真核生物基因表达的调控

课次：19

教学目的：使学生了解真核基因表达调控的特点、转录前的调控，掌握增强子的作用特点和反式作用因子

的DNA结合域的结构花式。

重点：增强子和反式作用因子的DNA结合域的结构花式。 难点：反式作用因子的DNA结合域的结构花式。 复习旧课：提问2人，了解教学效果。 导入新课：

第八章 真核生物基因表达的调控

第一节 概述

真核生物细胞中由核膜将核和细胞质分隔开，转录和翻译并不偶联；基困组是由多条染色体组成。 真核基因的调节分为： 真核基因表达调控的特点：

第二节 转录前的调控

一. DNA的甲基化与去甲基化

真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytidine,m5C)，而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。

甲基化可使基因失活，去甲基化又可使基因恢复活性。 二 染色质结构对真核基因转录的调控 1.染色质结构影响基因转录

常染色质中的基因可以转录，异染色质(heterochromatin)，无基因转录表达。 2. 组蛋白的作用

? 组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用，

? 非组蛋白成分起到特异性的去阻遏促转录作用。 ? 核小体结构影响基因转录。

三 基因重排和基因扩增对基因表达的影响

基因重排(gene rearrangement)，即原胚性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。 基因扩增(gene amplification)，即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。

基因丢失：在细胞分化过程中，丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。例如在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。

第三节 真核基因转录水平的调控

1 顺式作用元件 (cis-acting elements)

顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 1.1 启动子

(1) 核心启动子成分，如TATA框； (2) 上游启动子成分（UPE），如CAAT框，GC框，八聚体（octamer）等；

表 哺乳动物RNA PolⅡ启动子上游转录因子结合的序列元件

组件 保守顺序 DNA长结合因子 大小丰度（/分布

度 （Da） 细胞）

TATA box

CAAT box GC box Octamer Octamer KB KB

TATAAAA GGCCAATCT GGGCGG ATTTGCAT ATTTGCAT GGGACTTTCC GGGACTTTCC

～10bp ～22bp ～20bp ～20bp 23bp ～10bp ～10bp

TBP

CTF/NF1 SP1 Oct-1 Oct-2 NFKB H2·TH1

27,000

60,000 165,000 76,000 52,000 44,000 ?

?

300,000 60,000 ? ? ? ?

普遍 普遍 普遍 普遍 淋巴细胞 淋巴细胞 普遍

ATF GTGACGT ATF ? ? ～20bp 普遍 1.2 增强子 Enhancer又称远端上游序列（far upstream sequence）。

最早SV40病毒中发现，可使旁侧的基因转录提高100倍。组成：100-200bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。 正性调控元件 增强子的作用特点：

① 促进基因的转录效率远距离发挥作用 (100~500bp，10Kb) ② 促进转录，不具有启动子专一性 ③ 功能与方向、位置无关 ④ 具有组织或细胞特异性 1.3 沉默子 silencer

负性调控元件，与转录因子结合抑制转录。 作用特点：

不受序列方向的影响， 能远距离发挥作用，

并可对异源基因的表达起作用。

2 反式作用因子（trans-acting factors）

反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达，其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上。

转录因子(transcription factor)：起正调控作用的反式作用因子。 2.1 TF的分类：

(1) 通用转录因子，在一般细胞中普遍存在，

主要识别一些启动子的核心启动成分TATA框，如TBP； 上游启动子成分CAAT框，如CTF/NF-1； GC框如SP1；

识别八聚体核苷酸的Oct-1等；

(2) 特异转录因子：特殊组织与细胞中的，如淋巴细胞中的Oct-2 ； (3) 诱导型因子：和特异调控序列结合。 2.2 TF结构特征

DNA结合域，binding domain，BD：<100aa， 大沟 转录激活域，active domain，AD：30-100aa 调节域：与其它因子或调控蛋白结合 1） 转录激活域

带负电荷的螺旋结构 如GCN4，GAL4 rich-Gln 如SP1, AP2, oct1, oct2 rich-pro 如CTF/NF1

2） DNA结合域的结构花式/基元（ motif ） ① 锌指（zinc finger）

由一小组保守的氨基酸和锌离子结合，形成了相对独立的功能域，像一根根手指伸向DNA的大沟 。 A. Cys2/His2：~23aa，两指间7-8aa，Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His，串联重复排列，锌指数目多少不等

表 带有Cis/His锌指结构的转录因子和DNA结合蛋白 蛋白

来源

大小

指

结合的DNA

靶

启动子

功能

TFⅢA 哺乳动物 37,000 9 50bp 5S基因 pol Ⅲ 5S基因转录因子 SP1 哺乳动物 105,000 3 10bp GC box pol II 一般的转录因子 ADR1 果蝇 150,000 2 22bp ADH2基因 pol Ⅲ 激活ADH基因 Kruppel 果蝇 60,000 5 ? ？ ？ 胚的分节 驼背基因产物 果蝇 80,000 4+2 ? ？ ？ 胚的分节

B. Cys2/Cys2：Zn2+与4个Cys结合，Cys- X2- Cys-X13-Cys- X2- Cys，无大量重复性锌指

表 Cys2/Cys2型的调节蛋白

蛋白

糖皮质激素受体 雌激素受体

大小 94,000 66,000

指 2 2

靶 GRE中20bp ERE中20bp

GAL4(酵母) 99,000 1 UAS中17bp 腺病毒E1A ～30,000 1 ?

类固醇激素受体家族：以二聚体形式发挥其促进转录作用的。

其中：两个锌指的功能不同：第1个锌指右侧控制与DNA结合第2个锌指左侧控制形成二聚体。 ② 螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）

至少有两个α螺旋，其间由短肽段形成的β转角或环连接，二聚体形式存在， 距离正好相当于DNA一个螺距（3.4nm），两个α螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟。

许多调控蛋白都有HTH：LacO的阻抑蛋白，λ阻遏蛋白与cro蛋白λCAP，酵母接合型调控蛋白α1，α ③同源异形结构域（Homeodomains，HD）：编码60aa的序列，几乎存在于所有真核生物中；

有3个?-helix,，H1与H2平行，H3位于大沟中，与DNA特异结合，N端多余臂部分与小沟结合，稳定性高。

HD与HTH的不同：

（1）HD的C端由3个α-螺旋构成，螺旋3结合于大沟；而HTH至少2个α-螺旋构成；

（2）HD以单体形式与DNA结合，靶序列不是回文结构，而HTH以二聚体形式与DNA结合，靶序列是回文结构。

④螺旋-环-螺旋结构（helix-loop-helix，HLH）：40～50aa，含2个?-helix（15~16aa）, 由连接区（12~28aa）连接；两亲性；通过疏水面作用形成二聚体；－NH2端为DNA结合区，16aa，其中6aa为保守序列。 ⑤碱性-亮氨酸拉链（leucine zipper，ZIP）：依靠Leu的疏水作用, 2个helix 相互缠绕，形成拉链结构； -COOH，每隔7个氨基酸出现一个Leu，所有Leu出现在同一侧面，成直线排列，形成疏水面

-NH2,富含碱性氨基酸，螺旋状，＋，DNA结合域， 与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合 C/EBP 家族：与增强子、CAAT盒结合 GCN4 酵母激活因子

CREB（cAMP应答元件结合蛋白） 3 真核基因转录调控方式---非常复杂

归纳小结：真核基因转录前的调控，增强子、沉默子、反式作用因子的DNA结合域的结构花式。 布置作业： 问答题：

1. 增强子的作用特点是什么？

2. 转录因子的DAN结合域的特征有哪些？并各举一例说明。 教学后记：

课次：20

教学目的：使学生了解转录后加工水平的调控方式，掌握可变剪接、反式剪接、RNA编辑的概念。 重点：掌握可变剪接、反式剪接、RNA编辑 难点：

复习旧课：提问1人，了解教学效果。 导入新课：

第四节 转录后加工水平的调控

1 rRNA和tRNA的加工：剪切和修饰 2 mRNA加工成熟：

2.1 mRNA前体的可变剪接 1） mRNA剪接的种类：

? 组成型拼接: 一个基因的mRNA前体按一种方式剪切，产生一种mRNA，一种蛋白质。

? 可变剪接（选择性拼接，alternative splicing） ：有些基因的mRNA前体，按不同方式剪切，产生两种以上mRNA，翻译产生多种蛋白质。 2） 可变剪接的方式：

（1）选用不同的起始位点，得到不同的蛋白质；（酵母蔗糖酶Suc基因 ，小鼠α-淀粉酶基因）； （2）选用不同的加尾位点产生不同的蛋白质（如免疫球蛋白）； （3）选用不同的剪接位点； （4）同时采用以上两种方式；

3) 可变剪接的调控机制：实质是5’供体与3’受体剪接点的选择搭配 ? 如何选择不同的位点？

? SR蛋白家族：SF2剪接因子，可与RNA结合，决定5’剪接位点 ? RNP的调节：hnRNP-A1, U5-snRNP 4) 可变剪接的意义

? 人类编码蛋白的基因～27000个，蛋白种类～90000。40％～60％人类编码蛋白的基因发生可变剪接； ? 高等真核生物基因组很大，完全能容纳更多的基因。为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方面它又使一个基因产生出多种产物？ 2.2 mRNA前体的反式剪接 ? 顺式剪接（cis-splicing）：内含子的剪接一般都是发生在同一个基因内，切除内含子，相邻的外显子彼此连接。

? 反式剪接（trans-splicing）：不同基因的外显子剪接后相互连接。

? 典型例子是锥虫表面糖蛋白基因VSG，线虫肌动蛋白基因和衣藻叶绿体DNA中的psa基因。

? 锥虫表面糖蛋白基因VSG中许多mRNA的5′端都有共同的35b前导序列，但在每个转录单位上游并未编码这个前导序列，

? 来源于基因组中位于别处序列转录的小片段RNA，通过反式剪接，将35nt的前导序列加到 mRNA的5′端。

? 反式剪接产生的5′端外显子称为剪接前导RNA（spliced leader RNA，SL RNA）。 ? SL RNAs存在于几种锥虫和线虫中，它们具有共同的特点；

? 其结构类似于U1，即SL RNA和U1 snRNA一样具有可以和内含子5′端剪接位点识别和结合的功能。

2.3 RNA 编辑

1) RNA编辑（editing） 指遗传信息在mRNA水平上发生改变的过程。

? 即RNA的编码序列与转录产生它的DNA序列不同，转录后的RNA在编码区发生碱基的加入，丢失或转换等现象。

? 1986年R.Benne在研究锥虫线粒体mRNA转录加工时发现m RNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，

? 1990年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。 2) 编辑的生物学意义：

? (1) 校正作用；(2) 调控翻译；(3) 扩充遗传信息。 3) 编辑的机制：1990年L.Simpsom等 ? 指导RNA（guide gRNA）：一类小分子RNA，对mRNA前体分子的编辑起了指导作用。

? 特点： 55-70nt， 3‘端有5-25个U， 5’端与mRNA转录产物互补：非常规的互补，G-U配对。 机制：

插入U 的两步转酯反应，gRNA的3’OH攻击mRNA，产生5‘端与gRNA3’相连，5‘端的3’-OH攻击gRNA的U-U，生成RNA编辑产物(插入一个U) ， gRNA（少一个U） ? RNA编辑相继在真核生物和病毒中发现: 如小鼠脑中的谷氨酸受体， 哺乳动物载脂蛋白B，

植物线粒体中的细胞色素氧化酶亚基。 ? 生物学意义

生物适应中的保护措施之一 中心法则的发展：

归纳小结：可变剪接、反式剪接、RNA编辑，转录后加工水平的调控。 布置作业： 问答题：

1. 可变剪接的概念,意义,产生原因是什么。 2. RNA的编辑,产生过程,意义。

教学后记：

课次：21

教学目的：使学生了解翻译水平的调控方式及特点。 重点：

难点：

复习旧课：提问3人，了解教学效果。 导入新课：

第五节 翻译水平的调控

1 mRNA运输控制

? 运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。

? 合成的RNA大约有1/12能被运出核进入细胞质，50％左右的在核内降解，还有一些留在核。 2 mRNA稳定性的调控 mRNA的寿命；

? 原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约3min。

? 高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h。

? 在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命长达数天。 3 mRNA结构

3.1 mRNA5’前导序列对翻译水平的影响 ? 5’m7G帽结构是否存在

? 起始密码子的位置和其侧翼的序列的影响。

? 5’端UTR的长度也会影响到翻译的效率和起始的精确性，当此区长度在17～80Nt之间时，体外翻译效率与其长度变成正比。

? 5’UTR中存在碱基配对区形成二级结构时，会阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有抑制作用。 3.2 mRNA3’端的结构对翻译速率和mRNA寿命的影响

? mRNA 3′端的poly(A)不仅和mRNA穿越核膜的能力有关，而且影响到mRNA的稳定性和翻译效率。 ? poly(A)越长，mRNA作为模板的使用的半衰期越长。 4 翻译的起始调节---翻译起始因子的磷酸化

? 翻译起始因子eFI-2磷酸化，磷酸化后不能重复利用，从而选择性的降低或加强一些mRNA的翻译。 当细胞处在异常环境（如饥饿、pH变动、重金属处理、加入化学药品等）或蛋白质生物合成受抑制时，都可以检测到细胞内eIF-2的磷酸化作用。 5 选择性翻译

? 珠蛋白是由两条α链和两条β链组成的。 ? 在二倍体细胞中都有4个α-β，2个 β；

? 如果它们相同转录和翻译的话它们之间的浓度比应是α：β=2：1，而实际上是1：1，α珠蛋白和β珠蛋白是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起始因子的亲和性不同。

6 反义RNA调控

? 真核生物中也同样存在着反义RNA的调控

? 人们已将反义RNA发展成一门反义技术应用于动、植物病毒的抑制，果蔬的保鲜，疾病的治疗。 7 翻译的自我调节

用微量注射器将微管蛋白注入到哺乳动物细胞中，会抑制微管蛋白的进一步合成。 翻译延伸过程对蛋白质合成的影响

翻译过程并非一定能从起始密码到终止密码，有些中间形成茎环二级结构，阻止延伸；另外，在翻译延伸过程中出现移框翻译，翻译时向前或向后移动一个核苷酸，从而改变翻译的产物。 翻译后水平的调控

? 翻译后产生的多数蛋白质无生物活性，必须经过切割加工、水解、化学修饰、剪接; ? 某些蛋白质有选择的受到抑制;

? 某些蛋白质必须位于细胞内特定位置，如溶酶体、线粒体、叶绿体;

? 需同其他蛋白质结合，组装成功能单位，如血红蛋白、微管蛋白、核糖体等，都是由多条蛋白质分子结合在一起形成的功能单位。

归纳小结：真核基因翻译水平的调控特点。 布置作业： 问答题：

1. 真核生物翻译水平的调控因素及其过程，可以举例. 教学后记：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3atd.html