第五章--基因表达调控课件

第五章第五章 基因表达调控基因表达调控 (Control of Gene Expression)7/14/20241Outline：第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第四节第四节 酵母双杂交系统及其发展酵母双杂交系统及其发展7/14/20242 第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述 （Introduction）7/14/20243a)原核生物对环境的适应，相关的应答原核生物对环境的适应，相关的应答真核生物的细胞分化真核生物的细胞分化,组织特化组织特化,个体发育个体发育以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果以及环境对个体表型的影响都是基因表达的结果b)基因表达的调控涉及基因表达的调控涉及RNA转录的开转录的开/关，数量，选择性加工关，数量，选择性加工蛋白质翻译速率，数量，加工与蛋白质翻译速率，数量，加工与降解和分泌降解和分泌7/14/20244c)原核生物与真核生物基因原核生物与真核生物基因d)表达调控机制具有惊人的相似性表达调控机制具有惊人的相似性共同的起源与共同的分子基础共同的起源与共同的分子基础调控机理上调控机理上调控层次上调控层次上核酸分子间的互作核酸分子间的互作核酸与蛋白质分子间的互作核酸与蛋白质分子间的互作蛋白质分子间的互作蛋白质分子间的互作GenomelevelTranscriptionallevelPost-transcriptionallevelTranslationallevelPost-translationallevel7/14/20245d)转录水平上的调控是最为经济转录水平上的调控是最为经济,e)灵活，又是最为重要，复杂的调灵活，又是最为重要，复杂的调控控 在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 精细调节基因表达的水平精细调节基因表达的水平,以保证生物体对环境的适应以保证生物体对环境的适应cisfactor&transfactor间严格而又灵活的互作间严格而又灵活的互作 保证保证RNApolymerase的进行式转录（不中断，准确终止）的进行式转录（不中断，准确终止）7/14/20246e)生物遗传信息的概念生物遗传信息的概念C cGenomeDNA10%;结构基因的编码序列结构基因的编码序列tripletcodon90%;重复，间隔，调节序列重复，间隔，调节序列基因选择性表达指令基因选择性表达指令重要的遗传信息重要的遗传信息遗传信息的两大类别遗传信息的两大类别II类；特定类；特定DNAseq.+特定蛋白质特定蛋白质/核酸结合核酸结合基因表达的指令基因表达的指令geneon/offI类；类；DNAseq.RNAseq.(codon)aaseq.proteinphenotype(centraldogma)7/14/20247f)遗传信息表达的方式遗传信息表达的方式 组成型表达（组成型表达（constitutive expression）Housekeeping geneHousekeeping gene 诱导型表达诱导型表达（inducible expression）Luxury geneLuxury gene顺、反因子间互作方式的基因表达调控顺、反因子间互作方式的基因表达调控7/14/20248第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控 7/14/20249Fig,6-307/14/202410 没有调控蛋白时，没有调控蛋白时，RNA聚合酶只是微聚合酶只是微弱地结合在启动子，弱地结合在启动子，导致基因的本底水导致基因的本底水平表达（平表达（basal level expression)。这种情况下，这种情况下，RNA聚合酶的结合聚合酶的结合是限速步骤。是限速步骤。7/14/202411一一 原核生物转录调控的原理原核生物转录调控的原理基因表达由调控蛋白控制基因表达由调控蛋白控制调控蛋白分为两类：调控蛋白分为两类：正调控蛋白或活化子（正调控蛋白或活化子（activator,激活物）激活物）负调控蛋白或抑制子（负调控蛋白或抑制子（repressor,阻遏物）阻遏物）通常都是通常都是DNA结合蛋白，识别受其控制的基因结合蛋白，识别受其控制的基因上的或基因附近的特异位点上的或基因附近的特异位点活化子增强受调控基因的转录，抑制子降低或活化子增强受调控基因的转录，抑制子降低或消除相应基因的转录消除相应基因的转录7/14/202412二二 原核生物基因表达调控的层次原核生物基因表达调控的层次转录起始的调控转录起始的调控转录起始后的调控转录起始后的调控抗终止作用及其延续抗终止作用及其延续远程激活和远程激活和DNA环化环化协同结合和变构及信号整合协同结合和变构及信号整合7/14/202413（一）（一）转录起始调控转录起始调控-协助协助RNA聚合酶结合聚合酶结合DNA的的活化子活化子 阻碍两者结合的阻碍两者结合的抑制子抑制子很多原核启动子采用上述方式很多原核启动子采用上述方式抑制子结合到与聚合酶结合区相重叠的位点，抑制子结合到与聚合酶结合区相重叠的位点，阻碍聚合酶结合到启动子上来阻止转录阻碍聚合酶结合到启动子上来阻止转录操作子（操作子（operator):DNA上抑制子结合的位点上抑制子结合的位点活化子协助聚合酶结合到启动子上来激活该活化子协助聚合酶结合到启动子上来激活该启动子开始转录；启动子开始转录；“黏合黏合”作用作用7/14/202414图16-1 通过募集RNA聚合酶激活转录7/14/202415 Operon control（操纵元操纵元/操纵子调控操纵子调控）-1971,Jacob.&Monod.7/14/202416a)操纵子的概念（操纵子的概念（operon concept）控制某一代谢途径的相关基因控制某一代谢途径的相关基因,紧密连锁地排列在一紧密连锁地排列在一起起,受同一启动子和操作子控制，受同一启动子和操作子控制，例例:乳糖操纵子乳糖操纵子Lac operon I p o Z Y A7/14/202417结构基因结构基因lac Z-galactosidase分解乳糖为半乳糖和分解乳糖为半乳糖和 葡萄糖葡萄糖7-2lacY galactoside permease转移乳糖进入转移乳糖进入细胞细胞lac Agalactoside transacetylase消除同时被消除同时被转入的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性转入的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性调节序列调节序列O gene operator操作子操纵基因操作子操纵基因Ppromoter启动子启动子CAP-binding site调控蛋白调控蛋白lac I repressor抑制子阻遏物抑制子阻遏物CAP活化子活化子Lacoperon乳糖操纵子操纵元乳糖操纵子操纵元7/14/2024187/14/202419图图16-8lac操纵子的控制区域操纵子的控制区域7/14/202420乳糖操纵子的负控制（乳糖操纵子的负控制（negative control）:阻遏物使操纵元表达关闭。阻遏物使操纵元表达关闭。别构蛋白（别构蛋白（allosteric protein）：效应分子效应分子（也叫诱导物，也叫诱导物，inducer，effector)与别构蛋白与别构蛋白结合后能改变蛋白的远端位点从而改变别构蛋白结合后能改变蛋白的远端位点从而改变别构蛋白与第二个配体的结合与第二个配体的结合7/14/202421对乳糖操纵元来说，直接诱导物是异乳糖对乳糖操纵元来说，直接诱导物是异乳糖（allolactose）7/14/202422图图5-25Lac阻遏蛋白的变构改变。阻遏蛋白的变构改变。阻遏物为四聚体，阻遏物为四聚体，155kD是是别构蛋白别构蛋白，有，有DNA结合、结合、蛋白质多聚及诱导物结合蛋白质多聚及诱导物结合结构域等。结构域等。N-端（端（1-49aa)是是helix-turn-helixDNA结合结构结合结构域域，由铰链区与核心结构，由铰链区与核心结构域相连，诱导物结合于核域相连，诱导物结合于核心结构域中心心结构域中心7/14/202423培养基中无乳糖：培养基中无乳糖：repression lacI 表达生成表达生成repressor，以四聚体结合于以四聚体结合于Operator上，阻止上，阻止RNA聚合酶转录聚合酶转录lacZ、lacY、lacA7/14/2024247/14/202425-负控制调控机理负控制调控机理Inducer(异乳糖异乳糖)与与repressor特异结特异结合合tetramer变构变构特异结合力下降特异结合力下降1000X作用于作用于O位点上的位点上的repressor变构变构脱离脱离O位位作用于游离的作用于游离的repressoroperononrepressortetramer与与operator发生特异结合发生特异结合operonoff变构变构失去结合于失去结合于O位的能力位的能力7/14/202426抑制机理：阻遏物阻止抑制机理：阻遏物阻止RNA 聚合酶与启动子聚合酶与启动子结合，结合，3个操作子，一主二副个操作子，一主二副7/14/202427图图16-13lac抑制子以四聚体结合到两个操作子抑制子以四聚体结合到两个操作子7/14/2024287/14/202429远程作用远程作用和和DNA环化环化有些互作蛋白的结有些互作蛋白的结合位点在合位点在DNA上上相距较远（几百相距较远（几百几几kb)通过通过DNA环化使环化使互作蛋白靠近互作蛋白靠近7/14/202430DNA 弯曲蛋白的作用弯曲蛋白的作用7/14/202431Lac operon 正控制（正控制（positive control）当只有乳糖存在：当只有乳糖存在：在乳糖操纵子中，即使有诱导物存在将阻在乳糖操纵子中，即使有诱导物存在将阻遏蛋白中和，操纵子的正常表达还遏蛋白中和，操纵子的正常表达还必须有一必须有一个正调控信号，即个正调控信号，即cAMP-CAP复合物复合物.7/14/202432cAMP 能感受葡萄糖的浓度，当葡萄糖的浓度下降，能感受葡萄糖的浓度，当葡萄糖的浓度下降，cAMP浓度上升，浓度上升，cAMP与其结合蛋白与其结合蛋白CAP共同起激活操纵元表达的共同起激活操纵元表达的作用作用lCAPcataboliteactivatorprotein降解物激活蛋降解物激活蛋白白orcyclic-AMPreceptorprotein(CRP)gene crp，具有激活表面和具有激活表面和DNA结合表面结合表面7/14/2024337/14/202434cAMP-CAP正控制作用机制：正控制作用机制：cAMP-CAP二聚体结合于启动子附近的激活位点上，帮二聚体结合于启动子附近的激活位点上，帮助助RNA 聚合酶结合到启动子上，聚合酶结合到启动子上，lac启动子启动子没有没有UP元件元件7-17激活位点（激活位点（activator site）：）：位于转录起位于转录起始位点上游约始位点上游约60bp处，处，TGTGA 序列序列 7-16 依赖于依赖于cAMP-CAP的都是的都是弱启动子弱启动子，如，如 lac,gal,ara operons7/14/2024357/14/202436活化子真的只具有募集聚合酶到活化子真的只具有募集聚合酶到基因上的功能吗？基因上的功能吗？试验一：试验一：前提前提:蛋白蛋白X和蛋白和蛋白Y可以互作；可以互作；用蛋白用蛋白X取代取代-CTD，用蛋白用蛋白Y与与CAP上的上的DNA结合结构域融合；结合结构域融合；结果结果：转录激活转录激活试验二：试验二：用用CAP上的上的DNA结合结构域取代结合结构域取代-CTD；结果：转录激活结果：转录激活框框16-2图图1两个活化子旁路实验两个活化子旁路实验7/14/202438图图16-11具有螺旋具有螺旋-转折转折-螺旋结构域的蛋白质结合螺旋结构域的蛋白质结合DNACAP和和LacI抑制子都具有抑制子都具有helix-turn-helix(螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋)结构域，用来结合结构域，用来结合DNA，这也是大多细菌调控蛋这也是大多细菌调控蛋白识别白识别DNA的机制的机制一个是识别螺旋一个是识别螺旋(Recognitionhelix)，进入进入DNA的大沟，的大沟，第二个螺旋横第二个螺旋横跨大沟与跨大沟与DNA主链联系主链联系，以保证识别，以保证识别螺旋出现在正螺旋出现在正确的位置，并确的位置，并增加整个增加整个DNA-蛋白质蛋白质互作的稳定性互作的稳定性7/14/202439图图16-12操作子大沟处操作子大沟处抑制子和碱基对之间的氢键抑制子和碱基对之间的氢键例外例外:P22噬菌体的噬菌体的Arc抑制子抑制子以两个反平行的以两个反平行的链识别大沟链识别大沟7/14/202440lac操纵子的表达调控有乳糖和葡萄糖时，操纵子关闭有葡萄糖而没有乳糖时，操纵子关闭没有乳糖也没有葡萄糖时，操纵子关闭没有葡萄糖而只有有乳糖时，操纵子开放是在是在正负两个调控体系共同作用下实现的正负两个调控体系共同作用下实现的7/14/202441-以变构而非募集的转录激活以变构而非募集的转录激活例例1：NtrC-控制参与氮代谢的基因的表达，控制参与氮代谢的基因的表达，如如glnA。RNA聚合酶预先结合在启动子上，形成稳定聚合酶预先结合在启动子上，形成稳定的封闭复合物；的封闭复合物；活化子活化子NtrC诱导诱导RNA聚合酶产生构象改变，聚合酶产生构象改变，促使封闭复合物转变为开放复合物。促使封闭复合物转变为开放复合物。7/14/2024427/14/202443例例2：MerR-控制控制MerT基因，活化子的基因，活化子的变构变构效应施加在效应施加在DNA上上MerT基因编码一种酶，使细胞对汞毒害抗基因编码一种酶，使细胞对汞毒害抗性增加性增加MerT启动子的启动子的-10和和-35序列之间是序列之间是19bp，导致这两个被导致这两个被因子识别的序列既不能最佳因子识别的序列既不能最佳间隔也不能平行排列间隔也不能平行排列7/14/202444图图16-16由由MerR激活激活无无Hg2+时，时，MerR结合于启动子的一个位点上，锁定了结合于启动子的一个位点上，锁定了启动子，虽然启动子，虽然RNA聚合酶仍然能结合，却不能启动聚合酶仍然能结合，却不能启动有有Hg2+时，时，MerR结合了结合了Hg2+后构象变化，引起启动后构象变化，引起启动子中心的子中心的DNA扭曲，刚好使扭曲，刚好使-10和和-35序列之间采取强序列之间采取强启动子的分布方式，此时启动子的分布方式，此时RNA聚合酶可以起始转录聚合酶可以起始转录7/14/202445图图16-17像像merT样的启动子结构样的启动子结构7/14/202446 转录起始后的调控转录起始后的调控基因调控并不局限于转录起始调控基因调控并不局限于转录起始调控转录提前终止转录提前终止转录延长转录延长RNA加工加工翻译翻译7/14/202447Negativerepressibleoperon(合成酶类合成酶类)tryptophansynthetaseoperonIgeneinactiverepressor不活跃的阻遏物不活跃的阻遏物Co-repressor(tryptophan)辅阻遏物辅阻遏物例子：色氨酸操纵子例子：色氨酸操纵子 trp operon（trip)7/14/202448trp operon结构结构(E.coli)TrpE-A色氨酸合成途径的色氨酸合成途径的5个相关酶个相关酶Attenuator 弱化子，衰减弱化子，衰减子子trpL leader trpRrepressor阻遏物阻遏物 O operator操作子，位于启操作子，位于启动子中动子中Ppromoter启动子启动子RPOleadingseq.EDCBAAttenuator7/14/202449粗调机制粗调机制这些基因只有在色氨酸缺乏时才被有效表达，由抑这些基因只有在色氨酸缺乏时才被有效表达，由抑制子控制制子控制控制抑制子活性的配体（色氨酸）不是诱导物控制抑制子活性的配体（色氨酸）不是诱导物(inducer)，而是辅抑制子而是辅抑制子/辅阻遏物（辅阻遏物（co-repressor)当色氨酸浓度高时，与抑制子结合，诱导抑制子构当色氨酸浓度高时，与抑制子结合，诱导抑制子构象变化，使其结合操作子并阻止转录象变化，使其结合操作子并阻止转录当色氨酸浓度低时，抑制子退出操作子，使其允许当色氨酸浓度低时，抑制子退出操作子，使其允许附近的启动子开始转录附近的启动子开始转录7/14/202450事实上，即使能事实上，即使能够起始转录，也够起始转录，也常常有许多常常有许多mRNA被提前终被提前终止止WHY？7/14/202451细调细调 -衰减控制（衰减控制（Attenuator controlAttenuator control）用另一个机制确认细胞中用另一个机制确认细胞中已经启动的转录是否继续下已经启动的转录是否继续下去，这种调控机制就是去，这种调控机制就是衰减作用（衰减作用（attenuation)。当色氨酸浓度高时，已经开始转录的当色氨酸浓度高时，已经开始转录的RNA聚合酶在特聚合酶在特异的位点暂停，接着在到达异的位点暂停，接着在到达trpE 之前终止之前终止当色氨酸缺乏时，当色氨酸缺乏时，RNA聚合酶不终止，而是通读聚合酶不终止，而是通读trp全部基因全部基因衰减作用依赖于细菌中转录和翻译的耦联，以及衰减作用依赖于细菌中转录和翻译的耦联，以及RNA分子内碱基配对形成可变结构的能力分子内碱基配对形成可变结构的能力7/14/202452trp operon的的5端结构分析端结构分析从色氨酸启动子到从色氨酸启动子到 trpE 的第一个密码子之前的第一个密码子之前的序列可以转录出的序列可以转录出161个核苷酸的个核苷酸的RNA，叫叫做做leader sequence，能形成典型的能形成典型的发夹结发夹结构构leader sequence的的3末端之前有一个转录末端之前有一个转录终止子，终止子，反向重复序列和一串反向重复序列和一串8个个U，色氨酸，色氨酸大量存在时，转录通常会在此停止，产生大量存在时，转录通常会在此停止，产生139nt的前导的前导RNA7/14/2024537/14/202454图图16-19trp操纵子操纵子7/14/202455leader sequence包括一个小的包括一个小的ORF，编码，编码14aa的短肽，的短肽，ORF前有核糖体强结合位点前有核糖体强结合位点14aa的短肽有连续的短肽有连续2个色氨酸个色氨酸7/14/2024567/14/202457mRNAmRNA前导区序列分析：前导区序列分析：序列内有序列内有4 4个片段：个片段：分别用分别用1 1、2 2、3 3和和4 4表示表示4 4个片段能以两种不同的方式进行碱基配对：个片段能以两种不同的方式进行碱基配对：1-21-2和和3-43-4配对配对2-32-3方式配对方式配对7/14/2024581区和区和2区互补区互补3区和区和4区互补区互补2区和区和3区互补区互补阻止阻止1和和2、3和和4配对配对典型终止子结构典型终止子结构7/14/202459当色氨酸足够时，当色氨酸足够时，色氨酰色氨酰tRNAtRNATrpTrp就多，就多，核糖核糖体顺利通过色氨酸密码子处，当核糖体占据体顺利通过色氨酸密码子处，当核糖体占据1和和2区时，刚转录出来的区时，刚转录出来的3和和4区配对形成终止区配对形成终止子发夹，转录提前停止子发夹，转录提前停止当色氨酸缺乏时，当色氨酸缺乏时，色氨酰色氨酰tRNAtRNATrpTrp就少，就少，核糖核糖体到达色氨酸密码子处不得不停下来，此时体到达色氨酸密码子处不得不停下来，此时色氨酸密码子周围的色氨酸密码子周围的RNA在核糖体内，屏蔽在核糖体内，屏蔽了了1区，区，使使2和和3区优先配对，不能形成终止子区优先配对，不能形成终止子发夹发夹（3和和4区）区）。而。而RNA聚合酶能通过衰减聚合酶能通过衰减子，转录子，转录trp基因基因7/14/2024607-367/14/2024617-33类似不依赖类似不依赖因因子的终止方式？！子的终止方式？！7/14/202462Trp operon启动子较弱，控制不完全，启动子较弱，控制不完全，70Xattenuator提供另外提供另外10 倍的控制倍的控制7/14/202463Attenuatorcontrol的生物学意义的生物学意义原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性增强原核生物对环境的适应性当有少量当有少量trp存在存在repressor不足以关闭不足以关闭operon当有大量当有大量trp存在存在少量少量RNApol通过通过O位点位点只要细胞内有只要细胞内有trp-tRNAtrp存在存在Attenuator就会使就会使RNApol在前导区转录中断在前导区转录中断7/14/202464同样靠衰减控制的亮氨酸操纵子先导同样靠衰减控制的亮氨酸操纵子先导序列有序列有4个邻近的亮氨酸密码子；个邻近的亮氨酸密码子；组氨酸操纵子先导序列有组氨酸操纵子先导序列有7个连续的个连续的组氨酸密码子组氨酸密码子7/14/202465表16-1 衰减子控制的操纵子的先导肽包括氨基酸合成的基因*7/14/202466图16-22 E.coli核糖体蛋白操纵子翻译起始调控的例子：核糖体蛋白抑制自身合成翻译起始调控的例子：核糖体蛋白抑制自身合成7/14/202467在核糖体大亚基上，在核糖体大亚基上，L1结合在结合在23SrRNA的一的一个茎环结构上。个茎环结构上。当过量当过量L1的表达时，结的表达时，结合于合于L11起始密码子处起始密码子处的类似结构上，阻止了的类似结构上，阻止了L11的翻译。的翻译。L11和和L1是连在一起翻是连在一起翻译的，所以也抑制了译的，所以也抑制了L1自身的翻译，直到过量自身的翻译，直到过量的的L1消失为止消失为止7/14/202468图16-23 核糖体蛋白S8结合16S rRNAS8自身抑制的自身抑制的例子例子相似的茎环结构相似的茎环结构7/14/202469第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控7/14/202470基因表达调控上的主要异同基因表达调控上的主要异同以转录水平调控为主以转录水平调控为主真核生物染色质的状态对基因表达的调控真核生物染色质的状态对基因表达的调控以以positivecontrol为主为主m5C与基因表达的相关与基因表达的相关转录后多种方式的加工调节转录后多种方式的加工调节TransF+CisF.Geneon/off相异；相异；相似；相似；个体发育的阶段调控个体发育的阶段调控调控机制更复杂、更精细调控机制更复杂、更精细7/14/202471例：调节序列的差异例：调节序列的差异同典型的细菌相比，大多数真核基因有更多的调节位同典型的细菌相比，大多数真核基因有更多的调节位点并被更多的调节蛋白所控制点并被更多的调节蛋白所控制细菌中，单个调节蛋白与小段序列结合细菌中，单个调节蛋白与小段序列结合真核细胞中，结合位点数目庞大，位置更加远离转录真核细胞中，结合位点数目庞大，位置更加远离转录起始点（启动子上、下游数千核苷酸处）起始点（启动子上、下游数千核苷酸处）调节序列调节序列（regulatory sequence）：一个基因上包一个基因上包含调节蛋白结合位点的集合的含调节蛋白结合位点的集合的DNA延伸部分称做调延伸部分称做调节序列节序列反映了信号的更加广泛的整合反映了信号的更加广泛的整合7/14/202472图图17-1细菌细菌、酵母和人类基因组的调节元件、酵母和人类基因组的调节元件7/14/202473从酵母到哺乳动物转录调节的保守机制从酵母到哺乳动物转录调节的保守机制典型的真核细胞活化子的工作方式与细菌相似典型的真核细胞活化子的工作方式与细菌相似活化子的活化子的DNA结合结构域与激活功能分离结合结构域与激活功能分离真核细胞调节蛋白使用一系列真核细胞调节蛋白使用一系列DNA结合结构结合结构域，域，但但DNA识别原理与细菌的相同识别原理与细菌的相同激活结构域不确定激活结构域不确定7/14/202474图17-2 Ga14与DNA上位点的结合DNA结合结构域与激活功能也可以位于不同的蛋白上结合结构域与激活功能也可以位于不同的蛋白上7/14/202475二二 真核细胞调节蛋白使用的真核细胞调节蛋白使用的DNADNA结合结构域结合结构域可以分为三类：可以分为三类：同型结构域同型结构域（Homeodomains，HDs)含含锌锌DNA结合域结合域（Zinc-containing modules）亮氨酸拉链结构域亮氨酸拉链结构域（bZIP/bHLH)7/14/202476图图17-5同型结构域识别同型结构域识别DNA非常类似于细菌的非常类似于细菌的helix-turn-helixDNA结构域识别方结构域识别方式式如如Gal4由三段由三段螺旋螺旋组成：其中组成：其中2和和3形成类似形成类似helix-turn-helix的模式，的模式，如如Gal47/14/202477Zinc-fingerprotein锌指蛋白，两个半胱锌指蛋白，两个半胱氨酸和两个组氨酸结合一个锌离子氨酸和两个组氨酸结合一个锌离子如如TFIIIA，含含9个锌指个锌指7/14/202478图图17-6锌指结构域锌指结构域DNA由嵌入大沟由嵌入大沟的的螺旋螺旋识别识别7/14/202479图图17-7亮氨酸拉链结合亮氨酸拉链结合DNAZIPLeucinezipper,二二聚化结构域聚化结构域b:basicregion，DNA结结合结构域合结构域DNA由嵌入大沟的由嵌入大沟的basicregion识别识别两个长的螺旋形成一个两个长的螺旋形成一个钳形结构，将钳形结构，将DNA夹于夹于其中其中7/14/2024807/14/2024817/14/202482图图17-8螺旋螺旋-环环-螺旋模体螺旋模体7/14/202483激活结构域没有固定的结构，但有些激活结构域没有固定的结构，但有些在氨基酸组成上有特点在氨基酸组成上有特点酸性结构酸性结构域（域（acidic domain）如）如Gal4，49aa 中有中有11个酸性个酸性aa富含谷氨酰胺结构域（富含谷氨酰胺结构域（Glutamine-rich domain）如如Sp1的两个结构域含的两个结构域含25%的谷的谷氨酰胺氨酰胺富含脯氨酸结构域（富含脯氨酸结构域（Proline-rich domain）如活化如活化子子CTF的一个结构域的一个结构域84个个aa中有中有19个脯氨酸个脯氨酸7/14/202484三三 真核生物活化子通过间接方式募真核生物活化子通过间接方式募集集RNA 聚合酶聚合酶活化子与转录机器上除活化子与转录机器上除RNA 聚合酶以外的部分作聚合酶以外的部分作用，通过募集这些部分来用，通过募集这些部分来募集聚合酶募集聚合酶活化子活化子募集核小体修饰成分募集核小体修饰成分改变基因附近染色质改变基因附近染色质的性质，方便的性质，方便RNA 聚合酶结合聚合酶结合7/14/202485图图17-9在真核细胞中通过募集转录机器来激活转录起始在真核细胞中通过募集转录机器来激活转录起始7/14/202486第一步：第一步：TFIID结合结合于于TATA框及其上游序列。框及其上游序列。第二步：按顺序先后依次加入第二步：按顺序先后依次加入TFIIA、TFIIB第三步：加入第三步：加入TFIIF/RNA聚合酶聚合酶II第四步：第四步：TFIIE、TFIIH等加入，最后形成基本转录装置。等加入，最后形成基本转录装置。基本转录装置的形成：基本转录装置的形成：7/14/2024873.TFIIB&RNAPolbindingBindstoTFIIDBindstoRNAPolwithTFIIF（AbridgebetwTFIIDandPol)7/14/202488通过活化子募集组氨酸乙酰转移酶和核小体重通过活化子募集组氨酸乙酰转移酶和核小体重塑分子改变染色质局部结构塑分子改变染色质局部结构图图17-11通过活化子直接改变染色质局部结构通过活化子直接改变染色质局部结构7/14/202489四四 远距离控制：远距离控制：DNADNA环化与绝缘子环化与绝缘子果蝇果蝇cut基因被基因被100kb以外的增强子激活，以外的增强子激活，Chip 蛋白在增强子和基因之间有多个结合蛋白在增强子和基因之间有多个结合位点，多个位点，多个Chip 蛋白互作在中间蛋白互作在中间的的DNA上形成多个小环，使启动子和增强子接近上形成多个小环，使启动子和增强子接近绝缘子阻碍增强子的作用绝缘子阻碍增强子的作用7/14/202490图17-12 绝缘子阻止增强子的活性7/14/202491信号整合与组合控制信号整合与组合控制活化子活化子联合作用联合作用促进整合促进整合信号整合信号整合的的2个例子个例子组合控制组合控制例子例子7/14/202492图图17-14活化子协同与活化子协同与DNA结合结合活化子联合作用产生协同效应活化子联合作用产生协同效应只有两种作用因子都存在时基只有两种作用因子都存在时基因才能因才能有效表达有效表达7/14/202493例子例子1：酿酒酵母：酿酒酵母的的HO基因基因酿酒酵母以出芽的方式分裂，酿酒酵母以出芽的方式分裂，HO基因仅在母细胞内基因仅在母细胞内表达，并且只出现在细胞周期特定点表达，并且只出现在细胞周期特定点活化子活化子SWI5和和SBF共同控制其表达共同控制其表达SWI5在基因周围离启动子较远处（在基因周围离启动子较远处（1kb以上以上)有多个有多个结合位点，能独立地与位点结合，但是离启动子太远结合位点，能独立地与位点结合，但是离启动子太远而不能激活而不能激活HO基因基因SBF在离启动子很近处有多个结合位点，但是这些位在离启动子很近处有多个结合位点，但是这些位点在染色质中的排列点在染色质中的排列使使SBF不能独立与位点结合不能独立与位点结合7/14/202494SWI5募集核小体修饰物（一种伴随重塑酶募集核小体修饰物（一种伴随重塑酶SWI/SNF的组蛋白乙酰基转移酶），其在核小的组蛋白乙酰基转移酶），其在核小体上的作用将暴露体上的作用将暴露SBF结合位点结合位点SBF结合到位点后，直接与中介蛋白结合，募结合到位点后，直接与中介蛋白结合，募集转录机器并激活集转录机器并激活HO基因表达基因表达7/14/202495图17-15 对HO基因的控制7/14/202496滤过性毒素感染触发了滤过性毒素感染触发了3个活化因子：个活化因子：NFB、IRF 和和Jun/ATF人类人类干扰素基因启动子上游干扰素基因启动子上游约约1kb处有个增强处有个增强子，子，3个活化因子协同与该个活化因子协同与该增强子结合形成增增强子结合形成增强强体（体（enhanceosome）HMG-1 蛋白与增强子结合，使蛋白与增强子结合，使DNA 弯曲，方便弯曲，方便活化因子间的相互作用活化因子间的相互作用例子例子2：人类：人类干扰素基因干扰素基因7/14/202497图图17-16人类人类信号整合与信号整合与组合控制合控制干扰素增强体干扰素增强体7/14/202498组合控制体现在真核细胞的复杂性与多样性上组合控制体现在真核细胞的复杂性与多样性上图图17-17组合控制组合控制7/14/202499五五 转录抑制子的不同作用方式转录抑制子的不同作用方式抑制子结合在与启动子重叠的位点阻断抑制子结合在与启动子重叠的位点阻断RNA聚合酶聚合酶结合结合竞争竞争（原核多见）（原核多见）抑制子结合在启动子附近，与结合在那里的抑制子结合在启动子附近，与结合在那里的RNA聚聚合酶相互作用抑制转录起始合酶相互作用抑制转录起始直接阻遏直接阻遏抑制子干扰活化子功能抑制子干扰活化子功能抑制抑制抑制子募集核小体修饰酶，如组蛋白脱乙酰酶或甲基抑制子募集核小体修饰酶，如组蛋白脱乙酰酶或甲基化酶，使染色质浓缩，或者去除能够被转录机器识别化酶，使染色质浓缩，或者去除能够被转录机器识别的基团的基团间接阻遏间接阻遏7/14/2024100图图17-19真核生物真核生物抑制子的作用方式抑制子的作用方式7/14/2024101图17-20 酵母GAL1基因的抑制例子：例子：Mig1对酵母对酵母GAL基因的控制基因的控制葡萄糖存在时，葡萄糖存在时，Mig1募集募集“抑制复合体抑制复合体”，包括，包括Tup1蛋白，蛋白，Tup1蛋白作用假说：蛋白作用假说：1Tup1募集组蛋白脱乙酰酶，后者使邻近的核小体脱乙酰化募集组蛋白脱乙酰酶，后者使邻近的核小体脱乙酰化2Tup1在启动子部位与转录机器直接作用抑制转录在启动子部位与转录机器直接作用抑制转录这种这种“抑制复合体抑制复合体”也能被酵母或哺乳动物的其它抑制子所用也能被酵母或哺乳动物的其它抑制子所用7/14/2024102信号对真核细胞的作用方式总结信号对真核细胞的作用方式总结信号影响转录调节子信号影响转录调节子与与DNA结合能力结合能力使调节子活化区暴露：通过使调节子活化区暴露：通过与与DNA结合的活化结合的活化子构象改变，使先前被掩蔽的活化区暴露出来；子构象改变，使先前被掩蔽的活化区暴露出来；或者通过释放掩蔽蛋白达到此目的或者通过释放掩蔽蛋白达到此目的。例子例子1使调节子移入或移出细胞核：处于非活化状态使调节子移入或移出细胞核：处于非活化状态时，许多活化子和抑制子都被限制在细胞质中；时，许多活化子和抑制子都被限制在细胞质中；具有信号功能的配体使这些活化子和抑制子转具有信号功能的配体使这些活化子和抑制子转移到细胞核内起作用。移到细胞核内起作用。7/14/2024103图17-22 酵母活化子Ga14是由Ga180蛋白调节例子例子1：Gal4由一个掩蔽蛋白控制。缺乏半乳糖时，由一个掩蔽蛋白控制。缺乏半乳糖时，Gal4与与GAL1基因上游的结合位点结合；但是掩蔽蛋基因上游的结合位点结合；但是掩蔽蛋白白Gal80与与Gal4结合，闭塞了结合，闭塞了Gal4的的活化区。半乳糖活化区。半乳糖触发触发Gal80的的释放及基因的释放及基因的活化活化。7/14/2024104六六 组蛋白与组蛋白与DNADNA修饰导致的基因沉默修饰导致的基因沉默基因沉默是一种位置效应。基因沉默是一种位置效应。沉默效应在大段的沉默效应在大段的DNA 序列上可以序列上可以“扩散扩散”，同时，同时关闭多个基因关闭多个基因常见的沉默形式：异染色质。染色质的密度可以被常见的沉默形式：异染色质。染色质的密度可以被那些在化学上改变组蛋白尾部的酶所改变那些在化学上改变组蛋白尾部的酶所改变转录过程的激活和抑制通常涉及核小体的修饰，改转录过程的激活和抑制通常涉及核小体的修饰，改变基因与转录机器和其它调节蛋白的易接近性。变基因与转录机器和其它调节蛋白的易接近性。7/14/2024105图图17-23酵母端粒中的沉默效应酵母端粒中的沉默效应酵母端粒中的沉默效应：酵母端粒中的沉默效应：Rap募集募集SIR（silentinformationregulator，包括包括SIR2、SIR3和和SIR4）复合体至端粒，复合体至端粒，SIR2使邻近的核小体脱乙酰化。使邻近的核小体脱乙酰化。脱乙酰化的尾部随后与脱乙酰化的尾部随后与SIR3和和SIR4结合，募集更多结合，募集更多的的SIR复合体，其中的复合体，其中的SIR2作用于更远的核小体，造作用于更远的核小体，造成由脱乙酰化导致的沉默效应的扩散。成由脱乙酰化导致的沉默效应的扩散。7/14/2024106组蛋白修饰和组蛋白密码子（组蛋白修饰和组蛋白密码子（histonecode）假说假说组蛋白尾部不同形式的修饰可以被阅读，具有不组蛋白尾部不同形式的修饰可以被阅读，具有不同的内涵。同的内涵。例子例子1某一特定位点的独特形式的修饰，将会募集特异某一特定位点的独特形式的修饰，将会募集特异的蛋白质。的蛋白质。例子例子27/14/20241077/14/20241087/14/2024109图7-39 组蛋白尾修饰的影响。7/14/2024110图17-24 DNA甲基化与组蛋白修饰关闭基因的表达转录也可以通过转录也可以通过DNA甲基化而沉默，哺乳动物普遍甲基化而沉默，哺乳动物普遍7/14/2024111DNA甲基化与印记（甲基化与印记（imprinting)：人的基因人的基因H19和和lgf2位于位于11号染色体的邻近位置。号染色体的邻近位置。在某一特定的细胞中，位于母方来源的染色体上的一在某一特定的细胞中，位于母方来源的染色体上的一份拷贝的份拷贝的H19表达，而位于父方来源的染色体上的一表达，而位于父方来源的染色体上的一份拷贝不表达；份拷贝不表达；lgf2基因正好相反：基因正好相反：父方来源的染色体上的一份拷贝父方来源的染色体上的一份拷贝处于工作状态，而来自母方的拷贝处于关闭状态。处于工作状态，而来自母方的拷贝处于关闭状态。WHY？增强子、绝缘子和的甲基化状态互作增强子、绝缘子和的甲基化状态互作7/14/2024112图图17-25印记印记7/14/2024113Thank you!7/14/2024114