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真核基因转录调控（讲课内容， 缺图）

张俊武

一．基因表达概述

基因表达就是储存遗传信息的基因通过转录及翻译等步骤产生具有一定生物功能的蛋白质的整个过程。典型的细菌基因组包括约4,000个蛋白质基因，人基因组包括约10万个蛋白质基因，但在某一时刻仅有一部分基因表达。例如大肠杆菌中通常有5％的基因处于高水平转录活性状态。一些基因产物需要以很大的数量存在于细胞中来行使其功能，例如蛋白质生物合成的延伸因子在细胞内含量极其丰富。有些基因产物在细胞内的含量则很少，如修复DNA损伤的有关酶在一个细胞中可能仅含几个分子。对于同一基因产物的需要也可能随时间而改变，例如细菌中一些代谢途径所需的酶可随食物源泉的变化或消耗而增减。在多细胞真核生物发育过程中，一些影响细胞分化的蛋白质仅在一部分细胞中存在短暂时间。一些具有特殊功能细胞的特异化可能极大地影响了对某种基因产物的需要，最典型的例子就是在红细胞中的血红蛋白具有极高的浓度。总之在细胞代谢调节、细胞分化以及个体发育过程中，基因表达调节都是一个非常重要的组成部分。

正象细胞对不同蛋白质的需要变化一样，各个基因表达调控的机制也是变化的。一些基因产物总被需要，并且它们的基因在一种生物或有机体的全部细胞中基本上以恒定的水平表达，这些基因被称作管家基因(housekeeping genes)。例如，许多催化中心代谢途径(如柠檬酸循环)各步骤的酶的基因、肌动蛋白(actin)基因都是管家基因。恒定的、似乎不被调节的基因表达被称作基本的基因表达(constitutive gene expression)。实际上，基本的基因表达也是在一定的机制控制下进行的。

一些基因产物的数量在应答分子信号时增加或减少。在特定条件下表达产物增加的基因称为可诱导(inducible)基因。可诱导基因在特定条件下增强表达的过程叫诱导(induction)。例如，许多编码DNA修复酶的基因，在应答高水平的DNA损伤时被诱导。相反，在应答分子信号时表达产物减少的基因称为可阻遏(repressible)基因。可阻遏基因在特定条件下表达水平降低的过程叫阻遏(repression)。例如，当培养基中存在丰富的色氨酸时会导致细菌中催化合成色氨酸的有关酶基因表达的抑制。

细胞中基因表达产物蛋白质浓度的调节涉及许多精细的平衡。无论在原核及真核生物中，都至少有六个环节可能调节细胞中某种蛋白质的终浓度；初始转录物的合成、转录后加工，RNA的降解、多肽链合成、多肽链的修饰及加工，蛋白质降解。在真核生物中，RNA从细胞核向胞浆的转运过程也是调节细胞内蛋白质浓度的重要环节。其中转录调节是研究的最清楚也是最重要的调节环节。

二．原核生物及真核生物表达调控的总体特点 （一）原核生物基因表达调控的总体特点

1.表达调节相对比较简单。

2. 细菌中仅存在一种RNA聚合酶。这种聚合酶以全酶（核心酶＋起始因子）形式识别基因启动子的特殊顺序（主要是以-10和-35为中心的两个通用顺序），与启动子结合而起始转录。这种结合并不必须其它因子的协助。

3.许多基因是以操纵子为基础进行调节的。在细菌中，许多基因按照功能的相关性成群串联在一起，组成转录单位，受同一启动子驱动转录成多顺反子mRNA。这种由若干结构基因及共同的启动子以及行使控制功能的附加DNA顺序（如操纵基因）一起构成的基因表达

的协同单位称为操纵子(operon)。许多基因的表达调节是以操纵子为单位进行调节的。

4.包括正性和负性两种类型的调节。

5.原核生物基因表达调节的明显目的主要是使单一的细胞适应营养环境变化以便细胞的生长和分裂尽可能最佳化。

(二) 真核生物基因表达调控的总体特点

1． 表达调节比较复杂

2． 真核生物细胞的RNA聚合酶有三种，分别催化18S和28S rRNA前体、mRNA、5S rRNA和tRNA

的转录。RNA聚合酶必须在转录因子帮助下才能催化转录起始。 3． 绝大多数情况下是以单个基因为单位进行表达和调节的。 4． 虽然存在正性及负性两种类型的调节，但以正性调节为主。 5． 转录的活化与转录区的染色质结构变化有关。

6． 发生在细胞核的转录与发生在胞浆的翻译之间的有形分离。

7． 真核生物基因表达调节最终要达到的目的似乎是为了实现能作为胚胎发育及组织分化基础

的一个遗传程序的调节。

三．调节基因转录的顺式作用DNA元件

基因转录调节主要靠DNA与蛋白质以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用来实现。这里的DNA主要指调节基因转录的顺式作用元件(cis acting elements),蛋白质主要指反式作用因子(trans-acting factors)和辅助因子（cofactors）

顺式作用元件是指与结构基因连锁并能调节基因转录的特定DNA顺序，如启动子（promoter）、增强子（enhancer）、沉默子（silincer）、隔离子（insulator）、基因座控制区（locus control region, LCR）等。，

1.启动子（promoter）

启动子是指能与转录装置（transcriptional machinery）结合并能准确有效地起始转录的特定DNA顺序。在原核生物，转录装置的主要成分是RNA聚合酶全酶（核心酶＋起始因子σ）。在真核生物，转录装置的主要成分除RNA聚合酶外，还包含一般转录因子。 RNA聚合酶II的核心启动子（core promoters）由四个不同的元件结合组成。RBE:TFIIB recognition element; TATA(TATA Box); Inr(intiator element); DPE(downstream promoter element).典型地，一个启动子仅包含这四个元件的2或3个。

图

核心启动子的上游有着为在体内有效转录所必须的其它序列元件。这些包括：启动子近端元件（promoter proximal elements）; 上游活化子元件（upstream activator sequences）; 增强子（enhancers）; 以及一系列称为沉默子（silincer）、边界元件（boundary elements）和隔离子（insulator）的抑制元件。这些元件一起组成了调节顺序（regulatory sequences）。

2.增强子（enhancer）

在真核生物基因上游或下游常存在能增强基因转录的特异DNA顺序，称为增强子（enhancer）。它可以任一方向在基因上游或下游直至几kb距离增强基因的转录。

和promoter相似，enhancer也由若干元件组成，每个元件又包含一个或几个DNA特异结合蛋白的结合位点。这些结合位点又叫子增强子(enhanson)。特异结合蛋白与增强子的特异结合可能是增强基因转录的重要环节。

3.基因座控制区（locus control region, LCR）

基因座控制区是指能够在转基因鼠中确立连锁的基因非整合位点依赖的高水平表达能力的DNA 顺序区域，它常常由若干包含DNase 1高敏位点的DNA 顺序组成。

4. 沉默子（silencer）

和增强子相反，沉默子是指与基因连锁的能减弱基因转录的特定DNA顺序，它也能以任意方向在基因上游或下游一定距离行使功能。特异结合蛋白与沉默子的特异结合可能是减弱基因转录的重要环节。

5.隔离子(insulator)

隔离子是指当放到增强子和启动子之间时能阻塞增强子作用的DNA 顺序。

6.增强子和基因座控制区增强基因转录的作用机制

（1）拓扑模式（topological model）

假定enhancer顺序可能通过作为一种顺序特异的拓扑异构酶结合位点起作用。这种拓扑异构酶可能诱导负性超线圈到DNA中，因此增强了转录起始的速率。

（2）扫描或入口位点模式(the scanning or the entry site model) 基于对SV40增强子是一个nucleosome-free区的考虑，一些研究者设想增强子可能服务于RNA polymerase II(或某个转录因子)的入口。当其与增强子顺序结合后，就沿着DNA滑动，直到接近promoter,并帮助形成转录起始复合物。

对此模式的支持来自Courey等的实验。他们发现，当把psoralen-modified DNA插入到SV40 enhancer和人β-globin gene之间后，抑制了增强子效率。 （3）环模式(looping model)

这一模式是：若干结合到相距较远的增强子（或LCR）结合位点上的DNA特异结合蛋白共同形成一个复合物，通过形成一个通过核浆的环与基因启动子上的基本转录装置相互作用，增强转录。 此模式强调与DNA相结合的转录因子之间的相互作用的重要性。 对此模式的支持来自转录因子可经过远距离联合作用或结合的观察。 （4）linking model（链接模型）

近来提出了解释增强子和LCR活化基因转录机制的linking 模型。这一模型的提出是基于染色质边界元件（boundary elements）或称隔离子(insulator)以及增强子促进因子(enhancer facilitators)的鉴别。比如，在果蝇中发现的Chip蛋白是增强子－启动子联络的促进因子参与许多基因的转录调节。现在证明果蝇毛发翅[SU（HW）]基因隔离子也是通过与Chip蛋白结合来调节此基因增强子-启动子联系的。

在哺乳动物和人类也发现了与Chip高度同源的蛋白。在红细胞中，Chip同源物Cdb1已被证明与LIM区域蛋白Lmo2、E-盒转录因子Tal-1以及红系转录因子GATA-1共同组成一个DNA结合复合体。在研究Chip和脊椎动物同源物以及与其相互作用蛋白的基础上，人们已经假设，LCR和启动子之间的联络通过与HD蛋白的相互作用锚定到染色质纤维上的包含Chip 的一个复合物链来调节。

四． 调节基因转录的蛋白因子

一些与顺式作用元件相互作用并调节基因转录的蛋白质，称为转录调节蛋白或转录因子，又称反式作用因子（trans-acting factors）。编码这些转录因子的基因一般并不与被调节的基因连锁。一类转录因子是大多数真核生物基因有效的和启动子特异的转录起始所必需的, 称作一般转录因子(general