第十一章 真核生物的基因表達調控

第十一章真核生物的基因表達調控1.真核基因表達調控的特點2.DNA染色體水平的調控3.真核基因轉錄水平的調控4.翻譯水平的調節(jié)因素及其調節(jié)

真核生物基因表達的調控是當前分子生物學中最活躍的研究領域之一。人們已經(jīng)能夠利用許多過去不曾具備的先進儀器設備等手段來研究許多分子生物學方面的重大問題，使我們能從分子水平上認識許多復雜的基因表達過程。11.1真核基因表達調控的特點

真核基因表達調控的許多基本原理與原核生物基因(以下稱原核基因)相同。主要表現(xiàn)在：①與原核基因的調控一樣，真核基因表達調控也有轉錄水平調控和轉錄后的調控，并且也以轉錄水平調控為最重要；②在真核結構基因的上游和下游(甚至內部)也存在著許多特異的調控成分，并依靠特異蛋白因子與這些調控成分的結合與否調控基因的轉錄。

真核生物和原核生物在基因表達調控上的區(qū)別是由兩者生活方式的不同所決定的。在真核基因表達調控中至少有4個方面與原核基因表達調控不同：①原核細胞的染色質是裸露的DNA，而真核細胞染色質則是由DNA與組蛋白緊密結合形成的核小體。在原核細胞中染色質結構對基因的表達沒有明顯的調控作用，而在真核細胞中這種作用十分明顯；②在原核基因轉錄的調控中，既有激活物參與的正調控，也有阻遏物參與的負調控，二者同等重要。真核細胞中雖然也有正調控成分和負調控成分，但主要是正調控，且一個真核基因通常有多個調控序列，必須有多個激活物同時特異地結合上去才能調節(jié)基因轉錄。③原核基因的轉錄和翻譯通常是相互偶聯(lián)的，即在轉錄尚未完成之前翻譯便已開始。真核基因的轉錄與翻譯在時空上是分開的，從而使真核基因的表達有多種調控機制，其中許多機制是原核細胞所沒有的；④真核生物大都為多細胞生物，在個體發(fā)育過程中發(fā)生細胞分化后，不同細胞的功能不同，基因表達的情況也就不一樣，某些基因僅特異地在某種細胞中表達，稱為細胞特異性或組織特異性表達，因而具有調控這種特異性表達的機制。11.2DNA染色體水平的調控

每個真核細胞所攜帶的基因數(shù)量及總基因組中蘊藏的遺傳信息量都大大高于原核生物。?；蚪MDNA中基因之間存在許多重復序列、基因內部有大量不編碼蛋白質的序列、真核生物的DNA常與蛋白質(包括組蛋白和非組蛋白)結合形成十分復雜的染色質結構、染色質構象的變化、染色質中蛋白質的變化以及染色質對DNA酶敏感程度的不同等，都直接影響著真核基因的表達調控。

真核細胞基因表達調控在DNA和染色體水平上主要有以下幾個方面：染色質的結構、DNA在染色體上的位置、基因拷貝數(shù)的變化、基因重組、基因擴增、基因丟失、基因重排、DNA修飾等。11.2.1染色質的結構

在間期細胞中以核小體為基本單位的染色質是真核基因組DNA的主要存在方式。DNA盤繞組蛋自核心形成核小體，妨礙了與轉錄因子及RNA聚合酶的靠近和結合。使基因的活性受到抑制。

但這種作用可以通過改變染色質結構來調節(jié)。染色質結構的一系列重要變化可以暴露順式作用元件及其鄰近區(qū)域，使轉錄因子結合并起始轉錄。DNA（2nm）核小體(10nm）一級結構螺旋管（30nm，6個核小體）二級結構超螺旋管（0.4μm）三級結構染色單體（2μm）四級結構

細胞內的染色質分為活性的和非活性的染色質，絕大多數(shù)細胞在特定階段只有不到10％的基因具有轉錄活性，多數(shù)基因處于非活性狀態(tài)?；钚匀旧|區(qū)域結構疏松，便于結合轉錄因子并有利于RNA聚合酶沿模板的滑動。在轉錄起始區(qū)及某些特殊區(qū)域，核小體構象的變化更為明顯。

DNaseI、II和微球菌核酸酶等非特異性內切酶可用于檢測核小體構象的變化。染色質能被DNaseI降解為酸溶性小片段，但由于核小體結構的保護，其對酶的攻擊仍具有一定的耐受性，敏感區(qū)僅相當于染色質全長的1/10。當用極低濃度的DNaseI處理染色質時，切割首先發(fā)生在少數(shù)特異性位點，其敏感性超出其他區(qū)域100倍以上，稱為超敏感位點(hypersemitiveske)。

DNaseI超敏感位點(100~200bp)的存在是活性染色質的重要特征，具有組織特異性，并同基因的表達密切相關。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5′端啟動子區(qū)域，少數(shù)位于轉錄單位下游，為RNA聚合酶、轉錄因子或其他調節(jié)蛋白提供結合位點。

在啟動子區(qū)域，核小體的存在能抑制轉錄起始，以至于組蛋白長期被認為是一個轉錄抑制因子。由于結合了組蛋白，真核細胞的染色質從整體上被限制在非活性狀態(tài)，只有解除了對轉錄模板的抑制它才能得到表達。染色質是否處于活化狀態(tài)是決定RNA聚合酶能否行使功能的關鍵。

原核基因:細菌細胞中僅需要改變激活蛋白和抑制蛋白的比例，便能隨時調節(jié)基因的轉錄狀態(tài)。真核生物:以往基因表達調控的研究側重于對順式作用元件與反式作用因子及其之間的相互作用，但近年來許多證據(jù)表明，染色質和核小體構型的改變在轉錄調節(jié)中也扮演重要的角色。

占先模型(pre-emptivemodel)可以解釋轉錄時染色質結構的變化。該模型認為基因能否轉錄取決于特定位置上組蛋白和轉錄因子之間的不可逆競爭性結合。

要阻止核小體形成，則必須保持轉錄因子同DNA的持續(xù)結合。盡管該模型揭示了轉錄因子結合對核小體結構的影響，但這種簡單的占先原則并不能很好的反映體內的實際情況。

動態(tài)模型(dynamicmodel)則較好地解決了上述問題，并不斷被新的實驗結果所證實。該模型認為轉錄因子與組蛋白處于動態(tài)競爭之中，基因轉錄前染色質必須經(jīng)歷結構上的改變，即轉換核小體中的全部或部分成分并重新組裝，這個耗能的基因活化過程稱為染色質重構(chromatinremodeling)。

細胞內的多種蛋白質因子都能參與染色質的重構，通過改變核小體中DNA-蛋白質的相互作用重建核小體構型，影響轉錄的起始或延伸。它們分別組成不同的重構復合體，一般都包含多個與蛋白質或DNA相互作用的亞基。11.2.2組蛋白的修飾

各種核心組蛋白都可能被乙?；?，其中H3和H4上分布著乙?；闹饕稽c。組蛋白的乙?；c基因表達水平密切相關，是一個動態(tài)過程，高乙?；腔钚匀旧|的標志之一，而低乙?；０殡S著轉錄沉默而失活,X染色體中H4組蛋白則完全不被乙?；?。此外DNA復制過程也伴隨有組蛋白的乙?；?。

組蛋白H1能通過維持染色質的高級結構從而對轉錄進行抑制。磷酸化后的組蛋白H1與DNA的親和力下降，造成染色質結構疏松，直接影響其活性。11.2.3DNA甲基化與轉錄抑制

動物基因組DNA中約有2％～7％的胞嘧啶是被甲基化修飾的，形成5-甲基胞嘧啶(mC)，幾乎所有的mC與其3′的鳥嘌呤以5′mCpG3′的形式存在，可占全部CpG的50％～

70％。當兩條鏈上的胞嘧啶都被甲基化時稱完全甲基化。復制剛完成時，子鏈上的C呈非甲基化狀態(tài)，稱為半甲基化，隨著子鏈中的C被甲基化為mC，半甲基化位點逐漸形成全甲基化狀態(tài)。CpG在DNA中的含量差異較大，在某些基因上游的轉錄調控區(qū)及其附近，存在著CG島(CG-richisland)，長達1~2kb。DNA的甲基化是一個動態(tài)修飾過程.3種酶共同控制著甲基化程度:甲基化酶催化甲基與胞嘧淀的共價結合,(構建性甲基化酶和維持性甲基化酶)去甲基化酶則負責去除甲基.

構建性甲基化酶可對非甲基化的CpG位點進行甲基化修飾；維持性甲基化酶可在甲基化的DNA模板鏈指導下，使其互補鏈中對應位置上的CpG發(fā)生甲基化，從而使其子代細胞中具備親代的甲基化狀態(tài)。

甲基化的生物學效應依賴于各mCpG結合蛋白，其中MeCPl和MeCP2是介導甲基化對轉錄抑制作用主要的結合蛋白，缺乏這些蛋白時不能有效阻遏基因的活化。

基因組印記(genomicimprinting)是DNA甲基化影響基因表達的例證。哺乳動物某些等位基因性狀的表達將由于基因的來源不同而呈現(xiàn)差異，甚至只表達單一親系來源(父源或母源)的基因版本，猶如基因被打上了親代的印記。

基因組印記是一個可逆的過程，帶有親代基因組印記的子代個體，其自身產(chǎn)生的配子會因為重新修飾而消除原有印記并產(chǎn)生新的印記。

異染色質化能在更大范圍內調節(jié)真核基因的表達，致使連鎖在一起的大量基因同時喪失轉錄活性，從而起到遺傳平衡的作用。

人和多數(shù)哺乳動物雌性體細胞中的兩條X染色體，在胚胎早期(如l～16d的人胚)均為常染色質狀態(tài)，隨后其中一條X染色體將隨機出現(xiàn)異染色質化而失活，只允許另一條染色體上的基因活動。

異染色質化的組蛋白N-末端區(qū)域的乙?；胶艿?。11.2.4核基質與基因活化

在真核細胞的細胞核內，除核被膜、核纖絲、核仁和染色質之外，還存在著一個以蛋白質為主的網(wǎng)狀系統(tǒng)，即核基質(核骨架)。主要有非組蛋白和高分子量RNA組成。

核基質纖維直徑3～30nm，主要成分包括DNA拓撲異構酶Ⅱ、核基質蛋白以及多種DNA結合蛋白，并含有少量RNA。11.3真核基因轉錄水平的調節(jié)控制

在基因表達調控的眾多過程中，轉錄水平的調控最為重要，而轉錄調控又以轉錄的起始為關鍵性的環(huán)節(jié)。11.3.1真核與原核生物轉錄調控的區(qū)別

真核生物的轉錄調節(jié)與原核生物相比，有相似之處，但也有明顯差異。主要區(qū)別為：

①原核生物功能相關的基因常組織在一起構成操縱子，作為基因表達和調節(jié)的單元；真核生物基因不組成操縱子，每個基因都有其自身的基本啟動子和調節(jié)元件，單獨進行轉錄；②原核生物的調節(jié)元件種類較少，主要包括上游的啟動區(qū)域調控元件和激活蛋白(activator)以及阻遏蛋白(repressor)的結合位點；真核生物的調節(jié)元件種類很多，包括上游調節(jié)元件，如組成型元件、可誘導元件、應答元件、增強子和沉默子以及反式作用因子如激活因子、阻遏因子等。③無論是原核還是真核生物，其轉錄都受反式調節(jié)因子(轉錄激活因子或抑制因子)的調節(jié)。這類調節(jié)可在兩個水平上進行：一是通過調節(jié)因子的生物合成(即對其種類和數(shù)量的調節(jié))，其過程緩慢而持續(xù)，主要涉及到細胞的分化等；二是通過對它們進行構象轉變或共價修飾(即對其活性的調節(jié))。④真核生物具有染色質結構，基因活化首先需要改變染色質的狀態(tài)，使轉錄因子能夠接觸并作用于啟動子，稱此過程為染色質改型(chromatinremodeling)。染色質水平的調節(jié)主要涉及真核生物發(fā)育與細胞分化等調節(jié)。

圖11-1顯示了原核與真核生物轉錄起始位點上游區(qū)的結構。圖11-2給出了真核生物基因的一般結構。1.3.2真核生物轉錄調控的順式作用元件

(1)順反子的概念(2)啟動子(promoter)(3)增強子對轉錄的影響(4)絕緣子(insulator)(5)Britten-Davidson模型(1)順反子的概念(2)啟動子(promoter)

(3)增強子對轉錄的影響

增強子是指能使基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。增強子主要存在于真核生物基因組中。最早發(fā)現(xiàn)的SV40增強子位于轉錄起點上游約200bp處的超敏感位點，含有兩個正向重復的72bp序列。作為基因表達的重要順式調控元件，它能極大促進啟動子的轉錄活性。其作用有幾個明顯特點：①增強轉錄效應十分明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10～200倍，有的可以增加上千倍；②能以很遠距離(數(shù)千個核苷酸以外)對啟動子產(chǎn)生影響；③其功能與序列的取向無關，不論增強子以什么方向排列，甚至在基因的下游，均表現(xiàn)出增強效應；④大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結合。其內部常含有一個核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)；⑤其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明只有特定的蛋白質(轉錄因子)參與才能發(fā)揮其功能；⑥沒有基因專一性，可在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應；⑦許多增強子還受外部信號的調控，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應；⑧沒有生物種屬的特異性，其作用受到細胞發(fā)育和分化的影響。重組實驗證明，如果把SV40增強子上的兩個72bp重復序列同時去除?；虮磉_的水平會明顯降低。但其中一個重復序列去除時，則基因正常轉錄。如果將人β血紅蛋白基因克隆到帶有72bp重復序列的DNA上，這個基因在體內的表達水平提高200倍以上，即使72bp序列位于該基因轉錄起始位點上游3kb或下游2.5kb處，仍不例外。

有兩種假說可以解釋增強子的作用機理。

一是增強子能為轉錄因子提供進入啟動子區(qū)的位點。

第二種假說認為，增強子能改變染色質的構象。(4)絕緣子(insulator)

絕緣子(insulator)是近年發(fā)現(xiàn)的一類特殊順式作用元件，它不同于增強子，其功能是阻止激活或阻遏作用在染色質上的傳遞，使染色質的活性限定于結構域之內。如果將—個絕緣子置于增強子和啟動子之間，它能阻止增強子對啟動子的激活。

另一方面，如果一個絕緣子在活性基因和異染色質之間，則它可保護該基因免受異染色質化而失活。這些性質說明絕緣子可能影響染色質的組織結構。(5)Britten-Davidson模型

1969年，Britten和Davidson提出了真核生物單拷貝基因轉錄調控的模型。認為在整合基因的5′端連接著一段具有高度專一性的DNA序列，稱為傳感基因(Sensorgene)，當它和某種信號分子(如激素或激素蛋白復合物)相互作用時，激活了整合基因的表達，產(chǎn)生具有生物活性的RNA或蛋白質分子；當整合基因的表達產(chǎn)物和受體基因(receptorgene)相互作用時，就啟動了結構基因的表達。

如果許多結構基因的鄰近位置上同時具有相同的受體基因，則這些基因將受到某一種激活因子的控制而表達，這些基因就歸屬到一個組。如果有幾個不同的受體基因與—個結構基因相鄰接，它們能被不同的因子所激活，那么這個結構基因就會在不同的情況下表達。

如果一個傳感基因可以控制幾個整合基因，則一種信號分子就可以通過一個相應的傳感基因激活幾個組中的基因。因此，可以把一個傳感基因所控制的全部基因歸屬為—套。如果一種整合基因重復出現(xiàn)在不同的套中，則同一組基因也可以分屬于不同的套。11.3.3基因的基礎轉錄及其調節(jié)

參與轉錄調控的蛋白因子有3類:基礎轉錄因子(通用轉錄因子):廣泛分布于各種細胞類型,與核心啟動子結合;上游因子:與上游啟動子序列結合,提高轉錄水平;可誘導因子:其識別序列稱為應答元件.

基因的基礎轉錄是指由核心啟動子與通用轉錄因子結合后起始的轉錄過程。只含有通用轉錄因子和上游因子識別序列的啟動子可在各種細胞類型中都發(fā)揮作用，由它所控制的基因呈組成型表達，用以合成細胞所必需的各種成分，又稱為管家基因(house-keepinggene)。11.3.4反式作用因子的結構與功能反式作用因子：是指遠離受影響的基因之外的基因所編碼的產(chǎn)物，又稱為轉錄因子。它有非特異性和特異性之分。

反式作用因子有三個結構域，即DNA結合結構域、轉錄激活結構域和二聚化結構域。許多轉錄因子含有介導蛋白質二聚化的位點，二聚體的形成對它們行使功能具有重要意義。(1)螺旋-轉角-螺旋結構基序

(helix-turn-helix，HTH)

螺旋-轉角-螺旋結構由兩段α螺旋及連接它們的β轉角結構組成，一般長約20個AA殘基，由其中靠近C端的一段螺旋與DNA大溝中的堿基直接接觸，該螺旋稱為識別α螺旋，另一段螺旋沒有特異性，與DNA骨架相接觸(圖11-4)。螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix)(2)鋅指結構基序(zincfinger，ZF)

這類結構主要見于真核生物的調節(jié)因子。非洲爪蟾由RNA聚合酶III催化的5SrRNA基因轉錄的轉錄因子TFMA，是由344個AA組成的第一個被發(fā)現(xiàn)的鋅指蛋白。鋅指結構(zincfingermotif)(3)螺旋一突環(huán)一螺旋結構基序

(helix-loop-helix,HLH)

螺旋-突環(huán)-螺旋型DNA結合蛋白是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型DNA結合蛋白。由40~50個AA殘基形成兩個兩性的α螺旋，中間由長約9～20個氨基酸殘基間隔的可變連接區(qū)(突環(huán))，通過兼性的螺旋疏水面相互作用形成二聚體。螺旋-環(huán)-螺旋

(4)亮氨酸拉鏈結構基序

(1eucinezipper，ZIP)

亮氨酸拉鏈最初是通過比較酵母轉錄激活因子GCN4、哺乳動物轉錄因子C/EBP(CAAT區(qū)及SV40增強子核心序列結合蛋白)以及癌基因產(chǎn)物Fos、Jun和Myc的AA序列時被發(fā)現(xiàn)的。亮氨酸拉鏈中α-螺旋的突出特點是每隔7個AA殘基出現(xiàn)一個leu。亮氨酸拉鏈(leucinezipper)(5)調控蛋白對特異DNA序列的識別

特異性DNA序列表面(一般是與調節(jié)蛋白結合的面)的結構特點是DNA與蛋白質結合的分子基礎之一。為能進行特異性結合，調控蛋白能夠區(qū)分那些它將與之特異結合的DNA序列與非特異序列。

調控蛋白與DNA能在DNA的小溝處接觸，但這里形成氫鍵的花式不易于將不同的堿基區(qū)分開。調控蛋白與DNA結合時主