A11 Regulation of gene expression in eukaryotes

2  真核生物基因表达调控的特点 真核生物表达调控与原核生物的不同： （ 1 ）染色体结构不同； （ 2 ）原核生物具有正调控和负调控并重的特点，真核 生物目前已知的主要是正调控； （ 3 ）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核生物的 转录和翻译在时空上是分开的； （ 4 ）真核生物是多细胞的，在生物的个体发育过程中 其基因表达在时间和空间上具有特异性，即细胞特异性 或组织特异性表达。

Contents  Gene expression in eukaryotes  Regulation on DNA level  Regulation of transcription  Transcription factors  Regulation of gene expression by hormones and cytokines  Post-transcriptional regulation  Translational regulation  Gene expression and development

1. Gene expression in eukaryotes  Cells express about 15% of their genes  Cell-specific expression: e.g. In lymphocytes ['l ɪ mfə,sa ɪ t], antibody genes are expressed at a high level.

 Expression pattern can change during the lifetime of a cell: e.g. from primitive progenitor [prə ʊ 'd ʒ en ɪ tə] cells to blood cells  Importance in understanding gene expression

Various levels of regulation that are possible during the expression of genetic material

2. Regulation on DNA level 基因的丢失：不可逆 某些真核生物随细胞的分化丢失了染色体上的某些 DNA 片段的现 象称为基因丢失. 如小麦瘿蚊、马蛔虫体细胞  基因扩增（ copy number increased ） 爪蟾卵母细胞的灯刷染色体 : 非洲爪蟾卵母细胞 rRNA 基因卵裂 时，扩增 2000 倍，达 1012 个核糖体。  药物：诱导抗药性基因的扩增；  肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加。  基因重排（ rearrangement ）  酵母交配型的转变  抗体多样性 如免疫球蛋白基因能发生重排，形成多样性。

酵母交配型的转变： 当活性暗盒信息被沉默暗盒信息所取代时，新 “ 装 进 ” 活性暗盒的信息就可以表达，就可以发生交配型转换。可见，细胞通过 交替改变 MAT 座位中的等位基因，控制细胞的交配型

The structure of antibody 轻链 L 重链 H 轻链 L 重链 H V 区的高变异 性决定了抗体 的多样性

 1976 年， Hozumi 和利根川进 (Tonegawa) 发现在胎鼠细 胞中编码Ｖ区和Ｃ区的 DNA 序列相隔较远，但在成熟的 抗体细胞中（淋巴瘤细胞）这两个区域却紧密相连，表明 :  在淋巴细胞分化过程中，免疫球蛋白基因曾发生过体细胞重组。 λ 轻链 V 基因只编码 V 区 108 个氨基酸中的 95 个，最后的 39bp （ 13 个密码子）消失了，移到了 C 基因附近，即连接 V 和 C 基因的 DNA 序列 J （ Joining ）区附近。  1982 年 Hood 和利根川进等又在 H 链的编码区中发现了编 码高变区氨基酸的多样性基因（ diversity ），即 D 基因， 其位置在 V 、 J 基因之间。  证明抗体的多样性由体细胞水平上的基因重排产生。

小鼠在发育过程中重链通 过基因重组发生 DNA 重排 小鼠在发育过程中轻链通 过基因重组发生 DNA 重排

3. Regulation of transcription  顺式作用元件 ( cis-acting element ）  反式作用因子 (trans-acting Factor)

 顺式作用元件是指具有调节功能的特定 DNA 序列或影响自身基 因表达活性的 DNA 序列，在基因的同一条 DNA 分子上；  顺式作用元件类型： （ 1 ）启动子 (promoter) ：核心启动子和上游启动子 （ 2 ）增强子 (enhancer) ：可以改变染色体的构象；为转录因子进入启动子区 提供位点 加强相连基因从正确起始位点的转录活性； 增强子无论是在下游或在上游均可激活转录； 无论是在下游或在上游，可在远离起始位点 1Kb 以上发挥作用； 两个启动子串联在一起时，增强子优先激活距离最近的那一个 （ 3 ）沉默子 (silencer ) ：负性调节元件，起阻遏作用。 （ 4 ）绝缘子 (insulator, boundary element): 在真核基因及其调控区的一段 DNA 序列 。

反式作用元件的结构和功能： （ 1 ）概念： 反式作用元件是 DNA 结合蛋白（转录因子），可 使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。 The transcription factors are synthesized in the cytoplasm of the cell but exert their effects in the nucleus, so are called trans-acting factors. 核蛋白 （ 2 ）通用或基本转录因子 —RNA 聚合酶结合启动子所必需的 一组蛋白因子。 如： TF Ⅱ A 、 TF Ⅱ B 、 TF Ⅱ D 、 TF Ⅱ E 等。 （ 3 ）特异转录因子 ( special transcription factors)— 个别基 因转录所必需的转录因子. 如： OCT-2 ：在淋巴细胞中特异性表达，识别 Ig 基因的启动 子和增强子。

4. Transcription factors  Transcription factors are a large family of proteins that regulate the expression of protein coding genes.  The overall effect on transcription depends on the complement of transcription factors bound.

 Transcription factors consist of discrete protein domains with specific functions.  Common domains  DNA binding domains DNA 结合结构域  Dimerization domains 二聚化结构域  Transactivation domains 转录激活结构域

DNA 结合域： 1.Zinc finger 2.Helix-Turn-Helix 3.Basic domains

21 锌指结构域 The zinc finger domain 锌指结构有 2 种形式： C 2 H 2 zinc finger 和 C4 zinc finger C 2 H 2 zinc finger ：由 12 个氨基酸组成的环，通过 2 个半胱氨酸（ C ， Cys ）和 2 个组氨酸（ H ， His ）残基固定，这 4 个残基与 Zn 2+ 在空间 上形成一个四面体结构。 一般情况下需要 3 个或更多的 C 2 H 2 型锌指 才能与 DNA 结合，如在 TFIIA 有 9 个这样的锌指结构，转录因子 SP1 有 3 个。 C4 zinc finger ： Zn 2+ 与 4 个半胱氨酸（ C ， Cys ）结合，存在于类 固醇激素受体转录因子中。

β- 折叠 α- 螺旋 半胱氨酸 Cys 碱性保守氨 基酸 组氨酸 His C 2 H 2 zinc finger C4 zinc finger 立体结构 半胱氨酸 Cys DNA binding

23 The zinc finger domain 锌指结构域 半胱氨酸 组氨酸 β- 折叠 α- 螺旋

25 The helix-turn-helix domain 螺旋 - 转角 - 螺旋结构域 特点： DNA 结合蛋白包含有 60 个氨基酸的 同源域（ Homeodomain ），由同源 框序列编码（ homeobox ）。 DNA 结合结构域由 4 个 -helices （螺 旋）组成，螺旋Ⅱ和 Ⅲ保持了适当的 角度，并被一个特异的 β-turn （转角） 所分隔。 α 识别螺旋处于 DNA 的大沟中，并与 DNA 发生作用

–Basic domains. Usually found in association with one of two dimerization domains called the leucine zipper （ bZIP ） or the helix-loop-helix （ HLH ）. Binding to DNA requires the presence of two basic domains which are brought together by dimerization. Basic domain

Dimerization domains –Basic Leucine zipper （ bZIP ） –Helix-Loop-Helix （ HLH ）

29 亮氨酸拉链 (leucine zipper) 结构域 （ 1 ）亮氨酸拉链（ Leucine zipper ）的肽链上每隔 7 个残基 就有一个疏水的亮氨酸残基，这 些残基位于 DNA 结合域的 C 端 α- 螺旋上，形成一个疏水表面，疏 水表面的相互作用，形成了二聚 体 —— 卷曲的卷曲结构 （ coiled-coil structure ）如 bZIP 转录因子。 （ 3 ）蛋白的二聚作用使 2 个碱性 结构域相邻，进而可与 DNA 发生 作用。

30 亮氨酸拉链 (leucine zipper)

螺旋 - 环 - 螺旋结构域 The helix-loop-helix domain ， HLH 结构域。 Two helices separated by a nonhelical loop. Dimerization by hydrophobic （疏水的） amino acids present on one side of the carboxyl terminal helix Homodimers and heterodimers: e.g. MyoD family in regulating gene expression in developing muscle cells

可变连接区 DNA 特异位点

螺旋 - 环 - 螺旋 DNA 特异位点

 Activation domains （ Rich in certain amino acids ）  酸性激活结构域 Acidic activition domain: 酵母 Gcn4 和 Gal4 、哺乳动物糖皮质激素受体、疱疹病毒激活子的 转录激活结构域均含有高比例的酸性氨基酸，称为 酸性激活结构域  富含谷氨酰胺结构域 Glutamine-rich domains 在 SP1 转录因子的 2 个激活区域上发现富含谷氨酰胺结构域，这 些结构域与果蝇触角蛋白质的结构域可以互换。  富含脯氨酸结构域 Prolin-rich domain: 在 c-Jun 、 AP2 和 OCT-2 等转录因子中发现富含脯氨酸结构域 ，这 个结构域可以激活转录。

 Transcription factors regulate the expression of target genes by binding to the transcription initiation complex and changing its stability.  Some transcription factors can repress transcription either directly or indirectly

5. Regulation of gene expression by hormones and cytokines  Steroid hormone （类固醇激素） : lipid- soluble, can pass through the cell membrane into the cytoplasm and bind to steroid hormone receptor, release and dimerize and translocate to the nucleus, bind promoter and activate transcription

 Polypeptide hormone （多肽类激素 ） and cytokines （细胞因子） : bind receptor, signal transduction, stimulate transcription

5. Post-transcriptional regulation  5′ capping and 3′ polyA tailing  Alternative splicing 外显子选择 (optional exon) 、内含子选择 (optional intron) 、互斥外显 子、内部剪接位点  RNA editing  micro RNA (miRNA)/RNA interference(RNAi)

miRNA/ RNAi  miRNA 长度为 22nt 左右 5′ 端带磷酸基团、 3′ 端带羟基的非蛋白编码的调控小 RNA 家 族,  参与发育、衰老、死亡的时序控制、神经 分化、细胞凋亡、新陈代谢、癌症、脂肪 细胞分化的基因表达调控。

RNA Induced Silencing Complex

42  5’ 端 UTR( 非翻译区）结构与翻译起始的调节 5‘ 帽子结构的甲基化： 1 ）保护 mRNA 免遭 5’ 外切酶 的降解。 2 ）为 mRNA 的从核中输出提供转运信号。 3 ） 提高翻译模板的稳定性和翻译效率。  翻译起始因子的调控： eIF-2-4F 的磷酸化能提高翻译速度 eIF-2α 的磷酸化能抑制翻译起始 6. Translational regulation

43 翻译起始因子 (eIF 2 ) 的调控

44  3‘UTR （非翻译区）结构与 mRNA 稳定性 多聚腺苷酸尾的调节作用 poly A 尾巴的功能： 1 ）稳定 mRNA 分子，抵抗 3’- 端外切酶攻击的作用。 2 ）有助于细胞质中成熟 mRNA 的翻译。 3 ） 3‘ UTR 区域具有保护 5‘ 端帽子结构的作用。

45 3‘UTR 序列及结构对 mRNA 稳定性的调节 球蛋白 mRNA 的 3’URT 序列含有许多 CCUCC 重复蛋 白序列，这些序列发生突变将降低 mRNA 的稳定性。 某些不稳定 mRNA 的 3’UTR 含有 50nt 的共有序列 AUUUA ，称为 ARE 。 ARE 结合蛋白可以聚集外切多 聚腺苷酸酶和内切酶，加速 mRNA 的降解。

7.Gene expression and development  不同发育阶段基因表达的调控  个体发育受多个基因群相互作用的多层次网络控制， 这些基因的表达在时空上相互联系和配合，控制发育 的遗传程序, 如果蝇  不同组织器官基因表达的调控  基因表达的空间特异性

 细胞凋亡  多细胞有机体为调控机体发育，维持内环境稳定，由 基因调控的细胞主动死亡过程。  凋亡基因： bcl-2

Questions  The levels of regulation of gene expression in eukaryotes.  The mechanism that transcription is regulated in eukaryotes.  List cis-elements and transcription factors in eukaryotes.  What does post-transcriptional regulation mean?