第三章 真核细胞基因表 达的调控 生物工程04级1班 马莉

原核细胞基因表达与调控在很大程度上取决于环境的诱 导和对环境的适应，而对于真核细胞，特别是由数百种不同 类型的细胞构成的高等动植物，其基因表达与调控更多地表 现在细胞分化和细胞“社会”的协同与稳定。 想象一下，从想象一下，从一个骨髓的多能造血干细胞 发育成一个红细胞的情形，在红细胞的蛋白质中，血红蛋白 （hemoglobin）占了95％，但编码血红蛋白的基因在总DNA中 还占不到百万分之一。这就意味着细胞不仅要象大海捞针般 地在染色体中找到必需的基因，而且对基因表达的调节必须 达到高度精密的程度，以使这寥寥几种多肽的合成在细胞中 成为占支配地位的活动。

由于导致特定蛋白质合成的系列事件是由若干步骤组成的， 所以真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生 在三个彼此相对独立的水平上（图12-5 ）：转录水平的调 控（transcriptional-level control），决定某个基因是 否会被转录，并决定转录的频率；加工水平的调控（proce ssing-level control），决定初始mRNA转录本（hn RNA） 被加工为能翻译成多肽的信使RNA（mRNA）的途径；翻译水 平的调控（tra nslational-level control），决定某种m RNA是否会真正得到翻译，如果能得到翻译，还决定翻译的 频率和时间长短。

一、转录水平的调控 （一）真核生物的转录激活 （二）真核生物的转录阻抑

在原核细胞中，差别基因转录（differential gene tr anscription）是唯一重要的机制，而真核细胞在特定时间通 过差别基因转录选择性地合成蛋白质。许多事实表明，在胚胎 发育的不同阶段，不同的组织以及暴露在不同刺激下的细胞， 其表达的基因均不相同。转录调控由为数众多的蛋白质即转录 因子（transcription factors）的作用所主导。这类蛋白质 从功能上可分为两类：通用转录因子（general transcripti on factors），与结合RNA聚合酶的核心启动子位点结合；特 异转录因子（specific transcription factors），与特异基 因的各种调控位点结合，促进或阻遏这些基因的转录。 有时单个基因可能被许多不同的DNA调控位点调节，而这 些位点又与各种不同的调控蛋白结合。另外，一个DNA结合蛋 白又可联系周围的许多位点，从而控制许多不同基因的表达。 基因转录水平的控制错综复杂，且受多种因素影响，包括转录 因子与特异DNA序列的亲合力，及其与DNA邻近位点结合的转录 因子之间彼此协同作用的能力。

基因转录调控固有的复杂性可以通过研究单基因（ 以PEPCK基因为例）内部及周围DNA来说明。磷酸烯醇丙 酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，P EPCK）是葡糖异生作用的关键酶之一，在代谢途径中， 将丙酮酸转化为葡萄糖。当久未进食，体内葡萄糖水平 降低时，就会在肝细胞中合成此酶；相反，如刚消化了 一餐高糖食品之后，该酶的合成明显下降。PEPCK mRNA 的合成水平是由多种不同的转录因子共同调控的，包括 多种参与调节糖代谢的激素受体。探明PEPCK基因表达 调控的关键在于：①阐明为数众多的位于启动子内部的 DNA调控序列即顺式作用元件（cis-acting elements） 的功能；②确定与这些调控序列结合的转录因子即反式 作用因子（trans-actingfactors）；③解释信号通路即 应答选择性基因表达的激活机制。

  除启动子内部和周围的DNA序列外，大多数基因的表 达还受到远处DNA元件即增强子（enhancer）的调控。与 增强子结合的转录因子能通过下列方式促进转录：①诱导 染色质变化，促进基础转录装置（如TFIIB，TFIID和RNA 聚合酶II）在启动子处的装配；②结合增强子的转录因子 与结合在基因启动子上的基础转录装置的各种组分相互作 用并激活基础  除启动子内部和周围的DNA序列外， 大多数基因的表达还转录装置的活性（图12-7）。 像大多数蛋白质一样，在转录水平上参与基因表达调 控的转录因子也含有不同的结构域，以介导蛋白质功能的 不同方面，典型的转录因子至少包括两个结构域：一个DN A结合结构域（DNA-binding domain），它结合DNA的特异 碱基对序列；另一个是激活结构域（activation domain） ，它通过与其它蛋白质相互作用激活转录。

此外，许多转录因子还含有一个促进该蛋白与其他 蛋白形成二聚体的表面，二聚体的形成被证明是许多不 同类型转录因子的共同特征，在基因表达调控中起重要 作用。通过比较大量的转录因子的DNA结合结构域发现， 大多数转录因子都具有与DNA序列相互作用的几种相关结 构模式，在DNA结合蛋白中最常见的结构模式是“锌指”、 “螺旋-转角-螺旋”、“螺旋-环-螺旋”、“亮氨酸拉链”结 构和HMG盒。尽管转录因子是调节基因表达的主要因素， 但它并不是唯一的调控机制。 4

原核细胞的转录阻遏（transcriptional repression） 主要依赖于阻遏物（repressor）即一种能与DNA结合并阻断 附近基因转录的蛋白质。尽管对真核生物基因表达的研究主 要集中在转录激活及其调控元件和调控蛋白方面，但很明显 真核细胞也同样具有负调控机制。许多与特异启动子元件结 合的负调控蛋白已被鉴定，这些负调控蛋白能阻断启动转录 所必需的前起始复合体（preinitiation complex）的组装。 还有一些阻遏物能与上游DNA序列结合，并抑制转录激活子（ transcriptional activator）的结合或其功能。因此，像 原核细胞一样，一个真核细胞在特定的生命时期某特定基因 的转录方式主要依赖于正调控与负调控因子的平衡。

现有研究发现，DNA甲基化（DNA methylation）与基 表明，每100个核苷酸就有一个含有甲基基团，并通常是 结合在胞嘧啶的5-C位上。这种简单的化学修饰被认为是 一种“标记”，使特定的DNA区域与其它区域区别开来。几 乎所有的甲基化胞嘧啶残基都出现在对称序列（symmetr ical sequence）的5’-GC-3’二核苷酸上。这种序列在DNA 上并不是随机分布，而是趋向于集中在GC富含“岛”（GC- rich island）上，GC“岛”常位于转录调控区或其附近。

脊椎动物的DNA甲基化是一个动态修饰过程，酶既能 将甲基加上，也能将甲基除去。细胞内负责甲基化修饰作 用的有两类酶：一是维持性甲基化酶（maintenancemeth ylase），可在甲基化的DNA模板链指导下使其对应部位发 生甲基化；二是构建性甲基化酶（estabishment methyla se），它不需要甲基化的DNA模板作指导，可以使完全非 甲基化的DNA完成甲基化修饰。 在哺乳动物一生中DNA甲基化水平存在显著地变化（ 图12-8）。第一个主要变化发生在受精卵最初几次分裂时 期，去甲基化酶清除DNA上几乎所有从亲代遗传下来的甲 基化标记。其后，大约在胚胎植入子宫的时候，一种新的 甲基化波遍布细胞，构建性甲基化酶使DNA重新建立一个 新的甲基化模式。

一旦细胞内新的甲基化模式建成，将通过维持性甲基化酶 以“甲基化维持”的方式将新的甲基化模式传递到每个子细 胞的DNA上。DNA甲基化对哺乳动物的发育很重要，通过 基因工程技术，敲除使老鼠产生新甲基化的酶，则老鼠会 在怀孕的中途时死亡。图12-8  在哺乳动物发育过程中，D NA甲基化水平的变化（引自R.Jaenisch，1997）受精卵的 DNA大量被甲基化，卵裂期基因组全面去甲基化。植入后 ，细胞内DNA重新甲基化，到胚胎时甲基化水平增高，而 原生殖细胞DNA保持非甲基化状态，到配子形成晚期生殖 细胞被甲基化，成体的生殖细胞甲基化水平增高；在发育 晚期和成年期体细胞保持甲基化较高的水平。 利用特异性切割CG二核苷酸对的限制性内切酶可以检 测DNA甲基化与否。Hpa II识别并切割未甲基化的CCGG序 列，但对甲基化的CG二核苷酸对则不起作用；而Msp I则可

以识别并切割所有CCGG序列，不管是否甲基化。因此，可 用Msp I来鉴别CCGG的存在，用Hpa II来鉴别这些CCGG序 列是否甲基化。 甲基化作用通过两种方式抑制转录：一是通过干扰转录 因子对DNA结合位点的识别；二是将转录因子识别的DNA 序列转换为转录阻遏物的结合位点。不过需要指出，DNA甲 基化和去甲基化与基因活性的关系并不是绝对的，DNA甲基 化也不是使基因表达失活的一种普遍机制。甲基化和去甲基 化在基因表达活性调控中的意义依生物不同而有差异。 基因组印记（genomic imprinting）是说明甲基化作用在 基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有 的现象。

印记模式的失真与很多罕见的人类遗传失调（genetic disorder）有关，特别是那些定位在15号染色体上一簇带有 印记的基因的失真。Prader-willi综合症（PWS）是一种可遗 传的神经紊乱，表现为智力迟钝、肥胖和性腺发育不全。当 从父亲遗传来的15号染色体携带有包含印记基因的一段很小 的缺失时，这种神经紊乱就显现出来。因为父亲染色体带有 一个基因的缺失，而母亲染色体带有一个无活性的印记基因 ，所以个体缺乏有功能的基因拷贝。

由于双亲印记基因的模板在甲基化模式上保持不同， 所以DNA甲基化在基因组印记中具有重要作用。在某些 情况下，甲基化不足的基因模板是有活性的，反之，在 另一些情况下，含有额外甲基的基因是有活性的，而甲 基化不足的模板是无转录活性的。印记基因的这些差异 ，不受在早期胚胎中出现的去甲基化和复甲基化波以及 改变非印记基因甲基化状态的影响。生殖细胞有例外， 当个体产生配子（精子或卵）的时候，从亲本遗传来的 印记必须消除以便重排。必定存在某种机制，在精子形 成时某些特殊的基因（如IGF2γ）带上失活的标记，而 另一些基因（如IGF2）在卵子形成时带上失活的标记。 无论通过哪种机制，DNA的甲基化在构建和维持印记状 态方面都起着关键作用。  

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