染色

21、質對熱激的外側是異染色質區(qū)域，所以絕緣子能夠抵擋異染色質對熱激蛋白基因座位的影響，使該座位在結構和功能上都是一個獨立蛋白基因座位的影響，使該座位在結構和功能上都是一個獨立的區(qū)域。的區(qū)域。 350 bp200 bpS7A7絕緣子是一組在真核生物基因組中建立獨立的轉錄活性區(qū)的調絕緣子是一組在真核生物基因組中建立獨立的轉錄活性區(qū)的調控元件，它具有兩種性質?？卦?，它具有兩種性質。第一，當絕緣子位于增強子或者沉第一，當絕緣子位于增強子或者沉默子與啟動子之間時可以阻斷它們對啟動子的作用；第二，絕默子與啟動子之間時可以阻斷它們對啟動子的作用；第二，絕緣子可以使其界定的基因的表達不受位置效應的影響。緣子可以

22、使其界定的基因的表達不受位置效應的影響。在轉基在轉基因時，目的基因整合到染色體上的不同位置，因位置效應作用因時，目的基因整合到染色體上的不同位置，因位置效應作用基因的表達水平差異很大。但是，如果在目的基因的兩側連接基因的表達水平差異很大。但是，如果在目的基因的兩側連接上絕緣子，目的基因往往不受染色體位置效應的影響。上絕緣子，目的基因往往不受染色體位置效應的影響。10.1.4.2 10.1.4.2 基質附著區(qū)（基質附著區(qū)（matrixmatrix attachment region attachment region， MAR MAR）在細胞間期，由絲狀蛋白構成的網絡狀的核基質附著于核膜的在細胞

23、間期，由絲狀蛋白構成的網絡狀的核基質附著于核膜的內表面。內表面。DNA借著于基質附著區(qū)（借著于基質附著區(qū)（matrix attachment region，MAR）與基質蛋白結合。因為）與基質蛋白結合。因為MAR也被用于附著染色體支架，也被用于附著染色體支架，因此也稱為支架附著區(qū)（因此也稱為支架附著區(qū)（scaffold attachment region, SAR）。這）。這些些MAR/SAR位點長度為位點長度為2001000 bp，富含，富含AT（占（占70），），但是沒有明顯的一致序列。具有幾個連續(xù)腺嘌呤的但是沒有明顯的一致序列。具有幾個連續(xù)腺嘌呤的DNA序列序列有發(fā)生彎曲的趨勢。與有發(fā)生

24、彎曲的趨勢。與MAR位點結合的核蛋白識別彎曲的位點結合的核蛋白識別彎曲的DNA，而不是特定的序列。，而不是特定的序列。10.1.4.3 10.1.4.3 基因座控制位點基因座控制位點人類的人類的 珠蛋白基因簇長約珠蛋白基因簇長約60 Kb60 Kb，含有，含有5 5個功能基因，排列個功能基因，排列順序是順序是55 G G A A 33。其中。其中 在胚胎早期表達，在胚胎早期表達， G G和和 A A在胎兒時期表達，在胎兒時期表達， 和和 在成體中表達。每個在成體中表達。每個 珠蛋白珠蛋白基因都有自己的一套調控系統(tǒng)，但它們的表達還要受到基因簇基因都有自己的一套調控系統(tǒng)，但它們的表達還要受到基因簇

25、上游上游12 Kb12 Kb的基因座控制位點（的基因座控制位點（locus control region, LCRlocus control region, LCR）的控）的控制。制。 對非珠蛋白對非珠蛋白LCRLCR的研究使我們對的研究使我們對LCRLCR的結構和功能有了進一步的結構和功能有了進一步的認識。的認識。LCRLCR由一系列組織特異性的由一系列組織特異性的HSHS位點組成。這些位點組成。這些HSHS位位點并非必需像點并非必需像 珠蛋白珠蛋白LCRLCR的的HSHS位點那樣分布在一段連續(xù)的位點那樣分布在一段連續(xù)的DNADNA片段上。它們可以位于基因簇的上游、下游或者基因之片段上。它們

26、可以位于基因簇的上游、下游或者基因之間。每一間。每一HSHS位點包含一個位點包含一個150150300 bp300 bp的核心序列，其中有很的核心序列，其中有很多轉錄因子的結合位點。人類多轉錄因子的結合位點。人類CD2 LCRCD2 LCR是建立開放的染色質結是建立開放的染色質結構所必需的，但是沒有增強子的功能。構所必需的，但是沒有增強子的功能。10.1.4.4 10.1.4.4 沉默子沉默子在釀酒酵母中，在釀酒酵母中，HMLHML和和HMRHMR位點，以及接近端粒的染色質區(qū)位點，以及接近端粒的染色質區(qū)域，形成一種抑制性染色質結構，因此在轉錄上是沉默的。域，形成一種抑制性染色質結構，因此在轉錄

27、上是沉默的。HMHM位點上的沉默效應是由位點兩側、短的被稱為沉默子的特位點上的沉默效應是由位點兩側、短的被稱為沉默子的特異序列起始的。異序列起始的。 HML的沉默子的沉默子沉默子結合蛋白通過募集沉默子結合蛋白通過募集SirSir沉默復合體沉默復合體起始沉默過程。起始沉默過程。SirSir沉默沉默復合體由復合體由Sir2Sir2， Sir3Sir3和和Sir4Sir4構成構成。Sir2Sir2是一種是一種NADNAD依賴型組蛋白依賴型組蛋白去乙酰化酶，去乙?；福琒ir3Sir3和和Sir4Sir4為組蛋白結合蛋白。一旦被募集到沉默為組蛋白結合蛋白。一旦被募集到沉默子，子，SirSir復合體使附

28、近的核小體脫乙?；?。由于復合體使附近的核小體脫乙酰化。由于SirSir復合體自身的復合體自身的相互作用，以及相互作用，以及SirSir復合體優(yōu)先結合于乙?；潭鹊偷慕M蛋白，復合體優(yōu)先結合于乙?；潭鹊偷慕M蛋白，新的新的SirSir復合體就會被募集到剛剛脫去乙?；暮诵◇w上。于是，復合體就會被募集到剛剛脫去乙?；暮诵◇w上。于是，新一輪的核小體去乙?；⑿乱惠喌暮诵◇w去乙酰化、SirSir復合體與去乙?；暮诵◇w結合復合體與去乙?；暮诵◇w結合的過程又開始了。的過程又開始了。按照這種方式，按照這種方式，SirSir復合體介導核小體的去乙復合體介導核小體的去乙?；饔弥饾u地、沿染色質擴散，導致?；?/p>

29、作用逐漸地、沿染色質擴散，導致HMHM位點的異染色質化。位點的異染色質化。 染色體的端粒重復序列含有一系列染色體的端粒重復序列含有一系列Rap1p的結合位點。的結合位點。Rap1p募集募集Sir復合體，起始異染色質的生成和擴散，最終在染色體復合體，起始異染色質的生成和擴散，最終在染色體的近端粒區(qū)形成沉默的染色質結構。的近端粒區(qū)形成沉默的染色質結構。10.2 DNA10.2 DNA甲基化與基因組沉默甲基化與基因組沉默10.2.1 10.2.1 真核生物真核生物DNADNA的甲基化的甲基化DNADNA甲基化是指在甲基化是指在DNADNA甲基化酶（甲基化酶（DNA methyltransferase

30、DNA methyltransferase）的）的作用下，以作用下，以S S腺苷甲硫氨酸為甲基供體腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉移到，將甲基轉移到DNADNA分子的胞嘧啶堿基上形成分子的胞嘧啶堿基上形成5- 5-甲基胞嘧啶的過程。胞嘧啶的甲基甲基胞嘧啶的過程。胞嘧啶的甲基化作用不是隨機的。在脊椎動物基因組中胞嘧啶甲基化僅限于化作用不是隨機的。在脊椎動物基因組中胞嘧啶甲基化僅限于5-CG-35-CG-3二核苷酸，植物中僅限于二核苷酸，植物中僅限于5-CG-35-CG-3二核苷酸和二核苷酸和5-CNG-35-CNG-3三核苷酸。三核苷酸。DNA的甲基化反應分為兩種類型的甲基化反應分為兩種類型脊椎

31、動物基因組中僅有脊椎動物基因組中僅有不到不到1/4的的CpG位點得以位點得以保留。保留。CpG島島在基因組中，在基因組中，CpG二核苷酸并非隨機分布，基因組的某些區(qū)域二核苷酸并非隨機分布，基因組的某些區(qū)域其其CpG二核苷酸的水平比平均值高二核苷酸的水平比平均值高1020倍，這些倍，這些CpG富集區(qū)富集區(qū)被定義為被定義為CpG島。島。 10.2.2 DNA10.2.2 DNA甲基化與基因沉默甲基化與基因沉默基因沉默是指細胞以相對非特異性的方式關閉基因的表達，它基因沉默是指細胞以相對非特異性的方式關閉基因的表達，它可以影響一個基因、一個基因簇、染色體的一個區(qū)段甚至整條可以影響一個基因、一個基因簇、

32、染色體的一個區(qū)段甚至整條染色體。染色體。 DNADNA甲基化可以引起基因沉默。甲基化可以引起基因沉默。甲基化的生物學效應是由各種甲基化的生物學效應是由各種mCpG結合蛋白（結合蛋白（methyl-CpG-binding proteins, MeCP）介導的。）介導的。 10.2.3 DNA10.2.3 DNA甲基化與基因組印記甲基化與基因組印記在一個二倍體細胞中，常染色體基因有兩個拷貝，一個來自父在一個二倍體細胞中，常染色體基因有兩個拷貝，一個來自父本，一個來自母本。多數情況下，兩個基因在功能上是等價，本，一個來自母本。多數情況下，兩個基因在功能上是等價，它們在表達水平上具有可比性。但在少數情

33、況下，二倍體細胞它們在表達水平上具有可比性。但在少數情況下，二倍體細胞核中同源染色體上的一對等位基因中只有一個可以表達，另一核中同源染色體上的一對等位基因中只有一個可以表達，另一個因甲基化而沉默，這種現(xiàn)象就是基因印記，就如同基因被打個因甲基化而沉默，這種現(xiàn)象就是基因印記，就如同基因被打上了親代的印記。對一些印記基因來說，來源于父本的等位基上了親代的印記。對一些印記基因來說，來源于父本的等位基因不表達，來源于母本的基因表達。對另一些印記基因來說，因不表達，來源于母本的基因表達。對另一些印記基因來說，情況剛好相反情況剛好相反?！坝∮浻∮洝笔紫缺挥脕砻枋鲆环N遺傳事件。首先被用來描述一種遺傳事件。In

34、 Pseudococcids or In Pseudococcids or mealybugs (Homoptera, Coccoidea)mealybugs (Homoptera, Coccoidea)雌性和雄性都是由受精卵發(fā)育雌性和雄性都是由受精卵發(fā)育來的。在雌體中，所有的染色體都保持常染色質狀態(tài)，是有功來的。在雌體中，所有的染色體都保持常染色質狀態(tài)，是有功能的。然而，將發(fā)育成雄性個體的胚胎在第六次卵裂以后，有能的。然而，將發(fā)育成雄性個體的胚胎在第六次卵裂以后，有一組染色體轉變?yōu)楫惾旧|，并且，以后在大多數組織中一直一組染色體轉變?yōu)楫惾旧|，并且，以后在大多數組織中一直保持這種狀態(tài)。因此，

35、雄性個體在功能上是一個單倍體。在昆保持這種狀態(tài)。因此，雄性個體在功能上是一個單倍體。在昆蟲中，印記被用來描述雄性個體中一個親本基因組的失活，涉蟲中，印記被用來描述雄性個體中一個親本基因組的失活，涉及到性別決定及到性別決定。在人類和小鼠中已經發(fā)現(xiàn)了在人類和小鼠中已經發(fā)現(xiàn)了100100個印記基因。研究得比較透徹個印記基因。研究得比較透徹的兩個例子是人類的的兩個例子是人類的Igf2Igf2基因（基因（insulin-like growth facotr-2insulin-like growth facotr-2）和）和H19H19基因?；颉gf2Igf2編碼胰島素生長因子編碼胰島素生長因子2 2

36、，參與細胞間信號傳遞，參與細胞間信號傳遞，它和它和H19H19位于人類第位于人類第1111號染色體上相互鄰近的位置。在細胞內，號染色體上相互鄰近的位置。在細胞內，位于父本來源的同源染色體上的位于父本來源的同源染色體上的Igf2Igf2基因是活化的，位于母本基因是活化的，位于母本來源的來源的Igf2Igf2基因被關閉。基因被關閉。H19H19基因的情況剛好相反：來自母方基因的情況剛好相反：來自母方的拷貝處于工作狀態(tài)，來自父方的拷貝則處于關閉狀態(tài)。的拷貝處于工作狀態(tài)，來自父方的拷貝則處于關閉狀態(tài)。基因組印記是一個動態(tài)的過程。哺乳動物在配子形成的過程中，基因組印記是一個動態(tài)的過程。哺乳動物在配子形成

37、的過程中，整個基因組要建立新的甲基化模式：首先，整個基因組去甲基整個基因組要建立新的甲基化模式：首先，整個基因組去甲基化；然后，雌、雄配子再分別形成性別特異性的甲基化模式?；蝗缓?，雌、雄配子再分別形成性別特異性的甲基化模式。因此，帶有親代基因組印記的子代個體，其自身產生的配子會因此，帶有親代基因組印記的子代個體，其自身產生的配子會消除原有的印記并產生新的印記。消除原有的印記并產生新的印記。10.2.4 X10.2.4 X染色體失活染色體失活10.3 10.3 真核生物的特異性轉錄因子真核生物的特異性轉錄因子真核生物蛋白質編碼基因的表達不但需要通用轉錄因子，也需真核生物蛋白質編碼基因的表達不但

38、需要通用轉錄因子，也需要特異性轉錄因子。特異性轉錄因子結合于啟動子的上游元件，要特異性轉錄因子。特異性轉錄因子結合于啟動子的上游元件，或者結合于遠離啟動子的增強子元件，對基因的表達進行調控?；蛘呓Y合于遠離啟動子的增強子元件，對基因的表達進行調控。一個典型的特異性轉錄因子具有下面一個典型的特異性轉錄因子具有下面3 3個基本特征：個基本特征：1. 1. 應答一種特異性信號，激活一個或者一組基因。應答一種特異性信號，激活一個或者一組基因。2. 2. 與大多數蛋白質不同，轉錄因子能夠進入細胞核，識別并結與大多數蛋白質不同，轉錄因子能夠進入細胞核，識別并結合于合于DNADNA分子上特異性序列。分子上特異

39、性序列。3. 3. 直接或間接地與轉錄起始裝置發(fā)生作用。直接或間接地與轉錄起始裝置發(fā)生作用。10.3.1 10.3.1 轉錄因子的分離、鑒定轉錄因子的分離、鑒定10.3.1.1 10.3.1.1 利用生物化學的方法分離轉錄因子利用生物化學的方法分離轉錄因子轉錄因子能夠與調控元件特異性結合，所以一旦分離出基因的轉錄因子能夠與調控元件特異性結合，所以一旦分離出基因的調控元件，就可以利用這一性質把轉錄因子從細胞核中分離來調控元件，就可以利用這一性質把轉錄因子從細胞核中分離來。應用應用DNA親和層析法純化轉錄因子親和層析法純化轉錄因子利用體外轉錄技術檢測所分離的利用體外轉錄技術檢測所分離的轉錄因子轉錄

40、因子10.3.1.2 10.3.1.2 利用遺傳學的方法鑒定編碼轉錄因子的基因利用遺傳學的方法鑒定編碼轉錄因子的基因以以GAL4GAL4基因的分離為例基因的分離為例在酵母中，編碼轉錄因子的基因是通過遺傳分析的手段確定的。在酵母中，編碼轉錄因子的基因是通過遺傳分析的手段確定的。下面我們以下面我們以GAL4GAL4基因的分離為例加以說明。當酵母菌在含有半基因的分離為例加以說明。當酵母菌在含有半乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細胞內參與半乳糖代謝的基因的表達水乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細胞內參與半乳糖代謝的基因的表達水平要升高平要升高10001000倍以上。然而，在倍以上。然而，在gal4gal4突變體中，這些基

41、因的表達突變體中，這些基因的表達并不升高。并不升高。 采用突變分析技術，可以鑒定出半乳糖誘導基因的上游激活序采用突變分析技術，可以鑒定出半乳糖誘導基因的上游激活序列（列（upstream activation sequence, UASupstream activation sequence, UAS），它們均含有一個或多），它們均含有一個或多個拷貝的個拷貝的17 bp17 bp序列，該序列被稱為序列，該序列被稱為UASUASGALGAL。當把一個拷貝的。當把一個拷貝的UASUASGALGAL插入到插入到TATATATA盒上游，盒上游，TATATATA盒下游連接一個盒下游連接一個LacZLac

42、Z報道報道基因，在野生型細胞中報道基因的表達受半乳糖的誘導，然而基因，在野生型細胞中報道基因的表達受半乳糖的誘導，然而在在gal4gal4突變體中突變體中LacZLacZ基因不受半乳糖的誘導。這說明基因不受半乳糖的誘導。這說明UASUASGALGAL是受轉錄因子是受轉錄因子Gal4Gal4激活的轉錄調控元件。激活的轉錄調控元件。通過互補實驗分離出通過互補實驗分離出GAL4GAL4基因。利用重組基因。利用重組DNADNA技術，在大腸桿技術，在大腸桿菌細胞中表達菌細胞中表達GAL4GAL4蛋白，發(fā)現(xiàn)蛋白，發(fā)現(xiàn)Gal4Gal4蛋白與蛋白與UASUASGALGAL序列結合。序列結合。10.3.2 10

43、.3.2 轉錄因子的功能域轉錄因子的功能域 一系列的研究表明，一系列的研究表明，Gal4Gal4蛋白有兩種不同的功能域：蛋白有兩種不同的功能域：DNADNA結結合域（合域（DNA-binding domainDNA-binding domain）與特異性的）與特異性的DNADNA序列相互作用；序列相互作用；激活域（激活域（activation domainactivation domain）與其他的蛋白質相互作用從而刺激）與其他的蛋白質相互作用從而刺激從鄰近啟動子開始的轉錄。在這些實驗中，研究人員檢測了從鄰近啟動子開始的轉錄。在這些實驗中，研究人員檢測了galgal4 4的各種缺失突變對蛋白質

44、的功能產生的影響。實驗所用的的各種缺失突變對蛋白質的功能產生的影響。實驗所用的受體細胞缺少受體細胞缺少GAL4GAL4基因，這樣就可以排除內源的野生型基因，這樣就可以排除內源的野生型Gal4Gal4蛋白對實驗的干擾。蛋白對實驗的干擾。有關有關Gal4Gal4含有轉錄激活區(qū)進一步的證據來自結構域交換實驗含有轉錄激活區(qū)進一步的證據來自結構域交換實驗（domain swappingdomain swapping）。把）。把Gal4Gal4激活結構域與大腸桿菌激活結構域與大腸桿菌LexALexA的的DNADNA結合結構域融合。結合結構域融合。LexALexA具有一個具有一個N-N-末端末端DNADNA

45、結合結構域，結合結構域，該結構域專一性地與該結構域專一性地與lexAlexA操縱序列結合。在這些研究中，把一操縱序列結合。在這些研究中，把一個報道基因引入酵母細胞，而報道基因的上游插入了個報道基因引入酵母細胞，而報道基因的上游插入了lexAlexA操縱操縱基因。這時，報道基因并不表達基因。這時，報道基因并不表達。 接下來，把編碼接下來，把編碼LexALexA DNA DNA結合結構域的序列與編碼結合結構域的序列與編碼Gal4Gal4激活激活結構域的序列連接在一起，構成一個融合基因，并把融合基因結構域的序列連接在一起，構成一個融合基因，并把融合基因導入到酵母細胞。在細胞內，融合基因表達，產生的融

46、合蛋白導入到酵母細胞。在細胞內，融合基因表達，產生的融合蛋白由來自于一個轉錄因子的由來自于一個轉錄因子的DNADNA結合結構域和來自于另一轉錄因結合結構域和來自于另一轉錄因子的激活結構域構成。融合蛋白的子的激活結構域構成。融合蛋白的DNADNA結合結構域結合到結合結構域結合到LexALexA操縱基因上，它的激活結構域激活報道基因的轉錄。所以，操縱基因上，它的激活結構域激活報道基因的轉錄。所以，轉錄激活因子中的轉錄激活因子中的DNADNA結合結構域和轉錄激活結構域在序列上結合結構域和轉錄激活結構域在序列上是彼此隔開的，彼此獨立地折疊成不同的三維結構，并且可以是彼此隔開的，彼此獨立地折疊成不同的三

47、維結構，并且可以獨立地發(fā)揮作用。獨立地發(fā)揮作用。 10.3.2.1 DNA10.3.2.1 DNA結合域結合域（1 1）螺旋轉角螺旋結構域（）螺旋轉角螺旋結構域（helix-turn-helix domain)helix-turn-helix domain) 與很多序列特異性與很多序列特異性DNADNA結合蛋白一樣，螺旋轉角螺旋蛋結合蛋白一樣，螺旋轉角螺旋蛋白也是以二聚體的形式與白也是以二聚體的形式與DNADNA結合的。二聚體的結合位點通結合的。二聚體的結合位點通常為反向重復序列，兩個對稱的單體分別結合到一個半位點上。常為反向重復序列，兩個對稱的單體分別結合到一個半位點上。果蠅的同源異型基因（

48、果蠅的同源異型基因（homeotichomeotic genes genes）對果蠅的胚胎發(fā)育十分）對果蠅的胚胎發(fā)育十分重要。同源異型基因發(fā)生突變，會使果蠅身體的一部分轉變成重要。同源異型基因發(fā)生突變，會使果蠅身體的一部分轉變成另一部分。同源異型基因編碼的蛋白質都有一段保守的由另一部分。同源異型基因編碼的蛋白質都有一段保守的由6060個個氨基酸殘基構成的序列，被稱為同源異型域（氨基酸殘基構成的序列，被稱為同源異型域（homeodomain，HDHD）。同源異性域可以形成螺旋轉角螺旋結構。具有）。同源異性域可以形成螺旋轉角螺旋結構。具有HDHD的蛋白質是真核生物細胞中第一個被證實的螺旋轉角螺旋的

49、蛋白質是真核生物細胞中第一個被證實的螺旋轉角螺旋蛋白，并且含蛋白，并且含HDHD結構的蛋白存在于從酵母到人類幾乎所有的真結構的蛋白存在于從酵母到人類幾乎所有的真核細胞。核細胞。（2）鋅指（zinc finger）鋅指為蛋白質中一段相對較短的氨基酸序列圍繞著中央鋅離鋅指為蛋白質中一段相對較短的氨基酸序列圍繞著中央鋅離子折疊，形成的一種相對獨立的子折疊，形成的一種相對獨立的DNADNA結合結構域。鋅指得名結合結構域。鋅指得名于最初為闡明該結構域的外形而繪制的示意圖：環(huán)形肽段圍于最初為闡明該結構域的外形而繪制的示意圖：環(huán)形肽段圍繞鋅離子形成一手指狀的結構，而鋅離子則是形成和維持這繞鋅離子形成一手指狀

50、的結構，而鋅離子則是形成和維持這一結構的關鍵。現(xiàn)在知道鋅指有著不同的結構形式，也會出一結構的關鍵?，F(xiàn)在知道鋅指有著不同的結構形式，也會出現(xiàn)在并不與現(xiàn)在并不與DNADNA結合的蛋白質中。結合的蛋白質中。C2H2型鋅指型鋅指鋅鋅C C2 2H H2 2型鋅指蛋白通常有串聯(lián)排列的鋅指，型鋅指蛋白通常有串聯(lián)排列的鋅指，TFIIIATFIIIA含有含有9 9個鋅個鋅指，轉錄因子指，轉錄因子Sp1Sp1的的DNADNA結合域由結合域由3 3個連續(xù)的鋅指組成，每一個連續(xù)的鋅指組成，每一鋅指的鋅指的 螺旋均嵌入螺旋均嵌入DNADNA分子的大溝之中，以增強與分子的大溝之中，以增強與DNADNA的的親和力。親和力

51、。C2C2型鋅指型鋅指第二種鋅指為第二種鋅指為C C2 2C C2 2型鋅指。細胞內的類固醇激素受體（型鋅指。細胞內的類固醇激素受體（steroid receptor）首先被確定含有這種鋅指，隨后發(fā)現(xiàn)細胞內結構相）首先被確定含有這種鋅指，隨后發(fā)現(xiàn)細胞內結構相似的非類固醇激素受體也含有這種鋅指。因此，這類轉錄因子似的非類固醇激素受體也含有這種鋅指。因此，這類轉錄因子又通稱為細胞核受體（又通稱為細胞核受體（nuclear receptornuclear receptor）。這類蛋白質的）。這類蛋白質的DNADNA結結合結構域的共有序列是合結構域的共有序列是Cys-XCys-X2 2-Cys-X-C

52、ys-X1313-Cys-X-Cys-X2 2-Cys-X-Cys-X14151415-Cys-X-Cys-X5 5- -Cys-XCys-X9 9-Cys-X-Cys-X2 2-Cys-Cys。（3）堿性亮氨酸拉鏈（leucine zipper）亮氨酸拉鏈最初是比較酵母轉錄激活因子亮氨酸拉鏈最初是比較酵母轉錄激活因子Gcn4Gcn4、哺乳動物轉、哺乳動物轉錄因子錄因子C/EBP(CAATC/EBP(CAAT框及框及SV40SV40增強子核心序列結合蛋白增強子核心序列結合蛋白) )以及以及癌基因產物癌基因產物FosFos、JunJun和和MycMyc的氨基酸序列時被發(fā)現(xiàn)的。這些調的氨基酸序列時

53、被發(fā)現(xiàn)的。這些調節(jié)蛋白的羧基端都存在一段富含亮氨酸的序列，易于形成節(jié)蛋白的羧基端都存在一段富含亮氨酸的序列，易于形成 螺旋。螺旋。在在- -螺旋中，每螺旋中，每7 7個氨基酸殘基就會有一個亮氨酸殘基，結果個氨基酸殘基就會有一個亮氨酸殘基，結果- -螺旋的某一側面，每兩圈就會出現(xiàn)一個亮氨酸，重復的亮氨酸螺旋的某一側面，每兩圈就會出現(xiàn)一個亮氨酸，重復的亮氨酸數目一般為數目一般為4 45 5個。個。- -螺旋中上的親水氨基酸殘基位于另一面。螺旋中上的親水氨基酸殘基位于另一面。兩個單體通過兩個單體通過- -螺旋側面上的亮氨酸殘基之間的疏水作用力相螺旋側面上的亮氨酸殘基之間的疏水作用力相互齒合形成二聚體

54、，所以說亮氨酸拉鏈是二聚化結構域?；X合形成二聚體，所以說亮氨酸拉鏈是二聚化結構域。（4）堿性螺旋環(huán)螺旋（helix-loop-helix）10.3.2.2 10.3.2.2 轉錄激活結構域轉錄激活結構域(1)(1)酸性結構域（酸性結構域（acidic domainacidic domain）人們首先從酵母轉錄因子人們首先從酵母轉錄因子GCN4GCN4和和GAL4GAL4中鑒定出了轉錄激活中鑒定出了轉錄激活結構域，發(fā)現(xiàn)它們富含酸性氨基酸，因此稱為酸性激活結構域。結構域，發(fā)現(xiàn)它們富含酸性氨基酸，因此稱為酸性激活結構域。(2)(2)富含谷氨酰胺結構域（富含谷氨酰胺結構域（glutamine-ric

55、h domainglutamine-rich domain）富含谷氨酰胺結構域是在轉錄因子富含谷氨酰胺結構域是在轉錄因子SP1SP1中首次發(fā)現(xiàn)的。中首次發(fā)現(xiàn)的。SP1SP1有有4 4個彼此分開的激活結構域，其中兩個活性最高的結構域含大個彼此分開的激活結構域，其中兩個活性最高的結構域含大約約2525的谷氨酰胺。的谷氨酰胺。 (3)(3)富含脯氨酸結構域（富含脯氨酸結構域（prolineproline-rich domain-rich domain）脯氨酸結構域包括一段連續(xù)的脯氨酸殘基，能夠激活轉錄，例脯氨酸結構域包括一段連續(xù)的脯氨酸殘基，能夠激活轉錄，例如轉錄因子如轉錄因子c-Junc-Jun中

56、有一個能夠激活轉錄連續(xù)的脯氨酸殘基。中有一個能夠激活轉錄連續(xù)的脯氨酸殘基。10.4 10.4 轉錄因子的作用方式轉錄因子的作用方式10.4.1 10.4.1 活化子活化子活化子是一種能夠激活基因表達的活化子是一種能夠激活基因表達的DNADNA結合蛋白。真核生物結合蛋白。真核生物的活化子可以通過兩種途徑激活轉錄：促進轉錄機器在啟動子的活化子可以通過兩種途徑激活轉錄：促進轉錄機器在啟動子上的裝配；另一種方式是活化子募集核小體的修飾成分來改變上的裝配；另一種方式是活化子募集核小體的修飾成分來改變基因附近染色質的性質，以利于聚合酶的結合。基因附近染色質的性質，以利于聚合酶的結合。促進轉錄機器在啟動子上

57、的裝配促進轉錄機器在啟動子上的裝配（原核生物）（原核生物）促進轉錄機器在啟動子上的裝配促進轉錄機器在啟動子上的裝配（真核生物）（真核生物）共活化子是指參與基因共活化子是指參與基因表達調控、直接與活化表達調控、直接與活化子相互作用的蛋白質因子相互作用的蛋白質因子，被認為在活化子和子，被認為在活化子和基本轉錄機器之間起著基本轉錄機器之間起著橋梁作用。橋梁作用。TFIIDTFIID是第一個被鑒定出來具有共活化子性質的蛋白質復合體，是第一個被鑒定出來具有共活化子性質的蛋白質復合體，由由TBPTBP和和TBP-TBP-相關因子（相關因子（TAFsTAFs）構成。）構成。TBPTBP與啟動子的與啟動子的T

58、ATATATA序列結合，序列結合，TAFTAF的主要作用是提供基本轉錄機器與活化子的聯(lián)的主要作用是提供基本轉錄機器與活化子的聯(lián)系。系。TFIIDTFIID中不同的中不同的TAFTAF提供了和不同的活化子相互作用的表提供了和不同的活化子相互作用的表面。這種相互作用可以協(xié)作面。這種相互作用可以協(xié)作TFIIDTFIID與啟動子與啟動子TATATATA序列的結合。序列的結合。TAFTAF是細胞特異的，與活化子一起決定組織特異性轉錄。是細胞特異的，與活化子一起決定組織特異性轉錄。激活蛋白激活蛋白Gcn4募集輔激活蛋白募集輔激活蛋白Gcn5復合體指導啟動子處組蛋復合體指導啟動子處組蛋白白N端尾的乙?；宋?/p>

59、的乙?；?0.4.2 10.4.2 抑制子抑制子大多數真核生物的轉錄因子都是促進轉錄的活化子。然而，在大多數真核生物的轉錄因子都是促進轉錄的活化子。然而，在真核細胞中也存在著對轉錄有抑制作用的轉錄因子，即抑制子。真核細胞中也存在著對轉錄有抑制作用的轉錄因子，即抑制子。 機制機制I機制機制II機制機制III酵母酵母GAL1GAL1基因的抑制基因的抑制10.410.4 轉錄因子活性的調節(jié)轉錄因子活性的調節(jié)真核生物基因的轉錄受轉錄因子的調控。在多細胞有機體中，真核生物基因的轉錄受轉錄因子的調控。在多細胞有機體中，一個基因的表達模式在很大程度是由轉錄因子和基因調控序列一個基因的表達模式在很大程度是由轉錄因子和基因調控序列相互作用決定的。因此轉錄因子的活性就必須受到控制。相互作用決定的。因此轉錄因子的活性就必須受到控制。10.4.2 10.4.2 激素對轉錄因子活性的調節(jié)激素對轉錄因子活性的調節(jié)10.4.2.1 10.4.2.1 脂溶性激素對轉錄因子活性的調節(jié)脂溶性激素對轉錄因子活性的調節(jié)脂溶性激素脂溶性激素：脂溶性小分子，它們可以穿過細胞膜和核膜，與：脂溶性小分子，它們可以穿過細胞膜和核膜，與細胞內的受體結合。脂溶性激素，包括各種類固醇激素細胞內的受體結合。脂溶性激素，包括各種類固醇激素(steroid (steroid hormones)hormones)、類視黃醇