真核生物基因表达调控

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达的调控基因表达的调控10.1 10.1 染色质结构与基因表达染色质结构与基因表达染色质是细胞核中基因组染色质是细胞核中基因组DNADNA与蛋白质构成的复合体。染色与蛋白质构成的复合体。染色质的基本结构单位是核小体。质的基本结构单位是核小体。10 nm10 nm粗的纤维可以进一步盘绕粗的纤维可以进一步盘绕成成30 nm30 nm粗的纤维。在分裂期，粗的纤维。在分裂期，30 nm30 nm粗纤维再折叠成具有一定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。形态结构的染色体。分裂期结束后，

3、染色体又转化为染色质。按照功能不同，可将染色质划分为按照功能不同，可将染色质划分为活性染色质活性染色质和和非活性染色质非活性染色质。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。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转录活性的染色质区域为一种开放、松散开放、松散的结构。而非活性染的结构。而非活性染色质呈现一种色质呈现一种高度浓缩的形态高度浓缩的形态，转录机器不能与其中的启动子，转录机器不能与其中的启动子

4、结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染色质。色质。10.1.1 10.1.1 位置效应位置效应位置效应（位置效应（position effectposition effect）是指一个基因由于在基因组的位置）是指一个基因由于在基因组的位置发生改变，而发生的表达上的变化。位置效应在果蝇中得到了发生改变，而发生的表达上的变化。位置效应在果蝇中得到了详尽的研究。野生型详尽的研究。野生型w w+ +基因使果蝇的复眼呈红色。有一个果基因使果蝇的复眼呈红色。有一个果蝇品系，由于染色体倒位使蝇品系，由于染色体倒位使w w+ +基因座靠近着

5、丝粒处的异染色基因座靠近着丝粒处的异染色质。质。10.1.2 10.1.2 活性染色质的特征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，以及转录因子的结合，以及RNARNA聚合酶沿模板的滑动。在转录起始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，区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更为明显，DNaseDNase I I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测

6、这种变化和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测这种变化。在染色质中还存在一些短的对在染色质中还存在一些短的对DNaseDNase I I的消化十分敏感的区段，的消化十分敏感的区段，长度一般介于长度一般介于5050200 bp200 bp之间之间，可被极微量的，可被极微量的DNaseDNase I I降解，被降解，被称为称为DNaseDNase I I超敏感位点超敏感位点（DNaseDNase I hypersensitivity site I hypersensitivity site）。通过）。通过分析很多基因的染色质，发现分析很多基因的染色质，发现DNaseDNase I I超敏感位点广

7、泛存在。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，大部分位于基因的基因的55调控区，少数位于其他部位，如转录单位的下游。调控区，少数位于其他部位，如转录单位的下游。非活性基因的非活性基因的55侧翼区的对应位点不会表现出对侧翼区的对应位点不会表现出对DNaseDNase I I的敏的敏感性。感性。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，这段区域中的离或缠绕方式的改变，这段区域中的DNA序列暴露，易受到序列暴露，易受到核酸酶的攻击。核酸

8、酶的攻击。对超敏感位点的最初认识来自对超敏感位点的最初认识来自SV40微小染色微小染色体的研究。体的研究。SV40的的DNA是是5200 bp的环状分子，周长的环状分子，周长1500 nm。在宿主细胞的细胞核中，在宿主细胞的细胞核中，SV40形成串珠状核小体。在它的复形成串珠状核小体。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，在的超敏感区域，在电镜下电镜下可直接观察到该区域在核小可直接观察到该区域在核小体组装上出现空缺。这段空缺长约体组装上出现空缺。这段空缺长约120 nm（约（约350 bp），无核

9、），无核小体结构小体结构。10.1.3 10.1.3 染色质结构的调节染色质结构的调节在原核细胞中，在原核细胞中，RNARNA聚合酶和调节蛋白可以自由地接近聚合酶和调节蛋白可以自由地接近DNADNA。在真核细胞中，由组蛋白和基因组在真核细胞中，由组蛋白和基因组DNADNA两部分组成的染色质两部分组成的染色质结构限制了转录因子对结构限制了转录因子对DNADNA的接近与结合，实际上起着阻遏的接近与结合，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，使转录因子等染色质去凝集，核小体变

10、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更容易接近并结合核小体DNADNA。有两种方式可以显著改变。有两种方式可以显著改变DNADNA的易接近性：的易接近性：组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的组蛋白的去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。10.1.3.1 10.1.3.1 组蛋白组蛋白N N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响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核心组蛋白保守的折叠结构域和N端尾巴端尾巴HistoneHistone fold: fold:8080个氨基酸

11、残基构成的保守的区域由个氨基酸残基构成的保守的区域由3 3个个螺旋组成，螺旋间由短的无规则的环隔开。螺旋组成，螺旋间由短的无规则的环隔开。 组蛋白组蛋白N端尾的修饰作用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荷的DNADNA骨架的亲和性，导致局部骨架的亲和性，导致局部DNADNA与组蛋白八聚体解开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缠绕，从而为参与转录调控的各种蛋白质因子与DNA

12、DNA的结合的结合创造了条件。组蛋白创造了条件。组蛋白N N端尾对端尾对30 nm30 nm纤维的形成是必需的，当纤维的形成是必需的，当N N端尾被乙酰化后，从核小体纤维盘绕成端尾被乙酰化后，从核小体纤维盘绕成30 nm30 nm粗纤维的过程将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修饰与DNADNA的包装相关。的包装相关。经过多年的努力，催化向组蛋白添加乙酰基的组蛋白乙酰转移经过多年的努力，催化向组

13、蛋白添加乙酰基的组蛋白乙酰转移酶（酶（histone acetyl transferasehistone acetyl transferase, HAT, HAT）终于在）终于在19961996年被分离出来。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（coactivatorcoactivator）。）。激活蛋白激活蛋白Gcn4募集辅激活蛋白募集辅激活蛋白Gcn5复合体指导启动子处组蛋复合体指导启动子处组蛋白白N端尾的乙酰化端尾的乙酰化四膜虫的四膜虫的P P5555蛋白质是最先发现的一种乙酰转移酶。蛋白质是最先发现的

14、一种乙酰转移酶。 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（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）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，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。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。抑制子抑制子Ume6指导指导Sin3复合体的去磷

15、酸化作用复合体的去磷酸化作用Ume6：抑制子，阻遏蛋白：抑制子，阻遏蛋白10.1.3.2 10.1.3.2 核小体重塑核小体重塑核小体重塑涉及在基因组一个较短的区域中核小体重塑涉及在基因组一个较短的区域中核小体位置的改变核小体位置的改变或者或者结构的改变结构的改变，是一个能量依赖的过程，由，是一个能量依赖的过程，由核小体重塑复合核小体重塑复合体体（chromatin remodeling complex）催化完成催化完成。重塑复合体。重塑复合体利用利用ATP水解释放的能量，介导二种主要的反应：（水解释放的能量，介导二种主要的反应：（1）组蛋）组蛋白八聚体沿白八聚体沿DNA滑动，从而改变核小体的

16、位置，使转录因子滑动，从而改变核小体的位置，使转录因子能够与原来无法靠近的启动子序列结合；（能够与原来无法靠近的启动子序列结合；（2）介导组蛋白重）介导组蛋白重排，在不改变位置的情况下使核小体变成一种较为松散的结构。排，在不改变位置的情况下使核小体变成一种较为松散的结构。下面我们具体考察下面我们具体考察激活蛋白激活蛋白、染色质重构复合体染色质重构复合体、组蛋白乙酰组蛋白乙酰转移酶转移酶在激活在激活HOHO基因转录的过程中的作用。基因转录的过程中的作用。酵母酵母HOHO基因编码一基因编码一种内切核酸酶，介导酵母的交配型转换。种内切核酸酶，介导酵母的交配型转换。首先转录因子首先转录因子SWI5SW

17、I5与与DNADNA结合，募集结合，募集Swi/SnfSwi/Snf复合体，催化染色质重构。下一步是组复合体，催化染色质重构。下一步是组蛋白乙酰转移酶蛋白乙酰转移酶SAGASAGA与与Swi/SnfSwi/Snf结合催化启动子区域的组蛋白结合催化启动子区域的组蛋白乙酰化，染色质变得松散，暴露出另一个活化子乙酰化，染色质变得松散，暴露出另一个活化子SBFSBF的结合位的结合位点。点。SWI5SWI5能够独立与能够独立与DNADNA结合，然而结合，然而SWI5SWI5的结合位点距启动子的结合位点距启动子都比较远，最近的一个结合位点距启动子也有都比较远，最近的一个结合位点距启动子也有1 kb1 kb

18、以上以上, ,不能不能直接激活转录。直接激活转录。SBFSBF也有几个结合位点，它们距距启动子都很近，在也有几个结合位点，它们距距启动子都很近，在SBFSBF的介的介导下转录装置与启动子结合，激活基因表达。酿酒酵母以出导下转录装置与启动子结合，激活基因表达。酿酒酵母以出芽的方式进行繁殖，即母细胞出芽产生一个子细胞。芽的方式进行繁殖，即母细胞出芽产生一个子细胞。SBFSBF只在只在细胞周期的适当阶段具有活性，而细胞周期的适当阶段具有活性，而SWI5SWI5仅在母细胞内有活性。仅在母细胞内有活性。由于由于HOHO基因的表达受两个调节子的控制，所以基因的表达受两个调节子的控制，所以HOHO基因仅在母

19、基因仅在母细胞和细胞周期特定的阶段表达。细胞和细胞周期特定的阶段表达。 10.1.4 10.1.4 染色质结构的区间性染色质结构的区间性10.1.4.1 10.1.4.1 绝缘子绝缘子绝缘子（绝缘子（insulatorinsulator）序列首先在果蝇中被发现，以后又在多种）序列首先在果蝇中被发现，以后又在多种真核生物的基因组中被鉴定出来。真核生物的基因组中被鉴定出来。19851985年，年，UdvadryUdvadry等在果蝇等在果蝇的基因组中检测出了两个绝缘子序列，的基因组中检测出了两个绝缘子序列，scsscs和和scsscs（specialized specialized chromat

20、in structurechromatin structure）。）。scsscs和和scsscs分别位于果蝇多线染色体分别位于果蝇多线染色体S7A7S7A7条带热激蛋白基因座的两侧，长度分别是条带热激蛋白基因座的两侧，长度分别是350 bp350 bp和和200 bp200 bp。当。当受到热激时，受到热激时，hsp70hsp70基因高水平转录，在多线染色体上形成一基因高水平转录，在多线染色体上形成一个膨泡。个膨泡。scsscs和和scsscs就位于膨泡的两端，是膨泡的边界元件。在就位于膨泡的两端，是膨泡的边界元件。在scsscs和和scsscs的外侧是异染色质区域，所以绝缘子能够抵挡异染色

21、质对热激的外侧是异染色质区域，所以绝缘子能够抵挡异染色质对热激蛋白基因座位的影响，使该座位在结构和功能上都是一个独立蛋白基因座位的影响，使该座位在结构和功能上都是一个独立的区域。的区域。 350 bp200 bpS7A7绝缘子是一组在真核生物基因组中建立独立的转录活性区的调绝缘子是一组在真核生物基因组中建立独立的转录活性区的调控元件，它具有两种性质。控元件，它具有两种性质。第一，当绝缘子位于增强子或者沉第一，当绝缘子位于增强子或者沉默子与启动子之间时可以阻断它们对启动子的作用；第二，绝默子与启动子之间时可以阻断它们对启动子的作用；第二，绝缘子可以使其界定的基因的表达不受位置效应的影响。缘子可以

22、使其界定的基因的表达不受位置效应的影响。在转基在转基因时，目的基因整合到染色体上的不同位置，因位置效应作用因时，目的基因整合到染色体上的不同位置，因位置效应作用基因的表达水平差异很大。但是，如果在目的基因的两侧连接基因的表达水平差异很大。但是，如果在目的基因的两侧连接上绝缘子，目的基因往往不受染色体位置效应的影响。上绝缘子，目的基因往往不受染色体位置效应的影响。10.1.4.2 10.1.4.2 基质附着区（基质附着区（matrixmatrix attachment region attachment region， MAR MAR）在细胞间期，由丝状蛋白构成的网络状的核基质附着于核膜的在细胞

23、间期，由丝状蛋白构成的网络状的核基质附着于核膜的内表面。内表面。DNA借着于基质附着区（借着于基质附着区（matrix attachment region，MAR）与基质蛋白结合。因为）与基质蛋白结合。因为MAR也被用于附着染色体支架，也被用于附着染色体支架，因此也称为支架附着区（因此也称为支架附着区（scaffold attachment region, SAR）。这）。这些些MAR/SAR位点长度为位点长度为2001000 bp，富含，富含AT（占（占70），），但是没有明显的一致序列。具有几个连续腺嘌呤的但是没有明显的一致序列。具有几个连续腺嘌呤的DNA序列序列有发生弯曲的趋势。与有发生

24、弯曲的趋势。与MAR位点结合的核蛋白识别弯曲的位点结合的核蛋白识别弯曲的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 基因座控制位点基因座控制位点人类的人类的 珠蛋白基因簇长约珠蛋白基因簇长约60 Kb60 Kb，含有，含有5 5个功能基因，排列个功能基因，排列顺序是顺序是55 G G A A 33。其中。其中 在胚胎早期表达，在胚胎早期表达， G G和和 A A在胎儿时期表达，在胎儿时期表达， 和和 在成体中表达。每个在成体中表达。每个 珠蛋白珠蛋白基因都有自己的一套调控系统，但它们的表达还要受到基因簇基因都有自己的一套调控系统，但它们的表达还要受到基因簇

25、上游上游12 Kb12 Kb的基因座控制位点（的基因座控制位点（locus control region, LCRlocus control region, LCR）的控）的控制。制。 对非珠蛋白对非珠蛋白LCRLCR的研究使我们对的研究使我们对LCRLCR的结构和功能有了进一步的结构和功能有了进一步的认识。的认识。LCRLCR由一系列组织特异性的由一系列组织特异性的HSHS位点组成。这些位点组成。这些HSHS位位点并非必需像点并非必需像 珠蛋白珠蛋白LCRLCR的的HSHS位点那样分布在一段连续的位点那样分布在一段连续的DNADNA片段上。它们可以位于基因簇的上游、下游或者基因之片段上。它们

26、可以位于基因簇的上游、下游或者基因之间。每一间。每一HSHS位点包含一个位点包含一个150150300 bp300 bp的核心序列，其中有很的核心序列，其中有很多转录因子的结合位点。人类多转录因子的结合位点。人类CD2 LCRCD2 LCR是建立开放的染色质结是建立开放的染色质结构所必需的，但是没有增强子的功能。构所必需的，但是没有增强子的功能。10.1.4.4 10.1.4.4 沉默子沉默子在酿酒酵母中，在酿酒酵母中，HMLHML和和HMRHMR位点，以及接近端粒的染色质区位点，以及接近端粒的染色质区域，形成一种抑制性染色质结构，因此在转录上是沉默的。域，形成一种抑制性染色质结构，因此在转录

27、上是沉默的。HMHM位点上的沉默效应是由位点两侧、短的被称为沉默子的特位点上的沉默效应是由位点两侧、短的被称为沉默子的特异序列起始的。异序列起始的。 HML的沉默子的沉默子沉默子结合蛋白通过募集沉默子结合蛋白通过募集SirSir沉默复合体沉默复合体起始沉默过程。起始沉默过程。SirSir沉默沉默复合体由复合体由Sir2Sir2， Sir3Sir3和和Sir4Sir4构成构成。Sir2Sir2是一种是一种NADNAD依赖型组蛋白依赖型组蛋白去乙酰化酶，去乙酰化酶，Sir3Sir3和和Sir4Sir4为组蛋白结合蛋白。一旦被募集到沉默为组蛋白结合蛋白。一旦被募集到沉默子，子，SirSir复合体使附

28、近的核小体脱乙酰化。由于复合体使附近的核小体脱乙酰化。由于SirSir复合体自身的复合体自身的相互作用，以及相互作用，以及SirSir复合体优先结合于乙酰化程度低的组蛋白，复合体优先结合于乙酰化程度低的组蛋白，新的新的SirSir复合体就会被募集到刚刚脱去乙酰化的核小体上。于是，复合体就会被募集到刚刚脱去乙酰化的核小体上。于是，新一轮的核小体去乙酰化、新一轮的核小体去乙酰化、SirSir复合体与去乙酰化的核小体结合复合体与去乙酰化的核小体结合的过程又开始了。的过程又开始了。按照这种方式，按照这种方式，SirSir复合体介导核小体的去乙复合体介导核小体的去乙酰化作用逐渐地、沿染色质扩散，导致酰化

29、作用逐渐地、沿染色质扩散，导致HMHM位点的异染色质化。位点的异染色质化。 染色体的端粒重复序列含有一系列染色体的端粒重复序列含有一系列Rap1p的结合位点。的结合位点。Rap1p募集募集Sir复合体，起始异染色质的生成和扩散，最终在染色体复合体，起始异染色质的生成和扩散，最终在染色体的近端粒区形成沉默的染色质结构。的近端粒区形成沉默的染色质结构。10.2 DNA10.2 DNA甲基化与基因组沉默甲基化与基因组沉默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腺苷甲硫氨酸为甲基供体腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到，将甲基转移到DNADNA分子的胞嘧啶碱基上形成分子的胞嘧啶碱基上形成5- 5-甲基胞嘧啶的过程。胞嘧啶的甲基甲基胞嘧啶的过程。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-35-CG-3二核苷酸，植物中仅限于二核苷酸，植物中仅限于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的甲基化反应分为两种类型的甲基化反应分为两种类型脊椎

31、动物基因组中仅有脊椎动物基因组中仅有不到不到1/4的的CpG位点得以位点得以保留。保留。CpG岛岛在基因组中，在基因组中，CpG二核苷酸并非随机分布，基因组的某些区域二核苷酸并非随机分布，基因组的某些区域其其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，这些倍，这些CpG富集区富集区被定义为被定义为CpG岛。岛。 10.2.2 DNA10.2.2 DNA甲基化与基因沉默甲基化与基因沉默基因沉默是指细胞以相对非特异性的方式关闭基因的表达，它基因沉默是指细胞以相对非特异性的方式关闭基因的表达，它可以影响一个基因、一个基因簇、染色体的一个区段甚至整条可以影响一个基因、一个基因簇、

32、染色体的一个区段甚至整条染色体。染色体。 DNADNA甲基化可以引起基因沉默。甲基化可以引起基因沉默。甲基化的生物学效应是由各种甲基化的生物学效应是由各种mCpG结合蛋白（结合蛋白（methyl-CpG-binding proteins, MeCP）介导的。）介导的。 10.2.3 DNA10.2.3 DNA甲基化与基因组印记甲基化与基因组印记在一个二倍体细胞中，常染色体基因有两个拷贝，一个来自父在一个二倍体细胞中，常染色体基因有两个拷贝，一个来自父本，一个来自母本。多数情况下，两个基因在功能上是等价，本，一个来自母本。多数情况下，两个基因在功能上是等价，它们在表达水平上具有可比性。但在少数情

33、况下，二倍体细胞它们在表达水平上具有可比性。但在少数情况下，二倍体细胞核中同源染色体上的一对等位基因中只有一个可以表达，另一核中同源染色体上的一对等位基因中只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默，这种现象就是基因印记，就如同基因被打个因甲基化而沉默，这种现象就是基因印记，就如同基因被打上了亲代的印记。对一些印记基因来说，来源于父本的等位基上了亲代的印记。对一些印记基因来说，来源于父本的等位基因不表达，来源于母本的基因表达。对另一些印记基因来说，因不表达，来源于母本的基因表达。对另一些印记基因来说，情况刚好相反情况刚好相反。“印记印记”首先被用来描述一种遗传事件。首先被用来描述一种遗传事件。In

34、 Pseudococcids or In Pseudococcids or mealybugs (Homoptera, Coccoidea)mealybugs (Homoptera, Coccoidea)雌性和雄性都是由受精卵发育雌性和雄性都是由受精卵发育来的。在雌体中，所有的染色体都保持常染色质状态，是有功来的。在雌体中，所有的染色体都保持常染色质状态，是有功能的。然而，将发育成雄性个体的胚胎在第六次卵裂以后，有能的。然而，将发育成雄性个体的胚胎在第六次卵裂以后，有一组染色体转变为异染色质，并且，以后在大多数组织中一直一组染色体转变为异染色质，并且，以后在大多数组织中一直保持这种状态。因此，

35、雄性个体在功能上是一个单倍体。在昆保持这种状态。因此，雄性个体在功能上是一个单倍体。在昆虫中，印记被用来描述雄性个体中一个亲本基因组的失活，涉虫中，印记被用来描述雄性个体中一个亲本基因组的失活，涉及到性别决定及到性别决定。在人类和小鼠中已经发现了在人类和小鼠中已经发现了100100个印记基因。研究得比较透彻个印记基因。研究得比较透彻的两个例子是人类的的两个例子是人类的Igf2Igf2基因（基因（insulin-like growth facotr-2insulin-like growth facotr-2）和）和H19H19基因。基因。Igf2Igf2编码胰岛素生长因子编码胰岛素生长因子2 2

36、，参与细胞间信号传递，参与细胞间信号传递，它和它和H19H19位于人类第位于人类第1111号染色体上相互邻近的位置。在细胞内，号染色体上相互邻近的位置。在细胞内，位于父本来源的同源染色体上的位于父本来源的同源染色体上的Igf2Igf2基因是活化的，位于母本基因是活化的，位于母本来源的来源的Igf2Igf2基因被关闭。基因被关闭。H19H19基因的情况刚好相反：来自母方基因的情况刚好相反：来自母方的拷贝处于工作状态，来自父方的拷贝则处于关闭状态。的拷贝处于工作状态，来自父方的拷贝则处于关闭状态。基因组印记是一个动态的过程。哺乳动物在配子形成的过程中，基因组印记是一个动态的过程。哺乳动物在配子形成

37、的过程中，整个基因组要建立新的甲基化模式：首先，整个基因组去甲基整个基因组要建立新的甲基化模式：首先，整个基因组去甲基化；然后，雌、雄配子再分别形成性别特异性的甲基化模式。化；然后，雌、雄配子再分别形成性别特异性的甲基化模式。因此，带有亲代基因组印记的子代个体，其自身产生的配子会因此，带有亲代基因组印记的子代个体，其自身产生的配子会消除原有的印记并产生新的印记。消除原有的印记并产生新的印记。10.2.4 X10.2.4 X染色体失活染色体失活10.3 10.3 真核生物的特异性转录因子真核生物的特异性转录因子真核生物蛋白质编码基因的表达不但需要通用转录因子，也需真核生物蛋白质编码基因的表达不但

38、需要通用转录因子，也需要特异性转录因子。特异性转录因子结合于启动子的上游元件，要特异性转录因子。特异性转录因子结合于启动子的上游元件，或者结合于远离启动子的增强子元件，对基因的表达进行调控。或者结合于远离启动子的增强子元件，对基因的表达进行调控。一个典型的特异性转录因子具有下面一个典型的特异性转录因子具有下面3 3个基本特征：个基本特征：1. 1. 应答一种特异性信号，激活一个或者一组基因。应答一种特异性信号，激活一个或者一组基因。2. 2. 与大多数蛋白质不同，转录因子能够进入细胞核，识别并结与大多数蛋白质不同，转录因子能够进入细胞核，识别并结合于合于DNADNA分子上特异性序列。分子上特异

39、性序列。3. 3. 直接或间接地与转录起始装置发生作用。直接或间接地与转录起始装置发生作用。10.3.1 10.3.1 转录因子的分离、鉴定转录因子的分离、鉴定10.3.1.1 10.3.1.1 利用生物化学的方法分离转录因子利用生物化学的方法分离转录因子转录因子能够与调控元件特异性结合，所以一旦分离出基因的转录因子能够与调控元件特异性结合，所以一旦分离出基因的调控元件，就可以利用这一性质把转录因子从细胞核中分离来调控元件，就可以利用这一性质把转录因子从细胞核中分离来。应用应用DNA亲和层析法纯化转录因子亲和层析法纯化转录因子利用体外转录技术检测所分离的利用体外转录技术检测所分离的转录因子转录

40、因子10.3.1.2 10.3.1.2 利用遗传学的方法鉴定编码转录因子的基因利用遗传学的方法鉴定编码转录因子的基因以以GAL4GAL4基因的分离为例基因的分离为例在酵母中，编码转录因子的基因是通过遗传分析的手段确定的。在酵母中，编码转录因子的基因是通过遗传分析的手段确定的。下面我们以下面我们以GAL4GAL4基因的分离为例加以说明。当酵母菌在含有半基因的分离为例加以说明。当酵母菌在含有半乳糖的培养基上生长时，细胞内参与半乳糖代谢的基因的表达水乳糖的培养基上生长时，细胞内参与半乳糖代谢的基因的表达水平要升高平要升高10001000倍以上。然而，在倍以上。然而，在gal4gal4突变体中，这些基

41、因的表达突变体中，这些基因的表达并不升高。并不升高。 采用突变分析技术，可以鉴定出半乳糖诱导基因的上游激活序采用突变分析技术，可以鉴定出半乳糖诱导基因的上游激活序列（列（upstream activation sequence, UASupstream activation sequence, UAS），它们均含有一个或多），它们均含有一个或多个拷贝的个拷贝的17 bp17 bp序列，该序列被称为序列，该序列被称为UASUASGALGAL。当把一个拷贝的。当把一个拷贝的UASUASGALGAL插入到插入到TATATATA盒上游，盒上游，TATATATA盒下游连接一个盒下游连接一个LacZLac

42、Z报道报道基因，在野生型细胞中报道基因的表达受半乳糖的诱导，然而基因，在野生型细胞中报道基因的表达受半乳糖的诱导，然而在在gal4gal4突变体中突变体中LacZLacZ基因不受半乳糖的诱导。这说明基因不受半乳糖的诱导。这说明UASUASGALGAL是受转录因子是受转录因子Gal4Gal4激活的转录调控元件。激活的转录调控元件。通过互补实验分离出通过互补实验分离出GAL4GAL4基因。利用重组基因。利用重组DNADNA技术，在大肠杆技术，在大肠杆菌细胞中表达菌细胞中表达GAL4GAL4蛋白，发现蛋白，发现Gal4Gal4蛋白与蛋白与UASUASGALGAL序列结合。序列结合。10.3.2 10

43、.3.2 转录因子的功能域转录因子的功能域 一系列的研究表明，一系列的研究表明，Gal4Gal4蛋白有两种不同的功能域：蛋白有两种不同的功能域：DNADNA结结合域（合域（DNA-binding domainDNA-binding domain）与特异性的）与特异性的DNADNA序列相互作用；序列相互作用；激活域（激活域（activation domainactivation domain）与其他的蛋白质相互作用从而刺激）与其他的蛋白质相互作用从而刺激从邻近启动子开始的转录。在这些实验中，研究人员检测了从邻近启动子开始的转录。在这些实验中，研究人员检测了galgal4 4的各种缺失突变对蛋白质

44、的功能产生的影响。实验所用的的各种缺失突变对蛋白质的功能产生的影响。实验所用的受体细胞缺少受体细胞缺少GAL4GAL4基因，这样就可以排除内源的野生型基因，这样就可以排除内源的野生型Gal4Gal4蛋白对实验的干扰。蛋白对实验的干扰。有关有关Gal4Gal4含有转录激活区进一步的证据来自结构域交换实验含有转录激活区进一步的证据来自结构域交换实验（domain swappingdomain swapping）。把）。把Gal4Gal4激活结构域与大肠杆菌激活结构域与大肠杆菌LexALexA的的DNADNA结合结构域融合。结合结构域融合。LexALexA具有一个具有一个N-N-末端末端DNADNA

45、结合结构域，结合结构域，该结构域专一性地与该结构域专一性地与lexAlexA操纵序列结合。在这些研究中，把一操纵序列结合。在这些研究中，把一个报道基因引入酵母细胞，而报道基因的上游插入了个报道基因引入酵母细胞，而报道基因的上游插入了lexAlexA操纵操纵基因。这时，报道基因并不表达基因。这时，报道基因并不表达。 接下来，把编码接下来，把编码LexALexA DNA DNA结合结构域的序列与编码结合结构域的序列与编码Gal4Gal4激活激活结构域的序列连接在一起，构成一个融合基因，并把融合基因结构域的序列连接在一起，构成一个融合基因，并把融合基因导入到酵母细胞。在细胞内，融合基因表达，产生的融

46、合蛋白导入到酵母细胞。在细胞内，融合基因表达，产生的融合蛋白由来自于一个转录因子的由来自于一个转录因子的DNADNA结合结构域和来自于另一转录因结合结构域和来自于另一转录因子的激活结构域构成。融合蛋白的子的激活结构域构成。融合蛋白的DNADNA结合结构域结合到结合结构域结合到LexALexA操纵基因上，它的激活结构域激活报道基因的转录。所以，操纵基因上，它的激活结构域激活报道基因的转录。所以，转录激活因子中的转录激活因子中的DNADNA结合结构域和转录激活结构域在序列上结合结构域和转录激活结构域在序列上是彼此隔开的，彼此独立地折叠成不同的三维结构，并且可以是彼此隔开的，彼此独立地折叠成不同的三

47、维结构，并且可以独立地发挥作用。独立地发挥作用。 10.3.2.1 DNA10.3.2.1 DNA结合域结合域（1 1）螺旋转角螺旋结构域（）螺旋转角螺旋结构域（helix-turn-helix domain)helix-turn-helix domain) 与很多序列特异性与很多序列特异性DNADNA结合蛋白一样，螺旋转角螺旋蛋结合蛋白一样，螺旋转角螺旋蛋白也是以二聚体的形式与白也是以二聚体的形式与DNADNA结合的。二聚体的结合位点通结合的。二聚体的结合位点通常为反向重复序列，两个对称的单体分别结合到一个半位点上。常为反向重复序列，两个对称的单体分别结合到一个半位点上。果蝇的同源异型基因（

48、果蝇的同源异型基因（homeotichomeotic genes genes）对果蝇的胚胎发育十分）对果蝇的胚胎发育十分重要。同源异型基因发生突变，会使果蝇身体的一部分转变成重要。同源异型基因发生突变，会使果蝇身体的一部分转变成另一部分。同源异型基因编码的蛋白质都有一段保守的由另一部分。同源异型基因编码的蛋白质都有一段保守的由6060个个氨基酸残基构成的序列，被称为同源异型域（氨基酸残基构成的序列，被称为同源异型域（homeodomain，HDHD）。同源异性域可以形成螺旋转角螺旋结构。具有）。同源异性域可以形成螺旋转角螺旋结构。具有HDHD的蛋白质是真核生物细胞中第一个被证实的螺旋转角螺旋的

49、蛋白质是真核生物细胞中第一个被证实的螺旋转角螺旋蛋白，并且含蛋白，并且含HDHD结构的蛋白存在于从酵母到人类几乎所有的真结构的蛋白存在于从酵母到人类几乎所有的真核细胞。核细胞。（2）锌指（zinc finger）锌指为蛋白质中一段相对较短的氨基酸序列围绕着中央锌离锌指为蛋白质中一段相对较短的氨基酸序列围绕着中央锌离子折叠，形成的一种相对独立的子折叠，形成的一种相对独立的DNADNA结合结构域。锌指得名结合结构域。锌指得名于最初为阐明该结构域的外形而绘制的示意图：环形肽段围于最初为阐明该结构域的外形而绘制的示意图：环形肽段围绕锌离子形成一手指状的结构，而锌离子则是形成和维持这绕锌离子形成一手指状

50、的结构，而锌离子则是形成和维持这一结构的关键。现在知道锌指有着不同的结构形式，也会出一结构的关键。现在知道锌指有着不同的结构形式，也会出现在并不与现在并不与DNADNA结合的蛋白质中。结合的蛋白质中。C2H2型锌指型锌指锌锌C C2 2H H2 2型锌指蛋白通常有串联排列的锌指，型锌指蛋白通常有串联排列的锌指，TFIIIATFIIIA含有含有9 9个锌个锌指，转录因子指，转录因子Sp1Sp1的的DNADNA结合域由结合域由3 3个连续的锌指组成，每一个连续的锌指组成，每一锌指的锌指的 螺旋均嵌入螺旋均嵌入DNADNA分子的大沟之中，以增强与分子的大沟之中，以增强与DNADNA的的亲和力。亲和力

51、。C2C2型锌指型锌指第二种锌指为第二种锌指为C C2 2C C2 2型锌指。细胞内的类固醇激素受体（型锌指。细胞内的类固醇激素受体（steroid receptor）首先被确定含有这种锌指，随后发现细胞内结构相）首先被确定含有这种锌指，随后发现细胞内结构相似的非类固醇激素受体也含有这种锌指。因此，这类转录因子似的非类固醇激素受体也含有这种锌指。因此，这类转录因子又通称为细胞核受体（又通称为细胞核受体（nuclear receptornuclear receptor）。这类蛋白质的）。这类蛋白质的DNADNA结结合结构域的共有序列是合结构域的共有序列是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）碱性亮氨酸拉链（leucine zipper）亮氨酸拉链最初是比较酵母转录激活因子亮氨酸拉链最初是比较酵母转录激活因子Gcn4Gcn4、哺乳动物转、哺乳动物转录因子录因子C/EBP(CAATC/EBP(CAAT框及框及SV40SV40增强子核心序列结合蛋白增强子核心序列结合蛋白) )以及以及癌基因产物癌基因产物FosFos、JunJun和和MycMyc的氨基酸序列时被发现的。这些调的氨基酸序列时

53、被发现的。这些调节蛋白的羧基端都存在一段富含亮氨酸的序列，易于形成节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个氨基酸残基就会有一个亮氨酸残基，结果个氨基酸残基就会有一个亮氨酸残基，结果- -螺旋的某一侧面，每两圈就会出现一个亮氨酸，重复的亮氨酸螺旋的某一侧面，每两圈就会出现一个亮氨酸，重复的亮氨酸数目一般为数目一般为4 45 5个。个。- -螺旋中上的亲水氨基酸残基位于另一面。螺旋中上的亲水氨基酸残基位于另一面。两个单体通过两个单体通过- -螺旋侧面上的亮氨酸残基之间的疏水作用力相螺旋侧面上的亮氨酸残基之间的疏水作用力相互齿合形成二聚体

54、，所以说亮氨酸拉链是二聚化结构域。互齿合形成二聚体，所以说亮氨酸拉链是二聚化结构域。（4）碱性螺旋环螺旋（helix-loop-helix）10.3.2.2 10.3.2.2 转录激活结构域转录激活结构域(1)(1)酸性结构域（酸性结构域（acidic domainacidic domain）人们首先从酵母转录因子人们首先从酵母转录因子GCN4GCN4和和GAL4GAL4中鉴定出了转录激活中鉴定出了转录激活结构域，发现它们富含酸性氨基酸，因此称为酸性激活结构域。结构域，发现它们富含酸性氨基酸，因此称为酸性激活结构域。(2)(2)富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（glutamine-ric

55、h domainglutamine-rich domain）富含谷氨酰胺结构域是在转录因子富含谷氨酰胺结构域是在转录因子SP1SP1中首次发现的。中首次发现的。SP1SP1有有4 4个彼此分开的激活结构域，其中两个活性最高的结构域含大个彼此分开的激活结构域，其中两个活性最高的结构域含大约约2525的谷氨酰胺。的谷氨酰胺。 (3)(3)富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（prolineproline-rich domain-rich domain）脯氨酸结构域包括一段连续的脯氨酸残基，能够激活转录，例脯氨酸结构域包括一段连续的脯氨酸残基，能够激活转录，例如转录因子如转录因子c-Junc-Jun中

56、有一个能够激活转录连续的脯氨酸残基。中有一个能够激活转录连续的脯氨酸残基。10.4 10.4 转录因子的作用方式转录因子的作用方式10.4.1 10.4.1 活化子活化子活化子是一种能够激活基因表达的活化子是一种能够激活基因表达的DNADNA结合蛋白。真核生物结合蛋白。真核生物的活化子可以通过两种途径激活转录：促进转录机器在启动子的活化子可以通过两种途径激活转录：促进转录机器在启动子上的装配；另一种方式是活化子募集核小体的修饰成分来改变上的装配；另一种方式是活化子募集核小体的修饰成分来改变基因附近染色质的性质，以利于聚合酶的结合。基因附近染色质的性质，以利于聚合酶的结合。促进转录机器在启动子上

57、的装配促进转录机器在启动子上的装配（原核生物）（原核生物）促进转录机器在启动子上的装配促进转录机器在启动子上的装配（真核生物）（真核生物）共活化子是指参与基因共活化子是指参与基因表达调控、直接与活化表达调控、直接与活化子相互作用的蛋白质因子相互作用的蛋白质因子，被认为在活化子和子，被认为在活化子和基本转录机器之间起着基本转录机器之间起着桥梁作用。桥梁作用。TFIIDTFIID是第一个被鉴定出来具有共活化子性质的蛋白质复合体，是第一个被鉴定出来具有共活化子性质的蛋白质复合体，由由TBPTBP和和TBP-TBP-相关因子（相关因子（TAFsTAFs）构成。）构成。TBPTBP与启动子的与启动子的T

58、ATATATA序列结合，序列结合，TAFTAF的主要作用是提供基本转录机器与活化子的联的主要作用是提供基本转录机器与活化子的联系。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。这种相互作用可以协作面。这种相互作用可以协作TFIIDTFIID与启动子与启动子TATATATA序列的结合。序列的结合。TAFTAF是细胞特异的，与活化子一起决定组织特异性转录。是细胞特异的，与活化子一起决定组织特异性转录。激活蛋白激活蛋白Gcn4募集辅激活蛋白募集辅激活蛋白Gcn5复合体指导启动子处组蛋复合体指导启动子处组蛋白白N端尾的乙酰化端尾

59、的乙酰化10.4.2 10.4.2 抑制子抑制子大多数真核生物的转录因子都是促进转录的活化子。然而，在大多数真核生物的转录因子都是促进转录的活化子。然而，在真核细胞中也存在着对转录有抑制作用的转录因子，即抑制子。真核细胞中也存在着对转录有抑制作用的转录因子，即抑制子。 机制机制I机制机制II机制机制III酵母酵母GAL1GAL1基因的抑制基因的抑制10.410.4 转录因子活性的调节转录因子活性的调节真核生物基因的转录受转录因子的调控。在多细胞有机体中，真核生物基因的转录受转录因子的调控。在多细胞有机体中，一个基因的表达模式在很大程度是由转录因子和基因调控序列一个基因的表达模式在很大程度是由转录因子和基因调控序列相互作用决定的。因此转录因子的活性就必须受到控制。相互作用决定的。因此转录因子的活性就必须受到控制。10.4.2 10.4.2 激素对转录因子活性的调节激素对转录因子活性的调节10.4.2.1 10.4.2.1 脂溶性激素对转录因子活性的调节脂溶性激素对转录因子活性的调节脂溶性激素脂溶性激素：脂溶性小分子，它们可以穿过细胞膜和核膜，与：脂溶性小分子，它们可以穿过细胞膜和核膜，与细胞内的受体结合。脂溶性激素，包括各种类固醇激素细胞内的受体结合。脂溶性激素，包括各种类固醇激素(steroid (steroid hormones)hormones)、类视黄醇