第三节 真核基因表达调控 背景情况（ overview ）： 背景情况（ overview ）： 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的 时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？ 时空性；分子事件？机制？如何协调？环境因子的作用？ …… …… 基因组的全能性 细胞的多潜能性 基因组的全能性 细胞的多潜能性 (totipotency) (pluripotency) (totipotency) (pluripotency)

真核细胞基因组全 能性的实验证据

真核细胞基因组的复杂性： 真核细胞基因组的复杂性： e.g., human genome: 约 30 亿 bp DNA ；包含约 3 万个基因； 95 ％的非编码 DNA 序列（功能？）； e.g., human genome: 约 30 亿 bp DNA ；包含约 3 万个基因； 95 ％的非编码 DNA 序列（功能？）； 一生合成总蛋白质的种类约 10 万种，但在一个典型的分化 细胞中合成约 5000 种蛋白质；如何调控？ 一生合成总蛋白质的种类约 10 万种，但在一个典型的分化 细胞中合成约 5000 种蛋白质；如何调控？ 人类基因组计划（ HGP ） 功能基因组学：基因及其产物 （蛋白质）的功能。 人类基因组计划（ HGP ） 功能基因组学：基因及其产物 （蛋白质）的功能。 不同组织器官中表 达不同的蛋白质组 （ 2D-gel ）

从 DNA 到蛋白质的可能的调控步骤 真核基因表达的多级控制 真核基因表达的多级控制

主要调控水平： 主要调控水平： * －转录水平调控（ transcriptional control ） * －转录水平调控（ transcriptional control ） * －转录后水平调控（ post-transcriptional control ） * －转录后水平调控（ post-transcriptional control ） RNA 加工水平调控（ RNA processing control ） RNA 加工水平调控（ RNA processing control ） 翻译水平调控（ translational control ） 翻译水平调控（ translational control ） －蛋白质的翻译后修饰（ post-translational modification ） －蛋白质的翻译后修饰（ post-translational modification ）

一、 转录水平的调控 一、 转录水平的调控 基本概念： 基本概念： 事件： DNA/protein, protein/protein 相互作用； 事件： DNA/protein, protein/protein 相互作用； 顺式作用元件（ cis-acting element ）：与转录调控蛋白特异 顺式作用元件（ cis-acting element ）：与转录调控蛋白特异 结合的 DNA 序列； 结合的 DNA 序列； 反式作用因子（ trans-acting factor ）：与特定 DNA 序列结 反式作用因子（ trans-acting factor ）：与特定 DNA 序列结 合的调控蛋白因子； 合的调控蛋白因子； “ 模体 ” 结构（ motif ）：蛋白质中的小结构域，用以识别特 “ 模体 ” 结构（ motif ）：蛋白质中的小结构域，用以识别特 定的 DNA 序列或其他蛋白质； e.g., helix-turn-helix, 定的 DNA 序列或其他蛋白质； e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc. zinc-finger, ß-sheet, leucin-zip, etc.

共有序列（ consensus sequence ）： DNA 中一小段保守序列 （有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构 域所识别，在转录起始调控中起重要作用； e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc. 共有序列（ consensus sequence ）： DNA 中一小段保守序列 （有时也指蛋白质中的氨基酸序列），能够被特定的蛋白结构 域所识别，在转录起始调控中起重要作用； e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc. 通用转录因子（ general transcription factor ）：与核心启动 子元件相结合（如 TATA-box ），启动转录； 通用转录因子（ general transcription factor ）：与核心启动 子元件相结合（如 TATA-box ），启动转录； 特异转录因子（ specific transcription factor ）：与基因的特 异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）； 特异转录因子（ specific transcription factor ）：与基因的特 异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）；

（一）、转录的激活（ transcriptional activation ） 1 ，转录的起始 1 ，转录的起始 涉及一系列的 DNA/protein, protein/protein 相互作用；转录 起始复合体（ pre-initiation complex ）的形成， etc. 涉及一系列的 DNA/protein, protein/protein 相互作用；转录 起始复合体（ pre-initiation complex ）的形成， etc. RNA polymerase II (side cutway) Aaron Klug, 2001, Science, 292:

真核基因的结构 真核基因的结构

转录的起始

2 ，激活因子（ activator ）和辅激活因子（ co-activator ） 特异性的转录因子，能在 DNA 序列上形成复合体，激活转 录； e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用： glucocorticoid/GRE 特异性的转录因子，能在 DNA 序列上形成复合体，激活转 录； e.g., 肾上腺（糖）皮质激素的作用： glucocorticoid/GRE 辅激活因子在特定的 DNA 元件上形成复合体，激活转录

转录因子（通用转录因子和特异转录因子）的功能结构域： - DNA 结合结构域（ DNA-binding domain ）：与基因的 - DNA 结合结构域（ DNA-binding domain ）：与基因的 调控区域的特定 DNA 序列识别并结合 调控区域的特定 DNA 序列识别并结合 - 激活结构域（ activation domain ）：招募其他激活因子 - 激活结构域（ activation domain ）：招募其他激活因子 和蛋白质，共同启动或激活转录 和蛋白质，共同启动或激活转录

真核基因转录的调控（ gene control regions ）

3 ，基因远端的调控元件 — 增强子（ enhancer ） 特点： 距离基因的起始点较远 距离基因的起始点较远 位置不定：上游、下游、内含子内部 位置不定：上游、下游、内含子内部 方向性：正反方向均有作用 方向性：正反方向均有作用作用机制： 间隔 DNA 可以形成环状 间隔 DNA 可以形成环状 通过与 enhancer 结合的特异因子起作用 通过与 enhancer 结合的特异因子起作用 染色质构型的改变（重塑） 染色质构型的改变（重塑）

基因远端的增强子促进转录复合体的装配

（二）、转录的阻抑（ transcriptional repression ） 1 ，顺式作用元件／反式作用因子 阻抑物（ repressor ）：负调控的特异性转录因子 阻抑物（ repressor ）：负调控的特异性转录因子 沉默子（ silencer ）：负调控的 DNA 元件 沉默子（ silencer ）：负调控的 DNA 元件作用机制： 阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用） 阻抑转录起始复合体的组装（与通用转录因子作用） 与转录激活因子竞争结合 DNA 与转录激活因子竞争结合 DNA 与转录激活因子相互作用，影响其活性 与转录激活因子相互作用，影响其活性 改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶） 改变染色质构型（招募重塑复合体、组蛋白修饰酶）

阻抑因子（ repressor ）抑制 基因转录的可能机制

2 ， DNA 甲基化（ DNA methylation ） CG 岛（ CG island ）：基因组 DNA 中富含 CG 碱基的区域， CG 岛（ CG island ）：基因组 DNA 中富含 CG 碱基的区域， 其中一些对称序列中的 5’-CG-3’ 二核苷酸的胞嘧啶（ C ） 其中一些对称序列中的 5’-CG-3’ 二核苷酸的胞嘧啶（ C ） 常被甲基化修饰；与基因的失活有关。 常被甲基化修饰；与基因的失活有关。 DNA 甲基转移酶（ DNA methyltransferase, DNMT ） DNA 甲基转移酶（ DNA methyltransferase, DNMT ） – 维持性 DNMT （ maintenance DNMT ）：使 DNA 甲基化 – 维持性 DNMT （ maintenance DNMT ）：使 DNA 甲基化 的模式（ pattern ）在细胞分裂中得以保持（可遗传性） 的模式（ pattern ）在细胞分裂中得以保持（可遗传性） – 构建性 DNMT （ establishment DNMT; de novo DNMT ）： – 构建性 DNMT （ establishment DNMT; de novo DNMT ）： 使非甲基化的 DNA 模板甲基化 使非甲基化的 DNA 模板甲基化 DNA 甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 DNA 甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。

胞嘧啶 C 的甲基化修饰 DNA 甲基化 pattern 维持的方式 （维持性 DNMT 的作用）

DNA 甲基化抑制基因转录的机制： DNA 甲基化抑制基因转录的机制： – 干扰转录因子对 DNA 元件的识别和结合 – 干扰转录因子对 DNA 元件的识别和结合 – 将转录因子的 DNA 识别序列转变为阻抑物的识别序列 – 将转录因子的 DNA 识别序列转变为阻抑物的识别序列 – DNA 甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 – DNA 甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 DNA 甲基化的普遍性： DNA 甲基化的普遍性： 脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等 脊椎动物（包括哺乳类和人）、植物中普遍存在；低等 生物（果蝇、酵母等）中未发现。 生物（果蝇、酵母等）中未发现。

DNA 甲基化抑制基因 转录的机制

基因组印记（ genomic imprinting ）和甲基化 基因组印记（ genomic imprinting ）和甲基化现象： 在二倍体动物中，有些基因（～ 100 个）的表达，依赖于其 是来自于父本还是母本染色体，如同印上了 “ 印记 ” ； 在二倍体动物中，有些基因（～ 100 个）的表达，依赖于其 是来自于父本还是母本染色体，如同印上了 “ 印记 ” ； 印记是由 DNA 甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受 精后不受 “ 去甲基化波 ” 的影响，从而 “ 记忆 ” 住了亲本所标记的 表达方式（阻抑或促进）。 e.g., 鼠的 Igf2 基因。 印记是由 DNA 甲基化标记来实现区分的；印记的基因在受 精后不受 “ 去甲基化波 ” 的影响，从而 “ 记忆 ” 住了亲本所标记的 表达方式（阻抑或促进）。 e.g., 鼠的 Igf2 基因。 这是 DNA 的 “ 状态 ” ，而不是其序列决定可遗传性状的证据 （表观遗传）。 这是 DNA 的 “ 状态 ” ，而不是其序列决定可遗传性状的证据 （表观遗传）。

鼠中基因 “ 印记 ” 的传递方式

转录后调控的步骤和方式 基因的转录后调控 基因的转录后调控 （ post-transcriptional control ）

二、 RNA 加工水平的调控 (RNA processing) 二、 RNA 加工水平的调控 (RNA processing) 1, 选择性剪接（ alternative splicing ） 以区别 组成型剪接（ constitutive splicing ） 以区别 组成型剪接（ constitutive splicing ） 选择性剪接：一个 hnRNA （ pre-mRNA ）转录本，通过外显 子的剪、接、重组，产生多个成熟的 mRNA 的机制。 子的剪、接、重组，产生多个成熟的 mRNA 的机制。 i.e., 一个基因 多个 mRNA 多个蛋白质（ isoforms ） i.e., 一个基因 多个 mRNA 多个蛋白质（ isoforms ）

选择性剪接的不同形式 选择性剪接的不同形式 ＊深蓝：均保留的 exon; 浅蓝：仅在一个 mRNA 中 浅蓝：仅在一个 mRNA 中 保留的 exon; 保留的 exon; 黄色： intron; 黄色： intron; 红线：被剪切去的区域。 红线：被剪切去的区域。

选择性剪接的实际例子： α - 原肌球蛋白 mRNA (α-tropomyosin)

剪接位点的选择和识别： 剪接位点的选择和识别： 剪接增强子（ splicing enhancer ） 剪接增强子（ splicing enhancer ） 剪接因子（ splicing factors ） 剪接因子（ splicing factors ） 形成 “ 剪接子 ” （ spliceosome ） 形成 “ 剪接子 ” （ spliceosome ）

RNA 剪接的机制

2 ， RNA 编辑（ RNA editing ） 改变成熟的 mRNA 的序列，从而改变其 “ 含义 ” （ meaning ）的机制；如：插入一个或多个 “U” 。 改变成熟的 mRNA 的序列，从而改变其 “ 含义 ” （ meaning ）的机制；如：插入一个或多个 “U” 。 由 “guide RNA” 引导编辑过程。 由 “guide RNA” 引导编辑过程。

三、翻译水平的调控（ translational control ） 成熟 mRNA 的结构： 成熟 mRNA 的结构： 5’ 帽子（ 5’-cap, metG ）， 5’ － UTR ，编码区， 3’ － UTR ， 多聚（ A ）尾部。 5’ 帽子（ 5’-cap, metG ）， 5’ － UTR ，编码区， 3’ － UTR ， 多聚（ A ）尾部。 5’-met G- 5’-UTR3’-UTRCoding region -…AAAA-3’ AUG

（一）、 mRNA 的细胞定位 mRNA 在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？ mRNA 在细胞质中的不均一性（见前）：如何定位？ 决定： 3’-UTR 中的信息，可能涉及蛋白质的参与； 决定： 3’-UTR 中的信息，可能涉及蛋白质的参与； 转运：微管（ microtubule ）的作用； 转运：微管（ microtubule ）的作用； 锚定：微丝（ microfilaments ）的作用。 锚定：微丝（ microfilaments ）的作用。 mRNA 定位的几种方式 : Left: travel by associateion with cytoskeleton motor; Center: random diffusion; Right: degradation of unanchored mRNAs; Black open circus: anchor complex

（二）、 mRNA 的翻译调控 翻译的负调控（ negative translational control ） 翻译的负调控（ negative translational control ） 翻译阻抑蛋白（ translational repressor ）：与 mRNA 的 5’- UTR 和 3’-UTR 中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译 水平。 翻译阻抑蛋白（ translational repressor ）：与 mRNA 的 5’- UTR 和 3’-UTR 中的特定序列相识别、相互作用，并抑制翻译 水平。 翻译的负调控机制 e.g., ferritin

翻译起始点的调控 翻译起始点的调控 翻译通常从第一个 AUG 起始，但有时会因第一个 AUG 周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过， 从而由以下的 AUG 开始翻译（ “leaky scanning” ） 翻译通常从第一个 AUG 起始，但有时会因第一个 AUG 周围的、能被核糖体亚基识别的信号序列太弱而被错过， 从而由以下的 AUG 开始翻译（ “leaky scanning” ）

（三）、 mRNA 的稳定性（ mRNA stability ） mRNA 的半衰期（ half-life ）：从几分钟到十几个小时不等， mRNA 的半衰期（ half-life ）：从几分钟到十几个小时不等， 多数 mRNA 的半衰期不超过 30 分钟； 多数 mRNA 的半衰期不超过 30 分钟； 影响 mRNA 稳定性的因素： 影响 mRNA 稳定性的因素： – 多聚（ A ）尾部的长短： poly(A)/PABP ， > 30 nt 时降解 – 多聚（ A ）尾部的长短： poly(A)/PABP ， > 30 nt 时降解 – 5’- 帽子的解除（ de-capping ）引起 mRNA 降解（通常与 – 5’- 帽子的解除（ de-capping ）引起 mRNA 降解（通常与 3’-poly(A) 的降解过程相伴） 3’-poly(A) 的降解过程相伴） – 3’-UTR 序列的不同可影响 mRNA 降解，可能与 poly(A) – 3’-UTR 序列的不同可影响 mRNA 降解，可能与 poly(A) 尾部的降解速度有关， e.g., α-globin mRNA 3’-UTR 含有 尾部的降解速度有关， e.g., α-globin mRNA 3’-UTR 含有 许多 CCUCC repeats ，可稳定 mRNA ，而 AUUUA 序列则 许多 CCUCC repeats ，可稳定 mRNA ，而 AUUUA 序列则 使 mRNA 不稳定。 使 mRNA 不稳定。

mRNA 降解的机制

mRNA 翻译和降解的竞争： 5’- 帽子和 3’-poly(A) 在 mRNA 降解中的作用