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真核细胞的基因表达和调控
一，生物体内遗传物质的基本结构和功能单位是基因
上个世纪70年代在细胞生物学，细胞遗传学和生物化学的基础上，经过一系列重大发现而奠定基础，逐步发展形成了分子生物学(molecular biology)这一现代生命学科。分子
生物学认为生物体内存在着决定生物体性状的遗传物质，其基本的结构和功能单位是基因(gene)。基因的本质是一段携带着能合成功能蛋白质所需的全部信息的DNA，其中包括着蛋白质的编码序列，也包括非编码的调控序列。基因主要具有两大功能。一是指导合成蛋白质，通过蛋白质发挥的功能将遗传信息转换成具体的细胞性状和功能；二是通过细胞有丝分裂过程中的DNA复制(replication)，将遗传信息传递给子代细胞，从而保持子代细胞与母代细胞性状的一致性。基因在双螺旋结构的DNA长链组成的染色体
上呈线性排列。在哺乳动物的真核细胞中线性排列的基因以核小体 (nucleosome) 的形式被紧密包绕存在于细胞核中，组成核染质(chromatin)。核小体的核心是由H2a,H2b,H3和
H4四组组蛋白形成的八聚体，核心外包绕着1又3/4圈的DNA长链。因此在电镜下核
染质呈“串珠样“结构。由于基因的本质是呈双螺旋结构的方向相反的两条脱氧核糖核酸（DNA）分子，因此基因的排列具有方向性，其DNA分子的5’端为基因的上游，3’端为基因的下游。构成基因DNA分子序列的有腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）4种碱基。在双链DNA分子中一条DNA分子上的A总是以两条氢键与另一条DNA分子上的T相结合，而C总是以三条氢键与G相结合。A与T，C与G
之间称为互补关系(complementary)。双链DNA分子中A,T,C,G的不同组合排列形成了三联密码，每一个三联密码都代表着一种相应的氨基酸。然而，基因中的编码序列往往并不连续，其中间隔着非编码的序列。这些编码的序列称为基因结构中的外显子，而非编码序列称为内含子。在基因的上游端具有启动基因表达作用的特殊序列称为启动子，它们的序列中富含A,T,C, 在基因的上游，下游较远处，乃至基因内部还有某些序列对基因的表达有明显的促进作用，称为增强子。基因的下游端往往还有基因表达的终止信号。上述基因本身的主要结构统称为基因的顺式元件，而参与基因表达过程的基因外的蛋白质因子称为基因的反式元件（见下节）。上述排列着基因的DNA成为基因组DNA，真
核细胞中除了基因组DNA携带遗传信息外，线粒体中能独立复制的DNA也携带着遗传
信息。
( 图1: 分子生物学的中心法则------基因的表达 )
二，生物个体的基因型决定了表现型—分子生物学的中心法则
生物体内基因所携带的遗传信息是通过分子生物学中心法则(central dogma)所表述的过程转变成生物体的性状的。中心法则表明，一方面基因作为DNA可以通过复制使遗传信息传递给新生的DNA分子，从而传给子代细胞。另一方面，携带遗传信息的DNA分子可以作为模版，通过转录(transcription)而传递给转录产物RNA（核糖核酸）分子, RNA又能通过翻译(translation)将其携带的遗传信息再转换成多肽/蛋白质，从而使基因所携带的遗传信息最终转换成功能蛋白质而赋予生物体细胞特定的性状。基因的遗传信息从DNA 的形式最终转换成功能蛋白质的整个过程称为基因的表达。生物体内基因的结构和功能形式称为基因型(genotype)，而生物体表现的外部形状称为表现型(phenotype)。所以，理论上生物体有怎样的基因就会产生怎样的性状。生物体的基因型决定了表现型。但在实际的具体生物个体上，基因型与表现型的关系不一定很明确。特别是在真核细胞生物中，一方面其细胞中含有比原核细胞复杂得多的遗传物质，其基因的数目成千上万，基因结构更精细更复杂。而这些遗传物质以一定的方式被紧紧包裹压缩在细胞核内的极小的空间里。另一方面，真核细胞生物大多数为多细胞生物，生物体内往往已进化出多种组织细胞，它们具有完全相同的基因型，却在生物体生长发育的不同阶段表现出不同的表型和功能。所以，作为多细胞组成总体的真核细胞生物来说，许多基因的功能不一定能在外部明确表现出来，许多基因的功能之间可以重叠和互补，因而掩盖了某一单个基因的功能。同时，具有某一种功能的基因都是以等位基因的形式成对地分别排列在一对染色体的相应位点上的。如果等位基因中的一个基因发生缺损，另一基因仍正常发挥功能，生物体的性状并不发生改变，必须两个基因都失去功能，生物体的性状才会发生改变。这样的基因称为隐性基因。如果等位基因中的一个基因发生缺损生物体的性状即发生改变。这样的基因称为显性基因。此外在形成生殖细胞的减数分裂过程中，线性排列在一对染色体上的几个基因有可能由于一段染色体的同源交叉(crossover)而变换位置，发生重组。如果不同基因之间距离很近，往往同时变换位置，因而重组体的子代细胞中，它们决定的几种性状也往往同时出现或改变。这些基因之间称为具有连锁关系(linkage). 位于性染色体X上的基因为性连锁基因，它们所决定的性状与一定的性别同时出现，称为伴性遗传。总之，真核细胞生物的基因型和表现型之间的相互关系日趋复杂和精细，而两者之间的关系，即细胞的基因型如何转换成表现型，就取决于基因如何表达的过程和被调控的机理。
Staudt LM. N Engl J Med. 2003;348:1777-1785
三，真核细胞内基因的表达过程和调控机理
真核细胞内的基因表达是一个多步骤的，连续的，精细复杂的过程。主要可分为转录，转录后加工，翻译和翻译后修饰三个大阶段。转录是基因表达的第一步，是在细胞核内由单链的基因组DNA为模版，以RNA聚合酶和一系列酶为工具进行的合成反应，其产物是单链的RNA分子。转录从基因上游5’端的启动子开始，RNA聚合酶II为主的转录复合物（主要是通用转录因子GTFs与其他因子构成的全酶 holoenzyme）.结合到启动子上后不断沿着DNA模版向基因的3’端移动，转录也即开始从基因的5’端向3’端进行。直到RNA 聚合酶II为主的转录复合物达到模版上基因的终止信号后，转录复合物即与模版分离，使转录停止。转录过程中RNA聚合酶II根据与DNA模版序列的互补原则，将带有四种碱基的核苷酸聚合成RNA分子，不过RNA中不存在T，由与A互补的U代替。为了使RNA聚合酶和其他蛋白质因子易于结合到基因的启动子上，首先必须使基因所在的核染质的空间构型松解开放，双链DNA必须解聚为单链，这些都需要一系列酶的参与，如拓扑酶，解旋酶等，也涉及核染质构型的重塑机制 (chromatin remodeling). 这一过程
主要是由构成核小体中的组蛋白在核内酶的作用下发生周期性的乙酰化和去乙酰化，从而使核染质的构型不断发生紧缩闭合和松解开放的交替变化。当核染质松解开放时，外来的转录因子等蛋白质容易接近而与DNA上基因的转录启始点结合而启动基因的转录；反之，当核染质变得紧缩闭合时，外来的转录因子等蛋白质难以接近DNA上基因的转录启始点，
Acetylation
Deacetylation
（图2: 核小体组成的核染质的重塑）
新生的转录产物RNA称为核内不均一RNA，很不稳定，容易降解。必须经过RNA的转录后加工(post-transcriptional processing)才能成为稳定的mRNA. 大约只有15-20%的核内不均一RNA被加工成mRNA.，通过细胞核核膜上的核孔输出到细胞质中，到核糖体上进一步翻译。RNA的转录后加工主要包括在5’端加上M-7Gppp 帽，在3’端加上约20个多聚腺苷酸 (poly A)的尾,以及RNA分子的剪切(splicing). 剪切是复杂精细的过程，由核内剪切子(spliceosome)或称snRNPs介导进行，它可识别RNA中内含子5’端和3’端的
GU和AG，将前后两个外显子的两端拉近，中间内含子部分形成的攀被RNA酶切除后，各外显子就连接成完整的mRNA.。由于剪切过程中可以发生不同的剪切方式，即选择性剪切(alternative splicing), 形成的mRNA.中可能含有同一基因的多段不同的外显子成分，因而可翻译成几种结构和功能不完全相同的蛋白质异构体。使单一的基因可以编码几种蛋白质。mRNA在细胞质内翻译的场所是核糖体(ribosome),它由60S 和40S的两个亚单位组成，其中分别含有28S 和18S两种核糖体RNA（rRNA）。mRNA分子遭遇附着核糖体后，其戴帽的5’端就从两个亚单位之间穿过并前行。也即核糖体沿着作为模版的mRNA从5’端向3’端移动。随着移动核糖体就能读出mRNA分子序列中的三联密码，每种三联密码都编码一种氨基酸，但每种氨基酸可以有几种相应的三联密码，其中AUG不编码氨基酸，而代表翻译的起始密码，UAA，UGA和 UAG代表翻译终止的密码。基因的翻译还需要转运RNA （tRNA）的参加。tRNA分子呈三叶草状，一条臂可与rRNA相连合，一条臂携带一个氨基酸，另一条臂为反密码臂。当核糖体读到某三联密码时，具有与此密码互补的反密码臂的tRNA就会结合到核糖体上，从而将相应的氨基酸带来并整合到氨基酸链上。随着氨基酸的增加，合成的肽链不断延长。直到核糖体读到终止密码，mRNA分子与核糖体分离，翻译即告终止。从AUG开始，三联密码必须遵循一定的开放阅读框架 (open reading frame ORF) 阅读，直到终止密码，才能合成正确的氨基酸肽链，如果ORF改变，合成的氨基酸肽链也就变了。例如当mRNA模版发生突变或缺失时ORF发生改变。此时，合成的肽链中某些氨基酸可能发生改变，使其功能受到一定影响，这种突变成为误义突变。也可能所发生突变或缺失使终止密码提早出现，从而使肽链不能合成或仅仅能合成很短，并导致丧失功能，这种突变成为无义突变。一条mRNA模版可以同时穿过多个核糖体，也即多个核糖体可同时按序从mRNA分子的5’端向3’端移动，所以一条mRNA模版可以同时翻译合成多条肽链。翻译合成的肽链尚不是最终产物功能蛋白质，还必须经过翻译后加工，包括肽链间的连接裁剪，形成蛋白质后分子的折叠，以及糖基化，磷酸化，乙酰化等修饰，才能最后成为具有功能的蛋白质。
（图3: 真核细胞基因转录调控的模式图）
处于某一时刻的真核细胞内并非所有的基因都在同时有同样水平的表达。对于一个细胞体内每时每刻都在进行的如此精细复杂的多步骤的连续过程，显然需要有一套精密灵敏的
调控机制加以掌握，才能保证所有基因在质，量和时空各方面的准确高效表达，以敷细胞各种生理功能行为之需。如果表达调控机制出了差错，必然使细胞遭受危害，甚至是致命的打击。所以基因表达的调控机理是分子生物学理论研究的核心问题。
目前可将基因表达调控的机理简单归纳如下：
在转录前，主要是确定将启动表达的有哪些基因，此基因所在的核染质构型是否松解开放，该基因是否具备完备有效的启动子等顺式元件和其他转录条件。而被启动表达的基因往往必须首先感知到编程的信号或来自细胞外部而传入的信号，所以这些信号和指令是基因表达的先决条件。
在转录过程中，影响转录效率的主要是结合到DNA模版上的各种转录因子(transcription factor)。转录因子的发现至今已逾20年，做为基因转录的反式元件，早先对转录因子的一般概念是它含有两种结构域: DNA结合结构域使之与DNA相连，激活或抑制结构域使之能调控转录。近年的研究对转录因子的认识又有显著的深化和发展。例如，转录因子在缺乏DNA结合结构域时也可通过蛋白质之间的相互作用而与基因DNA上的启动子结合。又如转录因子可同时含有激活和抑制结构域，而DNA结合结构域本身就可起转录调控结构域的作用。另一个重要概念是转录因子一般并非单独起作用，而是多个转录因子通过相互作用，协同或组成复合物形式来调控转录。转录因子的作用需要其他蛋白质作为共活化或共抑制因子参与，而转录因子的功能本身也受一些小分子或其本身翻译后的修饰所调控，这种调控可通过多渠道，并发生在多层面上。影响转录水平的另一重要机理是基因启动子序列内CpG的甲基化，高甲基化会导致基因的低转录表达，甚至使基因沉默(gene silencing). 这些机理都是当前研究的热点。
转录后的调控主要作用于RNA的加工环节。新生的RNA分子能否正确地“戴帽”“加尾”关系到形成的mRNA的稳定性，能否稳定地被运输到细胞质中，并顺利附着到核糖体上进行下一步的翻译。不能“戴帽”“加尾”的RNA将很快降解。另一个转录后加工的重要环节就是剪切。它关系到转录产物是否正确以及最终是否能获得功能蛋白质产物。这一步骤精细复杂，往往易出差错而影响下一步的翻译，是进行调控的重要环节。
翻译过程中主要影响因素是mRNA分子5’端帽结构和3’端的非翻译区5’-UTR和3’-UTR，其中前者的影响更大。5’-UTR的突变或缺失会使翻译效率大受影响。mRNA的稳定性也是影响翻译效率的重要因素。稳定的mRNA分子可在较长时间内作为模版而翻译出较多的肽链，而不稳定的mRNA分子仅能充当几次模版就降解了。
综上所述，基因的表达处在非常复杂的调控机理控制下，任何环节发生问题和差错，都会导致基因表达在质，量和时空方面的异常，从而导致细胞表型的紊乱，影响细胞的正常生理功能和行为。
四，真核细胞基因转录的表观遗传学调控：
近年来提出了表观遗传学调控的概念。这一概念主要来自对真核细胞发育进化过程的考察发现真核细胞内的基因的数量增加与其功能的多样化完全不相称。最明显的现象是人类基因组的研究结果表明人类的基因组中只含有大约28000 -- 30000个基因，而这比人们根据人类所具有的复杂功能所想象的基因数目要少得多，与简单的低等动物的基因组中的基因数相比并没有多少增加。在类似的环境下的遗传背景相似的真核细胞生物，其表现出来的功能表型可以有很大的差异。这些现象提示真核细胞生物进化过程中获得的复杂多样的表型并非仅靠基因数目的增加，而更重要是靠每一个基因表达方式的增加，即单个基因表达能被编程和调控的方式变得越来越复杂多样。这些无形的基因表达和调控的方式并不因为母代细胞分裂为子代细胞而消失，相反它可以在基因数目本身和DNA序列
并无改变的情况下通过减数分裂或有丝分裂而遗传给子代。所以我们现在可以将真核细胞内包含的信息分为两种：有形的遗传信息和无形的表观遗传信息。遗传信息为真核细胞制造所有必须的蛋白质提供了蓝图，而表观遗传学信息则为细胞何时何地如何使用这些蓝图提供了指令。在结构基因组学进入功能基因组学的时代，很显然，研究无形的表观遗传学的调控机理比有形的基因结构的遗传学对阐明真核细胞生物的功能具有更重大深远的意义。
目前认为表观遗传学机理是细胞genotype和phenotype之间的桥梁。在细胞genotype 不
变的情况下，环境的作用也会通过影响表观遗传学的调控机理，从而改变细胞的phenotype。不过环境影响所致的表观遗传学的改变往往非常微细和缓慢，不易觉察，且这种改变在特定时间段内是可逆的，因此，细胞的Phenotype 的改变不一定显现出来。
各组织体细胞随着正常的发育分化过程根据其内在的表观遗传学机理对基因的总体转录实行编程(program), 决定基因转录的态势，从而赋予分化成熟的各组织细胞特定的表型。如果人为地改变环境而改变一系列表观遗传学作用机制，可以使体细胞内基因转录的总态势被“重编程”(reprogramming)，从而改变体细胞的Phenotype,甚至赋予成熟的体细胞新的“多能性”(pluripotency)。
多细胞的真核细胞内基因表达激活的核心问题是基因所处的染色质的修饰，即一方面包裹在致密的染色质中的某个靶基因如何通过染色质组蛋白的修饰和重塑而被识别并激活，另一方面又需防止这些修饰重塑的染色质的范围蔓延扩散而使不应表达的基因被激活。典型的染色质修饰起源于基因组的某一点（一般相当于某基因的增强子），再向周围扩散，一般是单方向的。这种染色质的修饰会受到某些基因边缘的DNA序列的限制，这些序列称为边界元素(boundary element)或绝缘子(insulator)，对它们的作用和机理目前所知甚少。这些序列可能与特定的蛋白质结合，也可能在复合位点中将不同组织特异性增强子分隔开，使某一时间只有一种增强子发挥功能。边界元素防止中心粒或端粒处的异染色质扩散到常染色质区域。
4.1，染色质结构的重塑机理及基因转录调控
染色质结构的重塑调控基因的转录主要通过两种复合物来进行。一是ATP依赖的酶复合物，应用ATP作为能量水解破坏和改变局部组蛋白与DNA链之间结合；二是组蛋白的乙
酰化和去乙酰化酶复合物改变组蛋白氨基端的乙酰化程度。
4.1.1, 组蛋白的乙酰化和去乙酰化与基因转录活化和抑制
组蛋白的翻译后乙酰化和去乙酰化主要由组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase, HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC）复合物分别执行。
组蛋白的乙酰化有利于基因转录的活化。近年来发现的组蛋白乙酰化酶（histone acetylase）有p300/CBP(CREB-binding protein)。它是CREB(cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein) 转录因子的共刺激因子。许多转录因子都需与p300/CBP结合成复合物来激活转录。p300/CBP本身具有乙酰化酶活性，与其结合的p/CAF和 hGCN5以及TAF250也可能有组蛋白乙酰化酶活性。这几种乙酰化酶组成的复合物被转录因子带到特异性基因启动子激活转录。此外ACTR (activator of the thyroid and retinoic acid receptor) 和 SRC-1(steroid receptor coactivator)也具有乙酰化酶活性，在某些基因转录活化中起作用。多种组蛋白乙酰化酶往往组成不同的复合物共同激活一个基因的转录，提示不同的乙酰化酶可能作用于不同的核内组蛋白底物，表明了问题的复杂性。
另一方面，组蛋白的去乙酰化抑制基因的转录。长期以来就知道某些物质，如丁酸钠，trichostatin A和 trapoxin 会造成组蛋白高乙酰化。它们都是组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制剂，丁酸钠的作用较为非特异，而trichostatin A和 trapoxin分别可逆和不可逆地特异性抑制组蛋白去乙酰化酶。HDAC是进化中高度保守的，它一般都以与Sin3 和Rb等共抑制因子组成的复合物形式存在，并被某些特异的DNA结合性转录因子，如Mad, E2F和未结合配体的核激素受体，带到DNA特定序列附近。近来研究发现HDAC涉及基因前CpG的甲基化过程而抑制基因的转录，甲基化的CpG及与之特异性结合的Mecp2蛋白已知能使基因沉默。目前认为是Mecp2能将Sin3和HDAC拉近DNA上的启动子序列从而抑制转录。有趣的是，大多数组装着HDAC复合物的DNA序列都可对其下游基因转录有着两种相反的调控功能，是使转录增强还是沉默取决于组装其上的是组蛋白乙酰化酶复合物，还是HDAC复合物。不同真核细胞内有多种HDAC/Rpd3蛋白质。人类的3种HDAC/Rpd3蛋白质在各种组织细胞中都表达，似乎没有组织特异性的表达谱，对 4种组蛋白底物也未报导有作用特异性。其转录抑制功能来自去乙酰化的酶学活性，如果HDAC/Rpd3突变使去乙酰化活性缺陷，则以显性负作用方式使转录抑制功能丧失。
4.1.2, ATP依赖性染色质结构重塑复合物与基因转录调控
除了对组蛋白的乙酰化修饰外，另一类参与染色质结构重塑的酶复合物也调控基因的转录，它们含有腺嘌呤三磷酸腺苷酶(ATPase) 活性，能利用ATP提供能量水解而破坏或改变局部DNA与组蛋白间的相互作用。这类复合物包括酵母中的SWI/SNF 和高等真核细胞中的BRG1和BRM. 它们都能改变核小体的结构而使转录因子易与之结合。酵母中的RSC (remodeling the structure of chromatin)和果蝇中的NURF (nucleosome-remodeling factor)都含这类复合物。这些不同物种的复合物中虽然包括不同的组分并具有各异的性质，但他们都含有SWI/SNF相关的亚单位，因而具有ATPase 和螺旋酶(Helicase)活性。实验表明人类hSWI/SNF的作用是使核小体在正常构型和较开放的构型之间可逆地交互变换。这一变换之际为转录因子接近并与DNA结合提供了机会。虽然一般认为ATP驱动的染色质重塑活性与组蛋白乙酰化不同，但近来的研究表明两种活性可能密切相连。例如应用HDAC1和HDAC2单抗提纯细胞内组蛋白去乙酰化酶相关蛋白时，发现多个含有HDAC1/2的蛋白复合物，而在这样的复合物中就有两种蛋白质(CHD-3,CHD-4)是SWI/SNF样蛋白质，具有ATP依赖性染色质结构重塑活性。这种活性虽非为使组蛋白去乙酰所必需，但能促进其组蛋白去乙酰化酶的活性。此复合物称为NRD (nucleosome remodeling and histone deacetylases), 其两种活性相辅相成，能充分地调控基因的转录。哺乳动物细胞中BRG1和BRM.具有ATPase酶活性，是SWI/SNF复合物中的主要成分，有利于促进转录。它们常与Rb蛋白相互作用，而Rb 常会拉近组蛋白去乙酰化酶来抑制转录。这提示两种相反的染色质重塑活性结成对子，可能是调控转录的一种常见形式。长期以来，人们较多关注转录因子对真核细胞基因转录的作用，近两年的发现表明转录因子激活转录还必须通过与某些基本的转录复合物中的成分相互作用来实现。转录需要分几步进行。第一步由上述两种不同的染色质重塑机制（组蛋白乙酰化和ATP依赖性染色质重塑活性）协同重塑细胞染色质，然后由转录因子和基本的转录复合物中的成分相互作用，并与基因启动子DNA上转录活化基序结合，从而使转录复合物参与激活转录。在这过程的开始，一类转录因子可能首先与处于核小体之间的DNA上转录因子结合位点结合，并将组蛋白乙酰化酶复合物拉近DNA而乙酰化核小体中的组蛋白，开放核小体结构，使之易于接受其他转录因子或基本转录复合物。然后第二类转录因子再引入其他基本转录复合物而激活转录。同样，转录抑制可能也是这样两步的过程。
4.1.3, DNA甲基化和染色质蛋白甲基化对基因转录的影响
基因组含有遗传(genetic)和表观遗传(epigenetic)两类信息。遗传信息为合成生命所需的全部蛋白质提供蓝本，而遗传外信息为遗传信息在何时何地如何发挥作用提供指令。最重要的遗传外信息是DNA的甲基化，也即在CpG中的胞嘧啶的5’位上以共价键加上甲基基团的态势。DNA的甲基化对哺乳动物的基因组有重大的影响，包括对基因转录的抑制，染色质结构修饰，X染色体失活和基因组的完整性和稳定性等。CpG的甲基化由三种独立的甲基转移酶DNMT1, DNMT3A 和DNMT3B催化。最近还克隆了第四种甲基转移酶DNMT2。利用果蝇基因敲除实验表明DNMT3属于“初始类”（de.novo）,而DNMT1属于“维持类”（maintenance）。因为DNMT1敲除的ES细胞仍能保持初始的甲基化活性，而DNMT3A 和DNMT3B的纯合缺失并不能改变ES细胞中已存在的DNA甲基化态势。但DNMT1基因的杂合性缺失却造成甲基化胞嘧啶的含量减少70%。不过某些转基因实验的结果也提出了争议。有可能此3种DNMT酶在体内都具有起始和维持甲基化的功能，它们对特定的基因组DNA的转甲基功能必须视与其他核蛋白或DNA结合因子的相互作用而定。ICF是一种极为罕见的常染色体隐性遗传病，具有严重的免疫缺陷（至少2种免疫球蛋白严重减低），伴有呼吸道感染，不同程度智力低下，发育迟缓和奇特面容。目前研究表明，ICF可能由DNMT3B基因在不同区段的突变而使甲基化功能减低或影响其与其他DNA结合蛋白的相互作用所致。多种智力低下的遗传病均有细胞内甲基化的缺陷，提示甲基化介导的染色质修饰可能对脑的发育具有特殊的重要意义。在肿瘤细胞中，基因组的甲基化态势经常有很大改变。在基因组整体低甲基化的大环境中特定区域出现高甲基化。大多数低甲基化发生在正常时原本高甲基化的重复或“寄生”的元件区域，使这些转座元件的转录增加而增加了基因组的不稳定性。许多实验证据表明DNA甲基化对肿瘤发生具有早期直接的作用。例如在某些抑癌基因（如Rb）的启动子处发生高甲基化，就可使抑癌基因的表达沉默而使细胞获得增殖的优势。又如具有微卫星不稳定性的大肠癌细胞中错配基因hMLH1的启动子也发生高甲基化而导致转录沉默。此外，在实验性肿瘤模型和自然发生的肺癌上皮细胞中也可测知P16INK4a的启动子高甲基化。在肿瘤细胞DNA中约45000个CpG中，有人分析了98种肿瘤标本中的1184个CpG的甲基化状态，发现平均608个CpG 有异常甲基化（最高可达4500个CpG）。但甲基化程度在不同个体和不同肿瘤类型之间有差别。乳腺，头颈部和睾丸瘤的CpG异常甲基化率较低而大肠癌，脑胶质瘤和白血病细胞的异常甲基化率显著增高。此外，CpG的异常甲基化并非随机分布，提示某些基因CpG比其他处更易甲基化或某些基因CpG丢失甲基化能使细胞获得生长优势。甲基化的DNA可能通过与之结合的MeCP2蛋白拉近HDAC，而使局部染色质核组蛋白去乙酰化，从而抑制转录。除了MeCP2以外，近来还发现MBD1,2,3 , RbAp46/48等蛋白质也与甲基化的DNA相连，并与染色质重塑机理相关。
除了DNA甲基化外，近来发现核内组蛋白在赖氨酸和精氨酸位上的甲基化也能与组蛋白的其他翻译后修饰共同调控染色质构型和基因的转录。在H3分子的核心及尾部的多处赖氨酸位点，以及H4尾部单个赖氨酸位点可发生甲基化，此外，还有H3的三处精氨酸位点和H4上一处精氨酸位点也发生甲基化。许多转录因子和与RNA加工过程相关的蛋白质也都会甲基化，提示核内许多蛋白质的甲基化也可通过其他途径调控转录或转录后步骤。在表观基因组(Epigenome)中（见下图），H3K4me1, H3K36me3和H3K4ace是染色质开放（呈常染色质），基因转录活化的标志；相反，H3K9me2,3和H3K27me3是染色质闭锁（异染色质），基因转录受抑而静息的标志。组蛋白赖氨酸的甲基化由赖氨酸甲基转移酶(KMTs或 HMTs)催化。这些酶大多数含有保守区SET结构域。与组蛋白乙酰化相同，组蛋白甲基化也是可逆的。两族赖氨酸去甲基化酶(KDMs), 包括LSD1和Jumonji酶可使H3或H4的赖氨酸去甲基化。同样，不同的酶也可使精氨酸去甲基化。这些组蛋白甲基化和乙酰化修饰相互排斥，也可相互转换，从而使不同基因的转录态势处于某种动态的平衡。在静息或异染色质区域，H3K9的甲基化与DNA的甲基化相关联。靶向H3K9 赖氨酸的酶是含SET结构域的Suv39h1.
HDAC对H3K9的去乙酰化必须发生在该位点的甲基化之前。甲基化的H3K9会募集蛋白质HP1, 结合于H3K9me的HP1 则靶向激活DNA甲基转移酶 (DNMTs), 使该处的DNA发生甲基化。在整个基因组的范围内，标示出各DNA序列所处的染色质构型的表观遗传学标志，从而显示出各基因的转录活性，就形成了表观基因组。
4,1,4 非编码RNA
近年来，继在细菌中发现有小RNA (约50-200核苷酸) small RNA(sRNA)可调控靶基因的
翻译后，在大多数真核细胞内也发现有微小RNA (MicroRNA, miRNA)能调控许多基因的转录。miRNA是约22个核苷酸的非编码RNAs (non-coding RNAs)，能够以序列特异性的方式，通过抑制转录产物的翻译和促使mRNA降解的方式调控基因的表达。人类基因组中估计有1000多种基因编码miRNAs参与细胞内的RNA干扰(RNAi) 而不编码蛋白质。其中约半数以编码基因的内含子为模板产生，另一半来自长非编码RNA (lncRNA)，有些miRNA甚至来自失活的假基因。此外，生殖细胞内有一类特殊的miRNA称为piRNA (piwi-associated RNAs)。另一种在病毒感染时产生的siRNA (small interfering RNA), 两者都能调控细胞内可移动元素的表达。miRNAs的生物合成过程主要分为两个步骤：首先在细胞核内由编码miRNA的基因为模板转录为初始转录本 (pri-miRNA), 其分子序列往往自我互补而自动折叠成双链发夹结构。此分子在细胞核内被Drosha (一种RNase III超家族成员的内切酶) 切割成约70bp的前miRNA (pre-miRNA)后转运出细胞核，到达细胞质内。第二步，再由Dicer酶催化切割成22bp的双链RNA。这些短小的双链RNA参与组成复合物RISC (RNA-induced silencing complex)，该复合物中的Argonaute (Ago) 家族蛋白可以最终将之加工成单链的miRNA，并投递到其靶mRNA的3’-UTR上发挥作用。
作为一种公认的重要表遗传机理，虽然它们并不影响DNA序列的改变，但对人类的健康生长发育和疾病的发生却有着非常深远的影响。据2007年8月发布的最新资料统计，目前在人类基因组中已被确认的miRNA序列已有500多种，并预测至少还有相同数量的miRNA序列有待证实。人类细胞中约有三分之一mRNA种类都受miRNA的负调控。在进化上miRNA比较保守，其分子茎部保守性更强，而环部可能存在突变。miRNA基因以单拷贝，多拷贝和集簇等形式排列在基因组中，绝大多数位于蛋白质编码的基因间隔区，独立转录，但不翻译成蛋白质，其表达水平有较强的组织特异性和时相性。miRNA一般不改变其作用靶mRNA的稳定性，而通过抑制mRNA的翻译而使基因沉默。由于一般miRNA针对mRNA分子3
‘端的非翻译区形成互补，并不能完全封闭其翻译，所以在表遗传的层面上miRNA本身只以一种潜在的，非直接的方式同时调控许多基因的表达。miRNA有两种方式降解和下调mRNA。如果两者高度互补，则miRNA通过去除帽和polyA的尾而切割和降解mRNA。不过大多数情况miRNA与其互补序列结合得并不完全，因此仅能抑制靶mRNA的翻译。
4.2，转录因子功能的调控
转录因子的发现至今已逾20年，做为基因转录的反式元件，早先对转录因子的一般概念是它含有两种结构域: DNA结合结构域使之与DNA相连，激活或抑制结构域使之能调控转录。近年的研究对转录因子的认识又有显著的深化和发展。例如，转录因子在缺乏DNA结合结构域时也可通过蛋白质之间的相互作用而与基因DNA上的启动子结合。又如转录因子可同时含有激活和抑制结构域，而DNA结合结构域本身就可起转录调控结构域的作用。另一个重要概念是转录因子一般并非单独起作用，而是多个转录因子通过相互作用，协同或组成复合物形式来调控转录。转录因子的作用需要其他蛋白质作为共活化或共抑制因子参与，而转录因子的功能本身也受一些小分子或其本身翻译后的修饰所调控，这种调控可通过多渠道，并发生在多层面上。
4.2.1, 转录活化和抑制结构域 (domain) 的作用机理
RNA聚合酶II对基因的转录需要在基因的启动子上组装通用性转录因子(general transcription factors GTFs) 来构成启动前复合物 (preinitiation complex, PIC). 对大多数基因启动子来说，开始由GTF-TFIID 与TATA盒结合。TFIID是一个多亚单位因子，由TATA结合蛋白（TBP）和TBP相关蛋白（TAFs）组成，再加入TFIIA, TFIIB，然后再结合上TFIIE, F, H 和RNA聚合酶II组成完整的PIC。不过，正常情况下似乎许多GTF还和其他因子与RNA聚合酶II共同组成一个全酶 (holoenzyme).虽然不同方法提取的全酶的组分高度变化，但各种方法的全酶提取物中总含有几种GTFs，包括SRB (suppressors of RNA polymerase B)
和MED (MEDiator) proteins.所以PIC的组装可能仅需要有限的因子，这些因子被认为对调控基因转录是最重要的。上述PIC足以在裸露的DNA模板上启动转录，但在活细胞内DNA 组装成染色质，使PIC不易接近DNA。所以染色质结构必须经过重塑（见上述重塑机理）才使PIC得以与启动子结合。转录效率被严格控制，例如在细胞有丝分裂时转录过程即停顿。此时转录机器被直接修饰，故影响到所有的基因。还有些机制是全局性的，如Dr1是通用的转录抑制因子，它直接接触TFIID，阻止TFIID 与TATA盒结合而使PIC不能组装。更重要的是那些作用于特异基因启动子相关序列元件而以基因特异性方式影响转录的调控因子。特定基因的转录过程包括一系列分子事件。其中有多处环节可被调控。例如染色质重塑，PIC 在转录前的组装，PIC的结合使DNA模板熔为单链并由RNA聚合酶II与启动子结合，此后伴随着核小体的重塑，PIC中的多种因子脱离而变成为延长转录的新的PIC。其间，TFIID 始终保持与TATA盒的结合。延长转录的复合物也是被调控的靶点。转录调控因子可在上述所有环节上调控转录，某些可活化转录，某些抑制转录。不过近来发现一些转录调控因子在不同的细胞环境下既可激活，也可抑制转录。
转录活化因子的活化结构域根据其氨基酸组成大致可分为几类：一类如疱疹病毒VP16 蛋白和酵母GAL4蛋白中活化结构域那样的酸性转录活化结构域，另有谷氨酸富集（如SP1）和脯氨酸富集(如CTF1)的两类转录活化结构域。其中某几组疏水的氨基酸残基在上述三类转录活化结构域中都对其活性功能起关键作用。转录活化结构域怎样发挥功能是基因表达的中心问题。转录活化因子的作用必须与染色质重塑过程相配合。几种染色质重塑因子与转录活化结构域都相互作用。例如作为HATs的共活化因子p300/CBP与转录活化蛋白 CREB相互作用，也作用于 GTFs。转录活化因子将p300/CBP拉至基因启动子，同时也会拉住ATP依赖性染色质结构重塑复合物，使组蛋白乙酰化和染色质构型失稳以便在该区域形成PIC。有证据表明转录活化因子能促进PIC的组装。TFIID与TATA结合，作为PIC 组装的第一步可能是转录活化因子作用的靶点，不过对此尚有争议。位于同一个启动子的多个转录活化因子总是协同激活转录，从而获得大大超过预期的转录水平。这可能因为不同转录因子活化结构域可与PIC中各个成分接触并相互作用，因而在PIC组装的不同步骤都影响和促进了PIC的组装。也有人认为TFIID中的TAFs与转录活化因子的协同作用有关。
大致有三种机制可使特异性的基因转录被抑制：转录抑制因子可以阻止转录活化因子与启动子相结合或着可以抑制结合于DNA上的转录活化因子蛋白的功能。第三种所谓“真正的抑制因子”是指含有的转录因子抑制结构域能阻止转录复合物的形成。例如Rb既能抑制与DNA 结合的 E2F的活化结构域，又具有转录抑制结构域与 HDACs接触，破坏PIC的组装。一般认为转录抑制结构域含有疏水的碱性氨基酸，如富集丙氨酸。实际上也有抑制结构域富集脯氨酸的，如在Oct2 和WT-1抑癌蛋白分子中。Eve是一种在果蝇和哺乳动物细胞中的转录抑制因子。其功能不但需要丙氨酸富集区，也需要其自身结构域。体外实验表明Eve阻止TFIID 与TATA结合而影响PIC 的组装。哺乳动物细胞中另一转录抑制因子Msx-1也需通过其自身结构域与TBP的相互作用来抑制转录。转录抑制因子的作用一般不互相协同。这可能因为转录活化因子在PIC组装的不同步骤都影响和促进了PIC的组装而转录抑制因子只需破坏其中一个步骤即可。活化转录的负调控子复合物(negative regulator of activated transcription，NAT) 也包含一组SRBs 和MEDs，其转录抑制功能在于SRB10/11异二聚体，它能在PIC组装前磷酸化RNA聚合酶Pol II中的CTD，使Pol II失去功能而抑制转录。转录抑制因子的主要功能是使启动子相关的染色质恢复受抑构型。它的抑制结构域作用于几种含HDAC活性的复合物而发挥作用。如NcoR (nuclear receptor corepressor) 和SMRT (silencing mediator for retinoic acid receptor and thyroid hormone receptor) 。这些复合物含有HDAC1/2 和Sin3共抑制因子。NuRD (neucleosome remodelling and histone deacetylase)复合物含有ATP依赖的核小体重塑活性SWI/SNF和
HDAC1/2，也是抑制结构域的作用靶点。此复合物中还含有的MBD3蛋白具有与甲基化CpG 结合的结构域，而与甲基化DNA特异性结合的蛋白MeCP2也与HDAC复合物相连，进一步将DNA甲基化与HDAC活性在抑制转录方面的作用联系起来。
几种转录调控因子在不同的细胞内环境下既可激活转录也可抑制转录。例如果蝇细胞内的kruppel蛋白浓度增加时可从活化转录变成抑制转录。这与其从单体形式二聚化有关。WT1也是这样。不仅与DNA直接结合的转录调控因子，某些共调控因子也有此特性。如Mdm2对P53是共抑制因子，对E2F却是共激活因子。还有一些核激素受体在与配体结合后也会由抑制转录变成激活转录。它们未结合配体时与含有HDAC活性的NcoR/SMRT/SIN3共抑制复合物接触. 当与激素配体结合后，它们脱离NcoR/SMRT/Sin3共抑制复合物，转而与含组蛋白乙酰化酶活性的p300/CBP或p/CAF复合物结合，从而激活转录。
4.2.2, 磷酸化对转录因子功能的调控
细胞外环境对细胞的刺激通过细胞内多种信号转递通路将信号送达细胞核内的DNA，调控基因的转录表达，使细胞从而做出相应的反应。这一调控主要是通过信号传递通路中一系列介质的磷酸化，最后作用于转录因子，使其转录活性发生快速的改变而实现的。因此，转录因子，转录共调节因子和染色质重塑因子如何受蛋白质磷酸化激酶作用而磷酸化，或受蛋白质磷酸酶作用而去磷酸化是这一调控的关键环节。这也为某些疾病中的治疗性干预提供了可能的靶点。蛋白质的磷酸化或去磷酸化可以通过以下至少5种机理来调控转录因子的功能：影响转录因子在细胞核内发挥作用的持续时间；影响转录因子受蛋白水解酶降解的难易程度；影响转录因子，共调节因子和基本转录复合物之间的相互作用；影响转录因子与DNA 的结合；以及修饰染色质的空间构型。
具体来说，转录因子的磷酸化/去磷酸化首先能决定转录因子在细胞内的位置。虽然许多转录因子原本就在细胞核内被磷酸化/去磷酸化，但有相当多的转录因子在细胞质和细胞核之间穿梭往来。它们在细胞内的位置取决于其蛋白分子上核定位信号（nuclear localization signal, NLSs）和核输出信号（nuclear export signal, NESs）是否能被核转运机制的蛋白所识别。转录因子的磷酸化/去磷酸化会影响NLSs和NESs被核转运机制蛋白的识别。例如在被激活的T淋巴细胞中，转录因子（NF-AT）的核浆穿梭就是受磷酸化/去磷酸化调控的。NF-AT被细胞质内钙依赖性蛋白磷酸酶（Calcineurin）作用，在丝氨酸去磷酸化后，使NF-AT被输入细胞核内。反之NF-AT可被某些蛋白磷酸化激酶（如MAPK）磷酸化后运出细胞核。磷酸化也可调控决定转录因子定位的调节蛋白的功能。如转录因子NF-k B异二聚体通常与其胞质锚定蛋白抑制分子l k B相结合，其NLS被遮盖从而防止被转位到细胞核内。当细胞对感染信号起反应时，l k B的NH2端两处丝氨酸被l k B激酶（IKK）复合物磷酸化，从而易被泛素化（ubiquitination）而快速降解。这时NF-k B分子上的NLS 暴露出来并被识别，NF-k B异二聚体就能进入细胞核去发挥功能了。蛋白质的磷酸化/去磷酸化不但能调控转录激活因子，也能调控转录抑制因子在细胞内的定位。其次，磷酸化可使转录因子发生蛋白酶介导的降解。这种降解最典型的是由泛素(ubiquitin）通过一组酶（如E1, E2和 E3）与靶蛋白相连而实行的。泛素化的蛋白质接着被26S蛋白酶复合物降解。上述l k B/NF-k B是最为人了解的以磷酸化/去磷酸化所致的蛋白溶酶调控的转录因子。抑癌基因P53是另一个例子，作为转录因子，其磷酸化状态影响它被降解的命运。癌蛋白Mdm2与P53蛋白的NH2端相结合而抑制其转录活性，同时还起着E3泛素连接酶的作用，使P53被泛素介导的溶蛋白酶降解。当P53反转录区段的丝氨酸被磷酸化时，Mdm2与P53蛋白连接的亲和力减低，使P53蛋白的稳定性和转录活性增加。另一方面非活化的MAP蛋白激酶 JNK 也与P53蛋白NH2端相结合介导泛素的蛋白溶酶降解作用。JNK的激活可使P53蛋白NH2端磷酸化,阻滞其与Mdm2的结合而使P53蛋白更稳定。转录因子与共调节因子和基本转录复合物之间存在着相互作用，许多转录因子分子中存在磷酸化依赖性转录活化或转录抑制区域。这
些区域的磷酸化可能直接阻挡转录因子与其他分子的联系或改变转录因子局部的空间构型，从而影响转录因子与共调节因子和基本转录复合物之间的亲和力。蛋白质磷酸化还可直接调控共调节因子本身的活性。例如细胞受刺激时
CREBP (cAMP-response element binding protein)在133位丝氨酸可被许多蛋白质激酶所磷酸化（如PKA, CaMKII及 MAPK等）。Ser-133的磷酸化使之能与CBP (CREB-binding Protein)和基本转录复合物相连，从而增加了转录活性。而CBP作为一种共活化因子，其本身也需要被PKA, CaMKIV及 MAPK磷酸化才具有转录活性。基本转录复合物 (basal transcriptional complex) 中的许多成分，如TFIID, TFIIF 和TFIIH都具有磷酸化激酶活性，它们在调控基本转录复合物的转录活性方面的功能尚不清楚。蛋白质磷酸化还能直接或间接地调控转录因子与DNA上启动子的结合。许多转录因子的DNA结合区段呈碱性，而在此区段的磷酸化会引进负电荷而使之不能有效地与DNA结合。例如WT-1，作为一种含锌指结构的转录抑制因子，被PKA磷酸化其锌指区内的丝氨酸可抑制其与DNA结合的能力。虽然大多数转录因子的磷酸化会抑制其与DNA的结合，少数情况却反而增进与DNA的结合。在远离DNA结合区段处的磷酸化也会间接地调控转录因子与DNA的结合，例如STAT 和SMAD通路中的转录因子均需经磷酸化而寡聚合后，才能进入细胞核内与DNA相结合。近来的研究还表明染色质重塑复合物中修饰酶的活性也被其磷酸化状态所调控。例如在细胞有丝分裂期间，ATP依赖性染色质重塑复合物中的SWI/SNF被磷酸化而失活，形成关闭型的染色质构型。有丝分裂结束后，SWI/SNF去磷酸化而恢复活性，将染色质改变成开放型构型从而利于转录。总之，转录因子的磷酸化/去磷酸化是外界刺激的信号传入细胞核，调控基因表达态势的关键环节。其许多具体细节尚需更深入的研究。
4.2.3, 转录因子乙酰化对基因转录的调控
蛋白质分子中赖氨酸的乙酰化是基因表达调控的另一重要机理。除上面述及的核小体中组蛋白被HATs乙酰化涉及核染色质的重塑机理外，乙酰化的蛋白质底物还可以是非组蛋白，包括构架性DNA结合因子，通用转录因子和位点特异性DNA结合因子三类。细胞核内有许多非组蛋白的核蛋白与DNA的结构有关，属构架性DNA结合因子。其中之一的HMG (high-mobility group) 蛋白可分为3个亚组。一组HMG/SRY含有HMG盒DNA结合区段（DBD）可通过浅沟(minor groove) 与DNA相连并将局部DNA靶区段折弯。另一组含有三个DBD 的HMGI/Y/I-C 蛋白也通过浅沟 (minor groove) 与DNA结合，但对DNA的空间构型影响不大。在病毒感染而诱导INF-β表达时，首先会形成增强子复合物 (enhanceosome)并募集了P300/CBP 和P/CAF将组蛋白H3和H4乙酰化，导致基因转录活化。此后CBP又会将HMGI/Y乙酰化，使增强子复合物瓦解，最终使INF-β失活。目前HMGI/Y被看做是潜在的癌基因，在许多肿瘤细胞中都有高表达。P/CAF还能乙酰化HMG17，减低HMG17与核小体结合的亲和力。在通用转录因子（GTFs）中目前发现至少有TFIIE 和TFIIF的β亚单位是被P300, P/CAF或TAF250等乙酰化酶乙酰化的。调控真核细胞基因表达的位点特异性DNA结合因子能与靶基因的启动子或增强子结合并被修饰。除研究最多的磷酸化和糖基化外，由HATs实施的乙酰化也能调控其转录活性。肿瘤抑制蛋白P53就是第一个被发现乙酰化的位点特异性DNA结合因子。体外实验中P53被P300, P/CAF乙酰化后增加了与DNA结合的活性，因此，P53的乙酰化可能对其在体内的功能是必要的。此外P53的乙酰化一般发生在磷酸化以后，所以这两个过程之间可能相关。
4.2.4, 营养调控基因转录的分子基础
单细胞生物对环境中营养物分子作出反应，从而调整体内基因表达态势的能力对维持其存活是必不可少的。细胞是怎样辨别环境中营养代谢物分子并改变基因表达的呢？实验证据表明许多代谢物小分子，如氨基酸可直接作用于转录因子而影响基因转录。这类小分子调控基因的转录可以通过多种机理。正如上述，真核细胞的转录是极为复杂的过程，需要12种亚单位组成的
RNA聚合酶II与多种辅助蛋白质，如TFIIA,B,D,E,F以及SRB和MED等结合成RNA聚合全酶来启动转录并使之延伸，而转录活化因子通过与这些蛋白质的相互作用而拉近他们并将之组装起来。在酵母中，许多可因代谢物小分子的多寡而调控特定基因的转录的蛋白质分子都具有一种相似的DNA结合结构域，即Zn(II)2Cys6双核集簇基序。其蛋白质序列含有6个保守的半胱氨酸残基，通常位于蛋白质分子的氨基端，构成锌结合和与DNA相互作用的位点。这一结构域以外的序列变化很大。不过在某些蛋白质中，还有一个中间同源区（middle-homology-region, MHR）也大致相似。对此类蛋白质DNA结合力的调控可以通过调节细胞内此蛋白质的量或将此蛋白质阻挡于DNA外围而使之不能与靶基因相互作用。不过，许多Zn(II)2Cys6双核集簇蛋白都是固有地与靶基因结合在一起的，此时就必须调控这蛋白活化结构域的转录能力了。有证据表明Zn(II)2Cys6双核集簇蛋白组成的转录活化复合物（或称活化因子和相关调控因子组成的遗传开关），其转录活性由与代谢物小分子的相互作用而直接调控。由代谢物小分子调控转录活性的Zn(II)2Cys6双核集簇蛋白主要涉及1）亮氨酸生物合成，2）半乳糖的代谢，3）嘧啶生物合成等。例如合成亮氨酸的基因LEU1, LEU2 和LEU4的转录就由细胞外亮氨酸的浓度调控。LEU基因的激活有赖于一种含Zn(II)2Cys6双核集簇的蛋白因子称为Leu3p. 未结合DNA时Leu3p以二聚体形式存在。它是一种磷酸化的蛋白，在DNA上识别的结合位点是对称的CCGN4CGG。细胞外环境中氨基酸缺乏时Leu3p被高表达。
4.2.5, 转录因子核浆穿梭转运机理和调控
如上所述，转录因子作为介导细胞外刺激和细胞核内反应之间的信号传递载体，它们必须经常从细胞浆内转移到细胞核内的作用地点。这是由转录因子核浆穿梭转运机理来调控的。这一过程涉及胞核和胞浆内的“零件分子”和细胞核膜上的通用转运分子。虽然不同的转录因子在核内外的转运由相似的机理调控，但每种转录因子的特殊活化方式有所不同。各种转录因子在核浆穿梭时都必须穿过核膜上的核孔（nuclear pore）。核孔由分子量约125Mda的被称为核孔复合物(nuclear pore complexes, NPCs)的多个大分子蛋白质复合物构成。这一结构在进化中是高度保守的。NPCs上进行的核浆转运的必须是核内或浆内的可溶成分，由小GTPase (GTP hydrolyzing enzyme) Ran介导。Ran在核内与GTP相连，在浆内与GDP相连。Ran-GTP转换成Ran-GDP需有胞浆内的“零件分子”参与，如Ran-GAP1(GTPase-activating protein)和RanBP1 (Ran-GTPase-binding protein)。反之，Ran-GDP需要核内“零件分子”，如RCC1参与,组成核进入复合物而转换成Ran-GTP。Ran经NPCs转运入核的过程还有赖于NTF2 (nuclear transport factor 1). NTF2可识别并刺激含NLS (nuclear localization signal)的蛋白质输入细胞核。NTF2只与Ran-GDP相连而不连接Ran-GTP。所以NTF2与Ran-GDP的复合物在进入细胞核而转换成GTP后就被破坏了。可见GTP-GDP的周期性转换是转录因子核浆穿梭转运的关键，破坏GTP-GDP的转换就会抑制转录因子的核浆穿梭转运。此外，蛋白质Crml / exportin / Xpo1系统也是调控核内输出过程的主要要素。110KD的Crml 主要识别和结合靶蛋白分子所含的富集亮氨酸的NES (nuclear export signal), 并将此蛋白质输出细胞核。在E2F族的转录因子中，E2F1，2，3含有NLS，当G1期时积聚于细胞核内，在细胞行进至S期时被下调。E2F4，5，6也是核内蛋白，但不含明显的NLS，不过它们也在细胞周期中从核内转到细胞质内。总之，在细胞周期的进程中E2F可有几个层次的核浆穿梭转运。对REL/NFκB/IκB族转录因子来说，它们被认为对许多凋亡相关基因（如TNF-α,IL-2, GM-CSF, C-MYC和 P53）的转录调控有关，并与一些其他转录因子(如AP-1)和转录共活化因子（如P300/CBP）相连。当细胞未受刺激时，非活化的NFκB族转录因子以二聚体形式存在于细胞质内。其所含的NLS被与之结合的IκB族因子所覆盖。在细胞受TNF-α/FAS刺激后，IκB族因子被磷酸化而被蛋白水解酶降解，NFκB二聚体被释放而活化后，趋向NPCs，通过Ran-GTP/GDP系统转运至核内。同时还形成一个
NFκB活化/非活化的反馈环，可将活化的NFκB由核内再驱逐出细胞质内，这一胞核输出有赖于Crml / exportin / Xpo1系统，由此构成NFκB的核浆穿梭转运机制。P53也是重要的转录因子，起监控细胞周期进程和使突变损伤细胞凋亡的作用。它以单体形式转入核内，再以同四聚体形式结合到下游靶基因启动子DNA上发挥转录调控作用。其主要靶基因有P21和Mdm2. Mdm2具有NLS 和NES，能在核浆之间持续穿梭往来。P53的功能取决于它在细胞内的位置，它必须进入并停留在核内一段时间才能起转录因子的作用。滞留在胞浆内不能发挥抑癌作用。Mdm2介导了P53在核浆间的穿梭。P53分子在四聚化区段含有亮氨酸富集的NES，因而可被输出核外，但它以四聚体活化形式存在于核内时，NES被蒙蔽而不被输出因子识别，保证了它在核内发挥功能。但如果溶解成二聚体或单体时NES被暴露，即可被Crml 系统输出核外。STATs (signal transducer and activators of transcription) 是介导细胞因子信号影响基因转录的许多因子组成的系统（哺乳动物细胞中有7种STATs），它们分子中除了含有共同的DNA结合区段，反式活化区段和SH3区段等，还在羰基端有一个酪氨酸残基，这是磷酸化的靶点，对分子的二聚化和细胞内定位非常重要。在未激活时，STATs位于细胞质内。当细胞因子通过膜表面受体结合而启动信号传递时，JAK激酶被结合到受体上，磷酸化酪氨酸激酶受体的胞质内区段，再将STATs募集到受体上来。一旦STATs与受体相连，即被同时与受体相连的JAK磷酸化而激活，启动了STATs分子的同二聚化和异二聚化。STATs 二聚体与细胞表面受体上解离后直接进入细胞核中，与DNA结合。虽然STATs转入细胞核的具体机理还不完全清楚，但有证据提示是由Ran-GTP/GDP系统操作的。
4.2.6, 蛋白质降解对转录因子功能的调控
细胞中的蛋白质总是处于严格控制的动态平衡中，转录因子也不例外。特定的转录因子的活性可以通过几种方式加以改变。其中之一是改变这蛋白质的合成率和降解率，打破转录因子数量的恒定。对此，蛋白水解对许多转录因子起着关键作用。在真核细胞内，泛素-蛋白溶解酶系统能选择性地程序化地针对许多转录因子进行降解。相比之下，其他泛素样蛋白质对转录因子的修饰并不降解它们，但能改变其性质或改变其发生降解的难易程度。越来越多的转录因子成为泛素或泛素样蛋白降解作用的底物。其他底物还包括细胞内极为广泛的各种蛋白质，如信号传递通路蛋白，细胞周期调控蛋白，抑癌蛋白和癌蛋白，病毒基因产物和细胞膜上多肽受体等。泛素降解蛋白质的过程主要分为两个连续的步骤：多个泛素分子先以共价键与底物蛋白质结合，再由26S蛋白溶酶体 (proteosome) 将“标记”上泛素的蛋白质底物降解。泛素与底物蛋白质的共价结合由泛素活化酶E1以ATP依赖性方式激活泛素分子的C 端开始，并由一系列瀑布式酶促反应催化。这一反应系统是等级式的。26S蛋白溶酶体也是ATP依赖性的多个蛋白酶组成的复合物，它能识别并特异性地降解细胞质和细胞核中所有被标上泛素的蛋白质分子。26S蛋白溶酶体中间是一个20S 核心催化复合物，两侧有19S的调节复合物，可以识别泛素标记的靶蛋白并解除其折叠，从而降解之。在蛋白质泛素化的同时，也同时存在着去泛素化过程（deubiquitination），作为对泛素化的很重要的拮抗和调节机制。去泛素化酶 (DUBs)是一种半胱氨酸蛋白酶，能特异地水解泛素与底物蛋白质分子之间的硫酯键，使蛋白质与泛素分离。在过去几年中，又有一族泛素样蛋白质被发现和受到日益重视。例如SUMO-1(sentrin), GMP1, UBL1, PIC1和Smt3 等，它们也能与靶蛋白分子共价结合，对泛素-蛋白水解酶系统的降解作用进行修饰。总之，泛素-蛋白水解酶系统和泛素样蛋白质对转录因子的降解实行严格的调控，对转录因子发挥正常功能是非常重要的。如果这一过程发生异常或被破坏即会引起疾病。同时，这一复杂通路也为发明抗癌和抗感染的新药提供新的靶分子。
4.3, 人类基因组DNA元素整合项目( The Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE )
人类基因组的DNA序列编码着人类生命的蓝图，虽然经过深入的研究，我们已经识别大量蛋白质编码基因，但对全基因组还远未了解，特别是非编码RNAs, 选择性剪切的转录序列和调节序列都所知甚少。对人类基因组的全部转录本和调控信息做系统性地整合研究对识别基因和调控序列非常必要，也是研究人类生物学和疾病的重要源泉。2004年开始执行的ENCODE旨在解析人类基因组序列的全部功能元素(functional elements)。所谓“功能元素”的定义是编码一种产物的DNA的具体片段, 这种产物可以是蛋白质或非编码RNA, 或展示可重复的生化标记（如蛋白质的结合点或特异性的染色质结构）。随着越来越强大的DNA/RNA 测序技术和染色质构型检测技术的出现，使我们对全基因组序列的精确功能序列的定位成为可能。目前对147种人类组织细胞的ENCODE结果显示约80.4%的人类基因组序列片段至少在一种组织细胞内参与了至少一种与RNA或染色质相关的生化事件。大部分属于调控事件。95%的基因组序列与某种DNA和蛋白质的结合点相距8bp以内。将基因组所处的染色质分为7种状态，其中390000处的DNA片段具有类似增强子的特性，70000处片段显示启动子的特性。此外还有成千上万的片段目前显示是静默的。在每个个体基因组序列中还有至少与蛋白质编码序列同样多的非编码序列的变异区域。对疾病GWAS研究发现与疾病相关的SNP富集于非编码的功能元素区，绝大多数处在蛋白质编码基因范围之外。
真核基因表达调控的特点 尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。 真核基因表达调控的环节更多 如前所述：基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但真核基因转录发生在细胞核（线粒体基因的转录在线粒体内），翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。 图中标出了真核细胞在分化过程中会发生基因重排（gene rearrangement），即胚原性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。例如编码完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基因经选择、组合、变化、与恒定区基因一起构成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。这种基因重排使细胞可能利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表达调控机理。 此外，真核细胞中还会发生基因扩增（gene amplification），即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。最早发现的是蛙的成熟卵细胞在受精后的发育程中其rRNA 基因（可称为rDNA）可扩增2000倍，以后发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这很显然适合了受精卵其后迅速发育分裂要合成大量蛋白质要求有大量核糖体的需要。又如MTX （methotrexate）是叶酸的结构类似物，能竞争性抑制细胞对叶酸的还原利用，因而对细胞有毒性，但当缓慢提高MTX浓度时，一些哺乳类细胞会对含有利用叶酸所必需的二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)基因的DNA区段扩增40-400倍，使DHFR的表达量显著增加，从而提高对MTX的抗性。基因的扩增无疑能够大幅度提高基因表达产物的量，但这种调控机理至今还不清楚。 真核基因的转录与染色质的结构变化相关 真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质中DNA和组蛋白的结构状态都影响转录，至少有以下现象： 染色质结构影响基因转录细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在核内，称为常染色质（euchromatin），松散的染色质中的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后不像其他部分解旋松开，仍保持紧凑折叠的结构，在间期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质（hetrochromatin），其中从未见有基因转录表达；原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达；哺乳类雌体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质者，这条X染色体上的基因就全部失活。可见紧密的染色质结构阻止基因表达。 组蛋白的作用早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用；染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞特异性，可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录作用。 发现核小体后，进一步观察核小体结构与基因转录的关系，发现活跃进行基因转录的染色质区段常有富含赖氨酸的组蛋白（H1组蛋白）水平降低、H2A、H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化（acetylation）和泛素化（obiquitination）、以及H3组蛋白巯基等现
真核生物基因表达的调控 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、 2、 3、 4、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、无操纵子和衰减子。 大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。
生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。 从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。 c.基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。
第八章原核生物基因表达与调控 一、教学目的和要求： 掌握原核生物基因表达及调控机制 二、教学重点： １、乳糖操纵子调控机制 2、半乳糖操纵子调控机制 3、色氨酸衰减子调控机制 三、教学难点： 1、半乳糖操纵子调控机制 2、色氨酸衰减子调控机制 四、教学方法： 面授并辅以多媒体教学 五、教学内容 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质。 第一节原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA： 单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控 ?根据基因表达产物可划分： 组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境影响——组成型表达。 /适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。?一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? ?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 ?基因调控主要在三个水平上进行: ?①. DNA水平 ?②. 转录水平 ?③. 翻译水平 ?一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。
一、真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。 1. 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在 109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有10万个基因。 2. 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传 成分(如线粒体DNA等)，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。 3. 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。 4. 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元， 共同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron)的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 5. 原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中 仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。 6. 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码 的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。 7. 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组 中则存在大量重复序列(repetitive sequences)。用复性动力学等实验表明有三类重复序列：1）高度重复序列(highly repetitive sequences)，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。2）中度重复序列(moderately repetitive sequences)，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复3×105次，在人的基因组中约占7%，功能也还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围。3）单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。 从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人类对真核基因组的认识还很有限，使现在国际上制订的人基因组研究计划(human gene project)完成，绘出人全部基因的染色体定位图，测出人基因组109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系，特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要经历很长期艰巨的研究过程。 二、真核基因表达调控的特点 尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。
细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。 一、操纵元的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(见下图)。 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个 酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透催化乳(lactose permease)过酶半乳糖苷酶-糖分解第一步的β。
见下图)(β-galactosidase)( -β在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成细菌大量合成分钟后，2－3半乳糖苷酶量极少，加入乳糖半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的碳源时，菌体内的β-。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测3%半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的β-出细菌中诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。 和Jacob针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的1961于Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，学说，如下图所示。下图中年提出乳糖操纵元(lac operon)是转录是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，P、za开始的P结合而阻碍从O能与R，R编码合成调控蛋白i所需要的启动子，调控基因a、z 基因转录，所以O就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与P结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。
真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。 DNA水平的调控 DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂，删除，扩增，重排，修饰（如甲基化与去甲基化，乙酰化与去乙酰化等）和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。 转录水平的调控 转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。通过染色质改型，组蛋白乙酰化，染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用，基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件，转座元件，增强子，抑制子的调控，同时受反式作用因子包括基本转录因子，上游转录因子和转录调节因子等的调控。 转录后调控 转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑 在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。
翻译水平的调控 阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA，阻止其翻译 此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。 翻译后调控 直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。 1．蛋白质折叠 线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。 2．蛋白酶切割 末端切割 有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。 多聚蛋白质的切割 有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。
第十章作业 1. 简述真核生物基因表达调控的7个层次。 ①染色体和染色质水平上的结构变化与基因活化 ②转录水平上的调控，包括基因的开与关，转录效率的高与低 ③RNA加工水平的调控，包括对出事转录产物的特异性剪接、修饰、编辑等。 ④转录后加工产物在从细胞核向细胞质转运过程中所受到的调控 ⑤在翻译水平上的控制，即对哪一种mRNA结合核糖体进行翻译的选择以及蛋白质成量的控制 ⑥对蛋白质合成后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪接等的控制 ⑦对mRNA选择性降解的调控 2. 真核基因表达调控与原核生物相比有何异同？ 相同点：①与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也有转录水平调控和转录后水平的调控，并且也以转录水平调控为最重要； ②在真核结构基因的上游和下游(甚至内部)也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 不同点：①原核细胞的染色质是裸露的DNA，而真核细胞染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体。 ②在原核基因转录的调控中，既有激活物参与的正调控，也有阻遏物参与的负调控，二者同等重要。 ③原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，即在转录尚未完成之前翻译便已开始。 ④真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也就不一样，某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机制。 3. DNA 甲基化对基因表达的调控机制。 甲基化抑制基因转录的机制：DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白H1相结合，DNaseⅠ超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 直接影响了转录因子与启动区DNA的结合效率的结合活性，不能启始基因转录。DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了转录活性。 4. 转录因子结合DNA的结构基序（结构域）有哪几类？ ①螺旋-转折-螺旋 ②锌指结构 ③碱性-亮氨酸拉链 ④碱性-螺旋-环-螺旋 5. 真核基因转调控中有几种方式能够置换核小体？ ①占先模式：可以解释转录时染色质结构的变化。该模型认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。 ②动态模式该模型认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即转换核小体中的全部或部分成分并重新组装，这个耗能的基因活化过程称为染色质重构 6. 简述真核生物转录水平调控过程。 真核生物在转录水平的调控主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的，主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程：①转录起始复合物的形成：真核生物RNA聚合酶识别的是由通用转录因子与DNA形成的
基因表达调控 一、选择题 （一） A 型选择题 1 ．基因表达调控的最基本环节是 A ．染色质活化 B ．基因转录起始 C ．转录后的加工 D ．翻译 E ．翻译后的加工 2 ．将大肠杆菌的碳源由葡萄糖转变为乳糖时，细菌细胞内不发生 A ．乳糖→ 半乳糖 B ． cAMP 浓度升高 C ．半乳糖与阻遏蛋白结合 D ． RNA 聚合酶与启动序列结合 E ．阻遏蛋白与操纵序列结合 3 ．增强子的特点是 A ．增强子单独存在可以启动转录 B ．增强子的方向对其发挥功能有较大的影响 C ．增强子不能远离转录起始点 D ．增强子增加启动子的转录活性 E ．增强子不能位于启动子内 4 ．下列那个不属于顺式作用元件 A ． UAS B ． TATA 盒 C ． CAAT 盒 D ． Pribnow 盒 E ． GC 盒 5 ．关于铁反应元件（ IRE ）错误的是 A ．位于运铁蛋白受体 (TfR) 的 mRNA 上 B ． IRE 构成重复序列 C ．铁浓度高时 IRE 促进 TfR mRNA 降解 D ．每个 IR E 可形成柄环节构 E ． IRE 结合蛋白与 IRE 结合促进 TfR mRNA 降解 6 ．启动子是指 A ． DNA 分子中能转录的序列 B ．转录启动时 RNA 聚合酶识别与结合的 DNA 序列 C ．与阻遏蛋白结合的 DNA 序列 D ．含有转录终止信号的 DNA 序列 E ．与反式作用因子结合的 RNA 序列 7 ．关于管家基因叙述错误的是 A ．在同种生物所有个体的全生命过程中几乎所有组织细胞都表达 B ．在同种生物所有个体的几乎所有细胞中持续表达 C ．在同种生物几乎所有个体中持续表达 D ．在同种生物所有个体中持续表达、表达量一成不变 E ．在同种生物所有个体的各个生长阶段持续表达 8 ．转录调节因子是 A ．大肠杆菌的操纵子 B ． mRNA 的特殊序列 C ．一类特殊的蛋白质 D ．成群的操纵子组成的凋控网络 E ．产生阻遏蛋白的调节基因 9 ．对大多数基因来说， CpG 序列高度甲基化 A ．抑制基因转录 B ．促进基因转录 C ．与基因转录无关 D ．对基因转录影响不大 E ．既可抑制也可促进基因转录 10 ． HIV 的 Tat 蛋白的功能是 A ．促进 RNA po l Ⅱ 与 DNA 结合 B ．提高转录的频率
原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平 真核基因的表达调 控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启 动子,由sita因子决定基因表的的特异性 真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子 依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型 转录出多顺反子RNA 实现协调调节 真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平 其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子 与RNA聚合酶结合 、阻遏蛋白 负调控 、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性 不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合 可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多 在DNA水平上可以通过染色体 丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA 的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录 真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在 乳糖不存在 此时无诱导剂
原核生物基因表达调控概述 基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。 1.基因表达调控意义 在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。 2.原核基因表达调控特点 原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。 细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。 二.原核生物表达调控的概念 （1）细菌细胞对营养的适应
细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长 的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。 （2）顺式作用元件和反式作用元件 基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。RNA聚合酶是典型的反式作用因子。 顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其 自身同处于一个DNA分子上的基因；这种基因DNA序列通常不编码蛋白质， 多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。 （3）结构基因和调节基因 结构基因是编码蛋白或RNA基因。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结 构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞核组织器官基本成分的结构蛋白，有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异性DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点 结合控制转录是调控关键。 （4）操纵基因和阻遏蛋白 操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录，阻遏蛋白是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏蛋白物一起合成于操纵基因，阻遏蛋白操纵因子结构基因的转变，阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。
真核生物基因表达的调控 河南大学民生学院王磊生物技术 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。 2、无操纵子和衰减子。 3、大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 4、个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。 a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多
原核生物和真核生物基因表达调控、复制、转录、翻译特点的比较 1.相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节 ①结构基因均有调控序列； ②表达过程都具有复杂性，表现为多环节； ③表达的时空性，表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性； 2.不同点: ①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。 ②原核基因表达调控主要为负调控，真核主要为正调控。 ③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性，真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。 ④原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。 ⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。 真核生物基因表达的调控环节较多： 在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。 在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TA TA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。 在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。 在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。 真核基因调控中最重要的环节是基因转录，真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。 真核生物和原核生物复制的不同点： ①真核生物DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 ②原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。真核生物中前导链的合成并不像原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。 ③真核生物DNA的合成所需的RNA引物及后随链上合成的冈崎片段的长度比原
真核生物与原核生物基因表达调控的区别
精品文档 原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型转录出多顺反子RNA 实现协调调节真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA 聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA 的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA 复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA 运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在乳糖不存在此时无诱导剂 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
真核基因和原核基因表达调控的异同？ 真核基因表达调控的基本原理与原核基因相同，主要表现在： 1、与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也以转录水平调控为最重要； 2、在结构基因均有调控序列，并依靠特异蛋白因子与这些调控序列的结合与否调控基因的表达。 3、都要经历转录、翻译的过程。 4、表达过程都有复杂性，多环节 不同 1、真核基因表达调控过程更复杂。 2、在染色质结构上。原核细胞的DNA是裸露的，而真核细胞DNA包装在染色体中。DNA与组蛋白组成核小体形成为染色体基本单位。在原核细胞中染色质结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核细胞中染色质的变化调控基因表达，并且基因分布在不同的染色体上，存在染色体间基因的调控问题； 3、真核生物中编码蛋白质的基因通常是断裂基因，含有有非编码序列即内含子，因而转录产生的mRNA前体必须剪切加工才能成为有功能的成熟的mRNA，而不同拼接方式的可产生不同的mRNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。 4、在原核基因转录的调控中，既有正调控，也有负调控，二者同等重要，而真核细胞中虽然也有正调控成分和负调控成分，但目前已知的主要是正调控，且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能调节基因的转录； 5、原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，而真核基因的转录与翻译在时空上是分开的，从而使真核基因的表达有多种调控机制。 6、真核生物细胞中存在mRNA的稳定性调控
7、真核生物大都为多细胞生物，基因的表达随细胞内外环境条件的改变和时间程序在不同的表达水平上进行着精确调控，而原核生物主要受环境因素和营养状况影响基因调控。 8、真核生物由三种RNA聚合酶分别负责三种RNA的转录，而原核生物只有一种。
第10章真核生物基因表达的调控 本章教学要求 1.熟悉真核基因组的结构特点、真核生物在DNA水平、转录水平和翻译水平上基因表达调控的特点。 2.掌握以下概念：顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子，熟悉沉默子、基本转录因子、特异转录因子。 3.了解转录因子的结构特点。 本章教学重点和难点 1、真核生物在DNA水平和转录水平基因表达调控的特点。 2、转录因子的结构特点。 教学方法与手段 讲授与交流互动相结合，采用多媒体教学。 授课内容 10.1 真核生物基因表达调控的特点和种类 一、真核生物基因表达调控的特点 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现"预定"的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。 真核生物基因表达调控与原核的共同点： ?基因表达都有转录水平和转录后的调控，且以转录水平调控为最重要； ?在结构基因上游和下游、甚至内部存在多种调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 真核生物基因表达调控与原核的不同点： 1、真核基因表达调控的环节更多：转录与翻译间隔进行，具有多种原核生物没有的调控机制；个体发育复杂，具有调控基因特异性表达的机制。 2、真核生物活性染色体结构的变化对基因表达具有调控作用：DNA拓扑结构变化、DNA 碱基修饰变化、组蛋白变化； 3、正性调节占主导，且一个真核基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物。
真核生物的基因表达调控概述 真核生物基因在染色质活性、DNA水平、转录水平和翻译水平的表达调控特点。答：真核基因组结构具有基因组结构庞大、单顺反子、含有大量重复序列、基因不连续性、非编码区较多等特点。 （1）染色质结构水平对基因表达调控：①常染色质或异染色质；②染色质的状态（活性或阻遏），紧密结构会抑制基因表达，解凝集结构利于基因表达；③可以通过对组蛋白结构的修饰来实现，有组蛋白翻译后的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等；④DNA水平的调控包括基因丢失、扩增、重排和移位等方式。 （2）转录水平的调控：①RNA聚合酶、转录因子等反式作用因子和顺式作用元件（启动子强弱、增强子、沉默子）相互作用对基因转录的调控；②同一基因转录起始位点的不同，导致在不同组织细胞中的基因表达差异。 （3）转录后的加工：转录后加工的多样性，包括①加尾和剪接；②多个5′端转录起始位点或剪接位点；③多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式；④虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点等多种方式调控基因的表达。（4）翻译水平的调控：①翻译起始因子eIF-4F 的磷酸化激活蛋白质的合成，eIF-2α 的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平；② mRNA 结构与翻译控制：mRNA5′端m7G 帽有增强翻译水平的作用，上游AUG 密码子的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率；③起始AUG 上游序列对翻译效率的影响，如Kozak序列；④poly(A)尾增加翻译效率；⑤poly(A)尾中富含UA 序列抑制翻译。 （5）翻译后加工水平的调控：翻译的蛋白质还需要加工、修饰、折叠和分选后才具有功能。综上所述，真核生物基因表达调控是一个十分复杂的过程。
第十章真核生物基因表达调控 第一节染色质结构与基因表达 染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期，30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。分裂期结束后，染色体又转化为染色质。按照功能不同，可将染色质划分为活性染色质和非活性染色质。前者是指那些具有转录活性的染色质，而后者则用于表示缺乏转录活性的染色质。在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染色质。 一、位置效应 位置效应（position effect）是指一个基因由于在基因组的位置发生改变，而发生的表达上的变化。 二、活性染色质的特征 与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，其核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测这种变化。 三、染色质结构的调节 在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地接近DNA。由组蛋白和基因组DNA两部分组成的染色质结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，实际上起着阻遏转录的作用。基因转录需要染色质发生一系列重要的变化，如染色质去凝集，核小体变成开放式的疏松结构，使转录因子等更容易接近并结合核小体DNA。有两种方式可以显著改变DNA的易接近性：组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。 1．组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响 每种核心组蛋白包括一个～80个氨基酸残基构成的保守的区域称为组蛋白
第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控 第一节概述 机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。 在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。 1．顺式作用元件和反式作用因子 基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在 DNA上)相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。因此反式作用因子(trans-acting factor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。 顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。因此，顺式作用元件(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 2．结构基因和调节基因 为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因，有时用结构基因和调节基因的概念。结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因(regulatory gene)是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。3．启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，两者都是典型的顺式作用位点。启动子位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子能终止基因的转录。启动子和终止子是能受同一类反式作用因子识别的顺式作用元件，这一类反式作用因子就是RNA聚合酶。当然，两个位点也能各自结合一些特定的其他因子。