Chapter 9 真核基因表達調控

Chapter9真核基因表達調控9.1概述9.2DNA水平的調控9.3轉錄水平的調控9.4轉錄后水平的調控9.5翻譯水平的調控9.1概述真核生物和原核生物的基因表達調控存在巨大差別，這是由兩者的基因組的構成特點和基本生活方式的差異所決定的。9.1.1真核生物基因表達調控的特點首先，從基因組的構成來看，真核生物的基因數(shù)目遠遠比原核生物多，且大多數(shù)基因含有內含子；基因組中除了基因之外，還含有數(shù)量龐大的重復序列和單一序列，有的對基因的表達產生影響?；蚪MDNA與組蛋白包裝成核小體，直至更高級的結構，并結合很多非組蛋白。這些都對表達調控產生影響。其次，從基因表達特點來看，真核生物中，轉錄和翻譯分別在細胞核與細胞質中進行，不存在偶聯(lián)，因而不具有衰減調控機制，但是絕大多數(shù)mRNA都要經(jīng)過拼接加工才能成熟，真核細胞在這一層次存在相應的調控機制。真核細胞的mRNA的壽命一般較長，為翻譯調控提供了很大余地。所以，與原核細胞的表達調控主要發(fā)生在轉錄水平相比，真核生物基因表達的調控范圍更廣，包括DNA水平（基因拷貝數(shù)和重排）、轉錄水平、轉錄后水平（RNA的加工和運輸）、翻譯水平、翻譯后水平等，但仍以轉錄水平為最主要的調控方式。第三，從生長發(fā)育角度來看，真核生物個體發(fā)育從一個受精卵開始，經(jīng)過細胞的分裂、生長、分化產生各種類型的細胞和組織器官，是細胞中不同類別的基因表達的結果，是按照特定的“計劃”在特定的時間和特定的部位，對不同類群的基因不斷進行嚴格調控才實現(xiàn)的。這樣個體發(fā)育就呈現(xiàn)出嚴格的時空特性。而原核生物則是同一群體內，各個細胞的基因表達基本一致。第四，原核生物一般為單細胞，直接與外界環(huán)境接觸，只要養(yǎng)分充足，條件合適，就能無限生長繁殖。所以，其表達調控的主要目的，就是使細胞能夠適應環(huán)境。群體中每個細胞對環(huán)境變化的反應都是直接的、一致的。真核生物（除酵母等單細胞生物外）是多細胞組成的復雜的有機體，不同的細胞對外部環(huán)境變化的的反應不同，只有一小部分細胞的基因表達受外部環(huán)境條件的影響和控制，其他細胞的基因表達或間接受到影響，或是基本不受影響。這一特點保證了真核生物的許多重要器官或組織在千變萬化的環(huán)境下維持正常的生物功能。此外，真核生物的調控以正調控為主，原核生物的調控以負調控為主。附：真核生物與原核生物在基因組結構、轉錄、翻譯等方面存在的差異1、真核細胞的DNA與組蛋白和非組蛋白形成染色體，進少量DNA稱裸露狀態(tài)；而原核生物DNA上只有少量蛋白結合。2、高等真核生物的DNA很大一部分是不轉錄的，存在大量的重復序列，基因中有內含子存在；原核生物基本不具備這樣的特點。3、真核生物可根據(jù)生長發(fā)育等需要進行DNA的重排，還能特異地增加某些基因的拷貝數(shù)（基因擴增）；原核細胞一般不具備這樣的能力。4、原核細胞中基因的調控區(qū)一般很小，且多位于轉錄起始點的上游不遠處，往往通過直接與RNA聚合酶相互作用來影響轉錄；而真核細胞中基因的調控區(qū)域往往較大，調控因子一般通過調控區(qū)DNA構象的改變來影響RNA聚合酶與啟動子的結合。5、真核生物的轉錄和翻譯過程在空間上是分隔開的，分別在核內和胞質中進行；而原核細胞內由于沒有明顯的空間分隔，轉錄和翻譯偶聯(lián)。6、絕大多數(shù)情況下，真核生物一條成熟的mRNA只能翻譯出一條肽鏈；而原核生物mRNA中有許多是多基因的。7、真核生物的基因在轉錄和翻譯之間有一個復雜的處理有內含子的剪接過程；而原核生物則沒有。根據(jù)調控的可逆與否，真核生物的基因表達調控可以分為瞬時調控（或稱可逆調控）與發(fā)育調控（或稱不可逆調控）。前者相當于原核細胞對外部環(huán)境所做出的反應，包括底物和激素水平的變化，以及細胞周期不同階段酶活性的調節(jié)。

后者是真核細胞調控的核心內容，它決定了真核細胞生長分化發(fā)育的的過程。9.1.2真核生物基因表達調控的類型

DNA和染色體水平的調控

轉錄水平的調控轉錄后RNA加工過程和運送中的調控

翻譯水平的調控

翻譯后的控制9.1.3真核生物基因表達調控的層次Figure9.1調控環(huán)節(jié)9.1.4研究表達調控時應著重關心的問題：誘發(fā)調控的信號調控主要發(fā)生在哪一步調控的分子機制調控的結果9.1.5轉錄組、持家基因和奢侈基因轉錄組（transcriptome）是指在一種細胞、組織或生物中的全套的RNA。其復雜程度主要源于mRNA，但也包括非編碼RNA。ThetranscriptomeisthecompletesetofRNAspresentinacell,tissue,ororganism.ItscomplexityisduemostlytomRNAs,butitalsoincludesnoncodingRNAs.持家基因（housekeepinggene,constitutivegene）是指那些（理論上）在所有細胞類型都表達的基因，賦予各種細胞維持所需的基本功能。Housekeepinggenes

(Constitutivegene)arethose(theoretically)expressedinallcellsbecausetheyprovidebasicfunctionsneededforsustenanceofallcelltypes.奢侈基因（luxurygenes）是指這樣一類基因，它們的編碼產物承擔特定功能，在特定的細胞中大量合成。

Luxurygenesarethosecodingforspecializedfunctionssynthesized(usually)inlargeamountsinparticularcelltypes.由于持家基因和奢侈基因在各種細胞類型中的功能、表達范圍和表達強度不同，因此，細胞對這兩大類基因的調控途徑和機制也存在差異。個體發(fā)育過程中，表達的基因數(shù)目逐步減少。比如：海膽卵18000種mRNA囊胚階段13000種mRNA原腸胚階段8500種mRNA幼蟲階段7000種mRNA特化的管足和腸2500~3000種mRNA9.1概述9.2DNA水平的調控9.3轉錄水平的調控9.4轉錄后水平的調控9.5翻譯水平的調控9.2DNA水平的調控基因組DNA在體細胞發(fā)育過程中一般是沒有變化的，但在某些情況下，會自然地發(fā)生序列在基因組內部移動，或者被修飾、擴增甚至丟失等現(xiàn)象，導致基因表達的變化。重排和特異序列的丟失現(xiàn)象在低等真核細胞中較為常見，這類變化一般只涉及體細胞（但也有某些有機體在生殖周期涉及全部或一套染色體的丟失）。9.2.1基因丟失在細胞分化過程中，通過丟掉某些基因而除去這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物，在個體發(fā)育過程中，許多細胞常常丟失整條或部分染色體，只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套染色體。高等真核生物尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。

馬蛔蟲受精卵只有一對染色體，上面有多個著絲點。發(fā)育的早期階段，只有一個著絲點發(fā)揮作用，保證有絲分裂正常進行。發(fā)育的一定階段后，在將來分化產生體細胞的細胞中，染色體破碎，形成許多小染色體。其中有的小染色體含有著絲點，它在以后細胞分離中將保持下去；有的小染色體不含著絲點，它們因不能在細胞中正常分配而丟失。在將來形成生殖細胞的細胞中，不存在染色體破碎現(xiàn)象。9.2.2基因擴增（geneamplification）一、rDNA的擴增

基因擴增是指細胞內某些特定基因的拷貝數(shù)特異性的大量增加的現(xiàn)象，是細胞在短期內為滿足某種需要而產生足夠基因產物的一種調控手段。比較清楚地例子是兩棲類和昆蟲卵母細胞rRNA基因（rDNA）的擴增。編碼rRNA的基因成簇rDNA分布。形成核仁組織區(qū)。每個重復單位包括編碼區(qū)域和非編碼區(qū)域，而編碼區(qū)域又包括幾種rRNA的基因。Figure9.2非洲爪蟾體細胞中rDNA的拷貝數(shù)為500，而其卵母細胞通過擴增rDNA，使其拷貝數(shù)達2000000個，以轉錄大量的rRNA，滿足這一時期所需要的1012個核糖體的合成。擴增后，新形成的rDNA不是一條長鏈串聯(lián)重復序列，而是以大小不均的環(huán)狀DNA分子的形式出現(xiàn)，絕大多是環(huán)狀分子含有兩個以上的rDNA拷貝，其中的基因未必轉錄，但總的趨勢是因拷貝數(shù)的增加而使表達水平提高。并且，與基因組中rDNA各個拷貝之間的間隔區(qū)域大小不一致正好相反，同一個環(huán)狀rDNA分子的各個拷貝的間隔大小完全一致；但不同環(huán)狀rDNA分子的間隔大小個各不相同。表明同種環(huán)狀rDNA分子可能來源于基因組上的一個rDNA拷貝。一般認為，擴增時，基因組上的一個rDNA重復單位（包括轉錄區(qū)和間隔區(qū)）被切除下來，兩頭連接成環(huán)，并以之為模版，進行滾環(huán)復制。需指出的是，基因組中各個rDNA重復單位的擴增頻率并不一致，有的重復單位不擴增。卵母細胞成熟時，擴增停止，擴增的rDNA開始降解。果蠅中也存在基因擴增作用。二、二氫葉酸還原酶基因的擴增

除上述正常情況下因發(fā)育產生的基因擴增外，外界環(huán)境因素還可以引起基因擴增。

氨甲喋呤（methotrexate,mtx）是二氫葉酸還原酶（DHFR）的抑制劑，可阻止細胞中葉酸的代謝。酶的突變可以賦予細胞相應抗性，此外：

細胞還可以通過擴增來增加dhfr的數(shù)目，獲得抗性。發(fā)生擴增的頻率遠高于自發(fā)突變，達10-4-10-6。類似的擴增現(xiàn)象已在>20基因中發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)的擴增現(xiàn)象有一個共同特點：高抗性的細胞很難一步獲得，而是隨著毒性試劑的計量逐漸增高，細胞細胞逐漸適應，才能得到。所以，這類擴增可能經(jīng)過幾步才實現(xiàn)。擴增通常只發(fā)生在兩個dhfr等位基因中的一個。擴增程度的提高可使細胞的抗性進一步增高。抗性細胞中擴增出來的dhfr拷貝數(shù)的多少取決于選擇壓力和細胞株自身，從40至400不等。根據(jù)細胞對撤除選擇壓力的反應，mtxr

抗性細胞株分作兩類：

穩(wěn)定系——能夠遺傳下去，因為擴增的基因位于染色體，即發(fā)生整合。通常位于一條染色體的dhfr位置，而同源染色體仍保持單拷貝的dhfr不變。

非穩(wěn)定系——擴增的基因以染色體外形式（extrachromosomalunit）存在，不能穩(wěn)定遺傳，選擇壓力撤除后，擴增的基因至少要丟失一部分。擴增的基因以兩種方式存在：穩(wěn)定系非穩(wěn)定系Figure9.3在染色體上，基因擴增的效果是可見的。穩(wěn)定系中，dhfr基因座可通過同源染色區(qū)域看到（homogeneouslystainingregion，HSR）。非穩(wěn)定系，染色體無變化，但可見大量的稱作雙小染色體（double-minutechromosome）的染色體外成分。一般每個雙微染色體含有2-4個dhfr基因。Figure9.4Figure9.5

雙微體（doubleminute）可能是自我復制，但因缺乏著絲點，所以不能正確分配，導致在子代細胞中消失，細胞不能存活，只有那些仍保有雙微體的子代細胞才能存活。這就是這種擴增方式不能穩(wěn)定遺傳的原因。

雙微體的存在會使分裂速率降低，所以，一旦撤出選擇壓力，缺乏擴增基因的細胞就表現(xiàn)出優(yōu)勢，快速增殖，占據(jù)群體。這就解釋了為何只有在氨甲喋呤處理時，細胞才能保持基因擴增狀態(tài)。由于分離的不均勻，可能就會使某些細胞在每次分離時獲得的雙微體比平均數(shù)目要多。隨著氨甲喋呤濃度的提高，就能選擇出含有大量雙微體的細胞。這就解釋了非穩(wěn)定系細胞為何是逐步獲得抗性的，以及為何在不同的非穩(wěn)定系中，dhfr擴增數(shù)目是不一致（連續(xù)波動）的。穩(wěn)定系和非穩(wěn)定系的生成都是在長時間選擇后才獲得的，那么擴增是怎樣起始的呢？短時間的選擇后，絕大多數(shù)表現(xiàn)出抗性的細胞都是非穩(wěn)定的。形成染色體外拷貝的頻率遠多于染色體內擴增。擴增在雙微體形成或染色體發(fā)生變化前的極早期，可以觀測到擴增的基因呈染色體外很小的單位，這表明抗性的獲得主要是由于染色體外重復單位的產生。

擴增的區(qū)域要比基因本身大，dhfr基因的長度約為31kb，而染色體上同源染色區(qū)域（HSR）中重復單位的平均長度為500-1000kb。擴增的區(qū)域的范圍因每個細胞系而異，雙微體中DNA的長度約為100-1000kb。

染色體外的拷貝是怎樣產生的呢？已知其產生并不伴隨染色體上原來的拷貝丟失。有兩種可能：額外的復制可能在dhfr基因附近起始，然后是這些拷貝之間的非同源重組；或者由于等位基因之間的非同源重組。額外的拷貝再經(jīng)過某些類似重組的事件從染色體上釋放。生成的染色體外DNA分子含有一個還是幾個拷貝，取決于這些重組事件的性質。如果雙微體是環(huán)狀DNA，它們之間的任何形式的重組都很有可能產生多體分子。有一種非穩(wěn)定系，為理解永久性雙微體產生的機制提供了信息。它擴增的dhfr基因發(fā)生了突變，而原始的基因拷貝未突變，所以突變只能是在擴增過程中發(fā)生的。盡管擴增基因的數(shù)目有變化，但這一細胞系只表達突變的DHFR酶，說明染色體上的野生型基因不能連續(xù)生成大量的新的雙微體，否則就會有野生型的DHFR酶表達了。因此，一旦擴增產生染色體外基因，細胞狀態(tài)的變化就只通過這些基因而不再通過染色體上的原始拷貝介導了。當移除氨甲喋呤，細胞系以正常途徑丟失雙微體，再次暴露于氨甲喋呤，正常的基因擴增形成新的雙微體，這表明染色體外突變的拷貝沒有整合到染色體。另一個有意思的現(xiàn)象是突變細胞系的雙微體只攜帶突變的基因——所以如果每個雙微體含有一個以上的dhfr基因，則每個基因都是突變型。這表明多拷貝雙微體可能由單拷貝的染色體外基因產生。另一個主要問題是染色體上擴增的拷貝是染色體外拷貝整合生成還是通過獨立的機制生成，尚不得而知。擴增的基因所采取的形式受細胞基因型的影響，某些細胞系傾向于產生雙微體，而另一些細胞系更易表現(xiàn)出HSR構型。擴增事件的類型還與涉及的位點有關?？罐D氨甲酰酶抑制劑的擴增，可使CAD（是具有UMP合成途徑中前三個酶活性的一個蛋白）基因擴增。擴增的CAD的DNA序列總是出現(xiàn)在染色體內，以幾個擴增的區(qū)域形式存在，而且往往涉及幾個染色體。9.2.3基因重排（generearrangement）

基因重排在低等真核生物中較為常見的一種表達調控機制，但在動物中很少發(fā)生，但哺乳動物免疫系統(tǒng)可通過基因重排產生種類極多的抗體。在兩種情況下產生基因重排以調節(jié)表達：一是，通過重排產生在特定情況下所需要的新基因，比如免疫球蛋白的生成。二是通過重排使一種基因的表達轉換為另一種基因的表達。啤酒酵母（S.cerevisiae）接合型轉變就是采用了這種表達調控機制。啤酒酵母能以單倍體形式增殖，也能以二倍體形式增殖?？刂七@些活動的是酵母菌株的結合型（matingtype），接合型有a和α兩種。只有不同的接合型細胞才能接合，a/α二倍體細胞；a/α二倍體細胞能夠通過孢子生成形成單倍體細胞。一、酵母結合型轉變

接合型由位于MAT基因座的信息控制，若為MATa，就是a型，若為MATα，即為α型。不同接合型細胞之間的識別是通過信息素（pheromones，外激素）的分泌，α型分泌α-因子，a型分泌a-因子。

每種細胞表面都有相反類型的信息素的受體。當一個細胞遇到相反類型的細胞，信息素與受體結合，使細胞停滯在G1期，并發(fā)生各種形態(tài)變化。接合成功的細胞，在細胞周期停滯后，發(fā)生核融合，形成a/α二倍體細胞。Figure9.7結合是一個對稱的過程，起始于一種細胞分泌的信息素與另一種細胞受體的結合。不同接合型細胞的響應通路差異只在與受體的不同（所以只有編碼受體的那個基因是接合型特異的）。a-因子受體和α因子受體都能激活相同的反應通路（導致二倍體生成）。因而，如果對于這兩種類型的細胞進行突變，刪去共有通路上某種成分，也都導致相同的效應。通路包括一個信號轉導級聯(lián)反應，能引起相應的蛋白合成，進而引起接合所需的形態(tài)變化和基因表達。酵母接合型途徑的很多信息是從能刪去a和/或α型接合能力的突變體推演出來的，這樣鑒定出來的基因稱作STE基因（代表sterile，不育的)。STE2和STE3是接合型特異的；而其它STE的突變會使細胞都失去接合能力（表明它們不是接合型特異的，而是在兩種接合型細胞中都表達）。這印證了因子與受體相互作用以后的事件在兩種細胞中是相同的。

某些酵母菌株有顯著的轉換接合型的能力。這些菌株都有顯性的HO基因，能夠以很高的頻率——高至每代都發(fā)生一次轉換。如果菌株是ho隱性的，則接合型很穩(wěn)定，轉換頻只有~10–6。

HO的存在可使酵母群體發(fā)生轉換。無論原始的接合型怎樣，（原來單一接合型的群體）只經(jīng)過有限的幾代，兩種類型的接合型細胞都大量出現(xiàn)在群體中，導致群體以MATa/MATα二倍體為主。所以，由單倍體群體形成穩(wěn)定的二倍體群體，表明發(fā)生了接合型轉換。

接合型轉換現(xiàn)象表明每種接合型細胞都有成為MATa或MATα的潛在信息，但只表達出一種。轉換接合型的信息從何而來？轉換需要另兩個位點HMLα和HMRa：轉換成MATα型需要HMLα；轉換成MATa型需要HMRa。這些位點與MAT位于同一條讓染色體，HML在左側遠端，HMR在右側。Figure9.8顯示的是解釋接合型轉換的匣子模型（cassettemodel）。這種模型認為MAT有一個a型或α型活躍匣子；HML和HMR有沉默匣子，通常位于HML的是α型匣子，位于HMR的是a型匣子。所有匣子攜帶的信息都能決定接合型，但只有活躍匣子才能表達。Figure9.8

當活躍匣子被沉默匣子的信息取代后，發(fā)生接合型轉換，新建立起來的（活躍）匣子開始表達。

轉換不是交互的：是HML或HMR的拷貝取代MAT的等位基因。這可由下列現(xiàn)象得知：一個突變的MAT在轉換過程中被取代后，會永遠消失——不會與取代它的沉默匣子互換。如果位于HML或HMR的沉默拷貝發(fā)生突變，轉換會使突變的拷貝進入MAT基因座，這個HML或HMR處突變的拷貝還一直存在，即使發(fā)生無數(shù)次的基因轉換。就像復制型轉座那樣，供體元件在受體位點生成新拷貝，而供體元件本身仍是完好的。接合型轉換只有一個受體（MAT），而有兩個供體（HML和HMR），是一個有方向性的事件。轉換通常是由HMLα取代MATa，或

HMRa取代MATα。這種MAT等位基因由相反類型的等位基因取代占到了80-90%，這是細胞表型決定的，a型細胞總是優(yōu)先選擇HML為供體，而α型細胞總是優(yōu)先選擇HMR為供體。

有幾組基因與結合型的建立和轉換有關。除了直接決定接合型的基因，還包括抑制沉默匣子的基因、轉化接合型的基因，以及在結合過程中發(fā)揮作用的基因（比如前述的STE基因）。

比較兩個沉默匣子（HMLα和HMRa）和兩種活躍匣子（MATa和MATα）的序列，可確定那些負責接合型的序列。接合型基因位點的組織形式見Figure9.9。

每個匣子中間部分是各自特異的序列（稱作Ya和Yα），其兩側為相同的的序列，只是HMR的稍短?；钴S匣子的MAT由位于Y區(qū)域內的啟動子轉錄。Figure9.9

二、通過調控HO基因的表達對接合型轉換進行控制

HO內切酶的產生在轉錄水平進行調控，有三個獨立的調控系統(tǒng)：

HO基因表達受接合型控制。二倍體中HO基因不表達。可能是兩種MAT等位基因都表達，沒必要轉換。

HO基因只在母細胞中轉錄，在子代細胞中不能轉錄。（指細胞完成一次轉換后，下一代不能轉換，再下一代才能轉換。見Figure9.10）

HO基因轉錄還需響應細胞周期，母細胞只有在處于G1期末期時才表達HO。

HO內切酶表達的時間特異性反映了接合型轉換與酵母菌株之間的關系，如Figure9.10所示，轉換只有在分裂后才能檢測到，兩個子代細胞接合型型相同，均由親代細胞轉換而來。Figure9.10

原因是HO基因被限定在G1期表達，這就確保了接合型在MAT復制之前進行轉換，因而產生的兩個子代細胞的接合型是一致的。

幾個控制HO基因轉錄的順式位點位于這個基因上游約1500bp處?？刂频幕灸Ｊ绞遣还苷{控信號來自幾條調控通路中的哪一條，只要能抑制任何一個位點，就能夠抑制HO轉錄。Figure9.11總結了所涉及的俄有關位點的類型。Figure9.11

接合型控制類似其它的單倍體基因所受調控。在二倍體中，轉錄被a1/α2阻遏蛋白抑制，基因上游有10個阻遏蛋白結合位點，這些位點都與共有序列存在一定差異，至于哪一個和需要幾個是才能實現(xiàn)阻遏，不得而知。HO基因的轉錄調控需要多種激活和阻遏事件的相互作用。HO基因轉錄需要基因SWI1-5，其產物能夠阻止SIN1-6基因產物對HO基因轉錄的阻遏作用。SWI基因是最早在不能發(fā)生轉換的突變體中發(fā)現(xiàn)的；隨后又發(fā)現(xiàn)了具有使某些SWI突變體恢復結合能力的SIN基因。SWI-SIN的相互作用參與了控制作用，使HO基因的只特異地在單倍體母細胞表達。

某些SWI和SIN基因的（產物）作用并不知局限于控制接合型，其產物是具有普遍作用的（global）調控因子，是許多基因表達所需要的。這其中就包括含有SWI1，2，3的染色質重塑復合物SWI/SNF和染色體蛋白的SIN1-4。因此，在HO基因所在區(qū)域，“真正的”調控因子是SWI蛋白，它特異地能對抗通用抑制作用。

細胞周期對HO基因的控制由9個稱作的五核苷酸序列URS2賦予。一個這樣的共有序列能賦予與之相連的基因以細胞周期特異性控制。與之相連的基因都受到抑制，但在向G1過渡時有一個短暫時期例外。SWI4和SWI6是負責解除URS2處阻遏作用的激活因子，其活性依賴于細胞周期調節(jié)因子CDC28，CDC28使細胞進入分裂周期。

HO基因在各代交替特異地表達是由激活因子SWI5控制的（SWI5能拮抗SIN3，4的通用抑制作用）。缺失這些功能（指SWI5和SIN3，4的功能）的突變體的HO基因在子代細胞和母細胞中一樣表達。這一系統(tǒng)（指SIN3，4抑制HO表達，SWI5拮抗SIN3，4）通過位于HO基因上游遠處的URS1發(fā)揮作用。

SWI5本身不是母細胞特異的調節(jié)因子，但受Ash1p拮抗（antagonize），Ash1p是一個阻遏蛋白，在子代細胞分裂后期快結束時積累，ASH1突變導致子代細胞也能發(fā)生接合型轉換。

Ash1p的mRNA沿肌動蛋白纖絲由母細胞轉至子代芽孢（daughterbud），這決定了其定位。Ash1p阻止SWI5激活HO基因，它能夠結合在一種多拷貝的、廣泛分布于URS1和URS2中的共有序列元件。當子代細胞生長稱為母細胞，Ash1p的濃度被稀釋，HO基因就又能表達了。9.1概述9.2DNA水平的調控9.3轉錄水平的調控9.4轉錄后水平的調控9.5翻譯水平的調控9.3轉錄水平的調控9.3.1引言

高等真核生物各種細胞表型存在著差異，這主要是由編碼蛋白質的基因的表達差異引起，這些基因由RNApolII轉錄。譯自GENESX28.1;GENESIX25.1原則上，對這些基因的調控可以發(fā)生在表達的任何一步，如Figure9.12，可以明確的調控環(huán)節(jié)至少有6個：Figure9.12anddegradationTranslationofmRNA（mRNA的翻譯）Activationofgenestructure:openchromatin

（基因結構的活化:打開染色質）

Initiationoftranscriptionandelongation（轉錄起始與延伸）Processingthetranscript（轉錄本的加工）Transporttocytoplasmfromthenucleus（轉運出核）DegradationandturnoverofmRNA（mRNA的降解和周轉）

一個基因是否表達取決于局部的（啟動子處）染色質和其周圍（染色質）的結構，相應地，個別的激活事件或者是對染色質較大范圍產生影響的變化都可能引起染色質結構的調整。

大多數(shù)局部性的事件跟特定靶基因表達有關，在緊靠啟動子的周圍區(qū)域核小體的結構和組織發(fā)生變化。有許多基因有多個啟動子，使用不同的啟動子會形成不同的5’UTR，這又會影響mRNA的翻譯。更為一般性的變化會影響大范圍的區(qū)域，甚至大至整條染色體。

激活一個基因需要染色質狀態(tài)發(fā)生改變，關鍵問題是轉錄因子怎樣才能接近啟動子DNA。

染色質的局部結構是控制基因表達的integralpart?；蛞詢煞N結構狀態(tài)中的一種存在?；蛑辉谄浔磉_的細胞中處在活性狀態(tài)（“activestate”），其結構的變化（即活躍狀態(tài)的建立）早于轉錄，標志著基因是可以轉錄的（transcribable）。這表明活性結構的形成是基因表達的第一步?；钚曰颍╝ctivegene）所處的常染色質區(qū)域對核酸酶敏感，而且，基因在被激活之前，其啟動子處形成超敏感位點（hypersensitivesites）。

轉錄起始和染色質結構之間聯(lián)系密切而持續(xù)。負責基因轉錄的一些激活因子直接修飾組蛋白，特別是組蛋白的乙酰化跟基因活化相關。與此相反，某些阻遏蛋白通過使組蛋白去乙?；瘉硪种妻D錄。所以，基因表達調控需要啟動子附近組蛋白結構發(fā)生可逆的變化，這些變化會對八聚體結合DNA形成影響，控制核小體在特定位點的出現(xiàn)及其結構。這是基因借以維持活性或非活性狀態(tài)的機制的一個重要方面。染色質上的區(qū)域維持非活性（沉默）狀態(tài)的機制與阻遏具體啟動子的方式相似。參與異染色質形成的蛋白也是通過組蛋白來來作用于染色質，對組蛋白的修飾是這種相互作用的重要特征。這種變化一旦建立起來，就能在細胞分裂過程保持下去，形成表觀狀態(tài)（epigeneticstate），在這種狀態(tài)下，基因的特性由染色質自我永久化（self-perpetuating）的結構決定。

Epigenetic這一名字實際上反映了基因具有可遺傳的狀態(tài)（inheritedcondition）（活性或非活性的），而這樣的狀態(tài)是不依賴基因自身序列的。

一旦轉錄起始，在延伸階段進行調節(jié)的可能性一般不大，細菌中的弱化作用在真核生物中是不存在的，因為核膜把染色質與細胞質分開了。但對轉錄延伸確實存在控制，初級轉錄本要發(fā)生修飾，5’端加帽，3’端一般也要加尾。許多基因具有多個終止位點，產生不同的3’UTR，改變mRNA的功能和行為。斷裂基因初級轉錄本中的內含子必須去除，成熟RNA必須轉運出核。通過在核內RNA水平加工所進行的基因表達調控可能發(fā)生其中任何一個階段，但目前最清楚的是拼接的變化，有些基因通過選擇性拼接模式表達，這一步調節(jié)可控制蛋白產物的類型。

mRNA在胞質中的翻譯可能受到特異的控制，mRNA的周轉率（turnoverrate）也是這樣。成年體細胞中，翻譯水平的控制并不多見，但有些胚胎階段會有這一調節(jié)機制。這種機制涉及mRNA在特異位點的定位，以決定能否由特異蛋白因子起始翻譯。不同的mRNA具有不同的半衰期（half-life），半衰期由其上的特異序列元件決定。

基因轉錄的組織特異性調控是真核生物分化（differentiation）的核心，這類調控對代謝和分解代謝途徑的控制也非常重要。一個調節(jié)性的轉錄因子可以為許多基因的轉錄提供通用的控制手段，關于這種調控模式，有兩個問題需回答：轉錄因子怎樣確定（識別）它的那組靶基因？轉錄因子本身的活性是怎樣根據(jù)內、外信號進行調節(jié)的？主要概念激活因子決定轉錄的頻率。激活因子通過與基礎轉錄因子形成蛋白-蛋白相互作用來行使功能。激活因子可通過輔助激活因子來行使功能。有多種不同的方式調節(jié)激活因子。9.3.2激活因子和阻遏蛋白的作用機制譯自GENESX28.2；GENESIX25.8轉錄裝置的某些成分是通過改變染色質結構發(fā)揮作用的。阻遏是通過影響染色質結構或通過結合、掩蓋激活因子實現(xiàn)的。轉錄起始需要許多的蛋白-蛋白相互作用，這種相互作用發(fā)生在結合于增強子的轉錄因子與啟動子上組裝的基礎轉錄裝置（basalapparatus）之間。這些轉錄因子可以分為功能相反的兩類：正性激活因子和負性阻遏蛋白（positiveactivatorsandnegativerepressors）。在上一章中介紹的細菌（基因表達的）正控制需要一個調節(jié)因子幫助RNA聚合酶由封閉復合物過渡到開放復合物。像E.coli中的轉錄因子CRP一般結合在啟動子附近，與RNA聚合酶α亞基的CTD形成接觸。通常，基因的啟動子較差時會需要這種作用，激活因子幫助RNA聚合酶打開啟動子。真核生物中的正控制與此顯著不同，根據(jù)作用方式，可以把（真核生物中的）激活因子分為三類：第一類是真正的激活因子（trueactivator），這類激活因子是典型的轉錄因子，它們與啟動子上的基礎轉錄裝置直接接觸或通過輔助激活因子間接接觸。（除了基礎轉錄因子，其它因子不直接接觸聚合酶）真正激活因子的活性可由下述方式中某一種調控，如Figure9.13所示。有些因子是組成型的，只在特定的細胞類型中表達。調節(jié)發(fā)育的因子是這一類代表，比如同源[異型]域蛋白（homeodomainprotein）。PAPAOnOnTisuueAPPOffOffTisuueBFigure9.13aA正性轉錄因子有些因子的活性直接受修飾作用控制。比如，HSF（heatshocktranscriptionfactor）磷酸化后轉變?yōu)榛钚孕问?。APAOnFigure9.13bPIPI非活性形式的正性轉錄因子有些因子結合配體以后被激活或失活。這一類主要是一些類固醇激素受體（steroidreceptor，甾體激素受體）。結合配體后能影響因子的定位（從細胞質轉至細胞核），并能決定其DNA結合能力。APAOnFigure9.13cHIH+hormoneAPAOnFigure9.13d因子的可用性（availability,有效性）可以變化。比如NF-κB（能激活B淋巴細胞中的免疫球蛋白κ的基因）在許多種類的細胞中都存在，但被I-κB抑制。在B淋巴細胞中，NF-κB與I-κB解離，進入核內激活轉錄。RA細胞質細胞核有些二聚體形式的因子采用可變的配偶體（partner）控制活性。當與一種配偶體結合時，因子無活性；與另一種配偶體結合時，表現(xiàn)出活性。若一個因子與各種可變配偶體與結合，便可被放大上述效應，形成調控網(wǎng)絡（往往發(fā)生在HLH因子之間）。APOnFigure9.13eCACABCC有些活性因子是從非活性前體上切下而形成的。比如，某個因子是作為一個核膜和內質網(wǎng)結合蛋白合成的，缺乏固醇（sterol）如膽固醇（cholesterol）時，會導致胞質中的結構域被切除，從而轉運至核，作為激活因子發(fā)揮作用。APOnFigure9.13fARARR調節(jié)蛋白第二類激活因子是抗阻遏因子（antirepresssors）。當一個這樣的激活因子結合增強子時，會招募組蛋白修飾酶類和/或染色質重塑復合物，把染色質從封閉狀態(tài)轉變?yōu)殚_放狀態(tài)。這類因子對DNA模版沒有作用，只能在染色質模版上發(fā)揮功能。第三類激活因子是結構性蛋白（architecturalpeoteins），比如Yin-Yang。這類因子的作用是彎曲DNA。有的彎曲會把DNA上結合的蛋白拉近，有助于形成協(xié)作性的復合物；而有的彎曲會阻止復合物形成。一段DNA能沿AAAAROrAAFigure9.14兩個方向彎曲，這取決于調節(jié)因子是結合在頂部還是底部。這相當于半圈螺旋（約5個堿基）所形成的差別。在討論細菌基因表達調控時已介紹過負調控，比如乳糖操縱子和色氨酸操縱子。細菌中，有的阻遏蛋白是通過阻止聚合酶把封閉復合物轉換為開放復合物，如乳糖操縱子；有的則是結合啟動子序列以阻止RNA聚合酶結合的結合，如色氨酸操縱子。而在真核生物中，阻遏蛋白的作用機制則有多種，如Figure9.15所示。一種機制是阻遏蛋白屏蔽胞質中的激活因子。真核細胞的蛋白在胞質中合成，在細胞核中行使功能的蛋白具有一個指導其跨越核膜的結構域，有的阻遏蛋白能夠結合（某些激活因子的）這個結構域，從而屏蔽它。APAOnFigure9.15a細胞質細胞核AR上述機制還有一些變化形式。比如在核內，阻遏蛋白結合已經(jīng)結合在增強子上的激活因子，屏蔽激活因子的激活結構域，阻止其發(fā)揮作用。PAOffFigure9.15bR或者，有的阻遏蛋白在胞質中是被屏蔽的，但進入核內后釋放，從而抑制激活因子。PAOnFigure9.15c細胞質細胞核RXPAOffR第四種機制是（與激活因子）直接競爭增強子，這種情況下，阻遏蛋白與激活因子的結合位點相同或是有部分重疊。這是一種非常靈活的（versatile）機制，因為有兩個變量在發(fā)揮作用：因子結合DNA的強度與因子的濃度，因子的濃度稍有變化，細胞的發(fā)育途徑就能急劇改變。PAOnFigure9.15dPAOffRAAAARRRRR能夠招募組蛋白修飾酶類和染色質重塑復合物的轉錄因子有與之相應的阻遏蛋白，這些阻遏蛋白招募復合物，消除組蛋白修飾和重塑。結構性蛋白也是如此，同樣的蛋白結合在不同位點，阻止激活因子復合物的形成。Thetranscriptionfactorsthatrecruitthehistonemodifiersandchromatinremodelershavetheircounterpartsasrepressorsthatrecruitthecomplexesthatundothemodificationsandremodeling.Thesameistrueforthearchitecturalproteins,where,infact,thesameproteinboundtodifferentsitepreventsactivatorcomplexesfromforming.9.3.3結合DNA和激活轉錄分別由獨立的結構域負責譯自GENESX28.3;GENESIX25.3主要概念激活因子的DNA結合活性與激活轉錄能力分別由獨立的結構域承擔。DNA結合域的作用就是把轉錄激活域帶到啟動子附近。對激活因子這一類轉錄因子的了解已經(jīng)比較透徹。激活因子需要其蛋白結構域具備多種功能：識別對特定基因進行調控的增強子中的靶序列；結合DNA后，激活因子通過結合轉錄裝置的組分來行使功能。許多激活因子還需要二聚化結構域，與其它蛋白形成復合物。

通常激活因子具有結構上一個獨立的DNA結合域和一個獨立的轉錄激活結構域，分別單獨行使功能。這些結構域都是作為單獨的構件獨立地發(fā)揮作用，這可通過與其它激活因子的有關結構域組成融合蛋白仍具有功能鑒定出來。不管DNA結合域的確切定位和方向是什么樣的，全部轉錄復合物的幾何形狀必須能夠使激活結構域與基本轉錄機器接觸（直接或間接）。關鍵在于DNA結合域和轉錄激活域是獨立的，其間的連接方式確保不管DNA結合域的取向和準確位置如何，轉錄激活域都能與基本裝置相互作用。Figure9.16靠近啟動子的增強子中的元件可能會距轉錄起點仍相當遠，并且可能有兩種取向。遠離啟動子的增強子也表現(xiàn)出取向的獨立性。這樣的結構就意味著DNA可以彎曲（looped）或以某種方式壓縮，以便形成轉錄復合物。而激活因子的結構域之間可通過靈活的方式連接，如圖所示。激活作用是否依賴特定的DNA結合域呢？通過構建雜合蛋白（一種因子的DNA結合域跟另一種因子的激活域形成的融合蛋白）回答了這個問題，如右圖所示。Figure9.17激活轉錄通常需要激活因子結合DNA，但有些激活因子沒有DNA結合域，它們通過蛋白-蛋白二聚化來行使功能。酵母的激活因子GAL4的DNA結合域識別靶基因的UAS，激活結構域刺激轉錄起始。細菌阻遏蛋白LexA的N-端是DNA結合域，識別特異的操作子。通過交換（swap）的方法，以LexA的DNA結合域取代GAL4的DNA結合域，生成的雜合蛋白能夠激活含有的LexA操作子的靶基因，而不再能激活含有UAS的靶基因。

這一結果符合轉錄因子組件構成的觀點。DNA結合域將蛋白因子帶到正確位置，無論準確性如何、結合位置在哪兒，只要結合了，激活域就發(fā)揮作用。此外，前述雜合蛋白中這兩種組件發(fā)揮作用的能力表明每個結構域是單獨折疊成活性結構，不受蛋白其余部分的影響。

HIV中的tat蛋白沒有DNA結合域，但具有刺激轉錄起始的能力，這進一步證實激活因子具有獨立的DNA結合域和轉錄激活域的觀點。tat蛋白結合在RNA產物的一個有二級結構的區(qū)域，這一部分稱作tar序列。tat-tar相互作用刺激轉錄的模式如Figure9.18所示。Figure9.18TheactivatingdomainofthetatproteinofHIVcanstimulatetranscriptionifitistetheredinthevicinitybybindingtotheRNAproductofapreviousroundoftranscription.Activationisindependentofthemeansoftethering,asshownbythesubstitutionofaDNA-bindingdomainfortheRNA-bindingdomain.tar序列緊靠轉錄起點，所以當tat結合tar時，就位于轉錄起始復合物附近，這足以使tat的轉錄激活域充分靠近起始復合物。tat作用于復合物中的一個或幾個轉錄因子，方式與激活因子相同（當然，必須在沒有tat的情況下轉錄出第一個轉錄本，以便為后續(xù)轉錄提供tar位點。）若采用一個DNA結合域取代tat蛋白中負責結合tar的氨基酸序列，與tat的激活域形成雜合蛋白，該蛋白可以識別含有相應靶位點的啟動子，激活轉錄。這說明，DNA結合域（在此例中是RNA結合域）提供一個“拴住”（tethering）的功能，使激活結構域處于起始復合物附近。這種“拴住”的觀念實際上是一個特例，反映的更為普遍概念的是啟動子附近要有高濃度的轉錄因子，才能起始轉錄。這可以通過激活因子結合在增強子甚至RNA產物來實現(xiàn)。所有這些情況的基本要求就是DNA和蛋白正確的空間排布要有靈活性。結構域的獨立性在轉錄因子中很普遍，可以這樣理解DNA結合域的功能，它把激活域帶到了轉錄起始位點附近。這也就解釋了為什么激活因子的結合位點在不同增強子中的定位是可變的。DNA結合域（DNAbindingdomain），多由60-100個氨基酸殘基組成的幾個亞區(qū)組成。轉錄激活域（activatingdomain），常由30-100氨基酸殘基組成，這結構域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，以酸性結構域最多見。連接區(qū)，即連接上兩個結構域的部分。Keyconcepts所有激活因子的特異性，即它作用于哪個（哪些）啟動子或增強子，都取決于其DNA結合域。DNA結合域負責將轉錄激活域定位在基本轉錄裝置附近。9.3.4激活因子與基礎轉錄裝置相互作用譯自GENESX28.5;GENESIX25.5能直接發(fā)揮作用的激活因子具有DNA結合域和轉錄激活域。沒有激活域的激活因子可以通過結合具有激活域的輔助激活因子行使功能?；狙b置中的某些因子是激活因子或輔助激活因子的作用靶點。全酶復合物中RNA聚合酶可以與不同組別的轉錄因子聯(lián)合作用（RNApolymerasemaybeassociatedwithvariousalternativesetsoftranscriptionfactorsintheformofaholoenzymecomplex）。具有DNA結合域和轉錄激活域的真正激活因子（trueactivator）能直接發(fā)揮作用（Figure9.16）。有些情況下，激活因子本身沒有轉錄激活域（或激活域很弱），但能結合另一種具有轉錄激活域的蛋白因子——輔助激活因子，如Figure9.19所示。這樣，輔助激活因子就可以視為是一個激活因子，但是其特異性是源于它能與結合DNA的激活因子結合，而不是直接結合DNA。特定的激活因子可能需要特定的輔助激活因子。Figure9.19盡管上述作用方式中蛋白成分的組織方式有所差異，但機制是一致的。直接作用于基礎轉錄裝置的激活因子具有DNA結合域和與之共價連接的轉錄激活域；而通過輔助激活因子發(fā)揮作用的激活因子，這兩種因子之間是非共價結合。不管這些結構域是處在同一個蛋白分子還是分別位于兩個蛋白分子，負責激活轉錄的相互作用是相同的。此外，許多輔助激活因子還具有其它的酶活性，比如修飾染色質結構的活性。

轉錄激活域通過與通用轉錄因子（基礎轉錄因子）形成蛋白-蛋白相互作用，促進基礎轉錄裝置的組裝。涉及的因子可能是各種基礎因子中的任何一種，但通常是TFIID、TFIIB或TFIIA等參與基本轉錄裝置初期組裝的因子。Figure9.20

TFIID是激活因子最常用的靶點，其中的任何TAF都有可能參與作用。實際上，各種TAF的主要作用就是連接激活因子和基礎轉錄裝置。這樣就可以理解為何TBP單獨就能支持基礎水平的轉錄，但激活因子刺激的高水平轉錄需要TAFs。TFIID中不同的TAF可以為不同的激活因子提供結合界面。某些激活因子只與一種TAF作用，有的可與多種TAF作用。它們之間的作用有助于TFIID結合TATAbox，或有助于其它基礎裝置成分結合TFIID-TATAbox復合物，或控制CTD的磷酸化；不管那種情況，相互作用都穩(wěn)定了基本轉錄復合物，加速了起始過程，因而增強了啟動子的使用效率。酵母的激活因子Gal4和其它激活因子的激活域都有多個負電荷，因而稱作酸性激活因子（acidicactivator）。單純皰疹病毒的VP16也屬于這一類因子（VP16沒有DNA結合域，需通過中間蛋白作用才能與基本裝置作用。）鑒定酸性激活因子功能的實驗常用VP16激活域與被鑒定因子的DNA結合域構成融合蛋白。

酸性激活因子能夠增強TFIIB組裝進基礎起始復合物的能力。以腺病毒啟動子進行的體外實驗顯示，Gal4或VP16能夠刺激TFIIB結合基礎起始復合物，VP16能直接結合TFIIB。所以在這個啟動子上，TFIIB組裝進基本起始復合物是一個限速步驟，可以被酸性激活因子促進。RNApolII啟動子對于調控元件重排有抵御（回彈，resilience）能力，甚至漠視（indifference）某些元件的存在，表明激活啟動子的事件在本質上是相對一致的。當其激活域被帶到基本裝置一定范圍內，任何激活因子都能刺激裝置的形成。使用由不同來源的元件重組成新的啟動子進行實驗，充分說明了啟動子的多樣性（versatility）。比如，把酵母的UASG元件插入到高等真核生物基因附近，在哺乳動物培養(yǎng)細胞中，這個基因可以被Gal4激活。不管Gal4是以何種方式激活啟動子的，這種方式在酵母和高等真核生物之間是保守的。Gal4肯定識別了哺乳動物轉錄裝置上某些特征，這些特征在酵母的相應組分類似。激活因子是怎樣刺激轉錄的？可以想象得出，激活因子激活轉錄有兩大類模型：

招募模型認為激活因子唯一的作用就是增強RNA聚合酶結合啟動子。另一模型認為激活因子誘導轉錄復合物發(fā)生某些變化，比如激酶等酶的構象改變，從而提高轉錄效率。在酵母中檢測這兩種模型，表明招募模型能夠解釋激活現(xiàn)象。當RNA聚合酶濃度足夠高時，激活因子不再展現(xiàn)激活效應，表明其唯一效應就是提高RNA聚合酶在啟動子處的有效濃度。某些激活因子、輔助激活因子和基本因子是在啟動子上逐步組裝的，然后，由另一些激活因子、輔助激活因子與聚合酶提前組裝成一個很大的復合物才能添加進來，如右圖。有效轉錄所需要的各種成分（基本因子、聚合酶、激活因子和輔助激活因子）加在一起，是一個很大的裝置，包括40多種蛋白。這樣大的一個裝置是一步一步地組裝在啟動子上的嗎？Figure9.21已發(fā)現(xiàn)了幾種形式的RNA聚合酶，分別于各種轉錄因子結合。最顯著的是酵母的“全酶復合物”（holoenzymecomplex，不需其它成分，就能起始轉錄），包括RNA聚合酶和一個稱作Mediator（介導因子）的由20個亞基構成的復合物。編碼Mediator某些成分的基因突變后會阻止轉錄，比如SRB基因。Mediator這個名字表明它能夠介導激活因子效應。酵母大多數(shù)基因的轉錄都需要Mediator。多細胞真核生物大多數(shù)基因的轉錄也是如此，需要Mediator的同源復合物。當與RNApolII的CTD相互作用時，Mediator的構象發(fā)生變化。它可以將上游成分的激活或阻遏效應傳遞至聚合酶?？赡茉诰酆厦搁_始延伸時，Mediator釋放。

有些轉錄因子通過直接作用于聚合酶或基本裝置影響轉錄，有些則是通過控制染色質結構來發(fā)揮作用。激活因子一般都采用模塊結構，具有不同的結構域，分別負責結合DNA和激活轉錄。根據(jù)DNA結合域的類型，因子可分為幾種類型：一般說來，負責結合DNA的是其中一個相對較短的模體（motif，基序）：9.3.5激活因子的各種DNA結合結構域譯自GENESX28.6;GENESIX25.8Figure9.22鋅指結構（zincfinger）是DNA結合域中的一種模體。最早是在TFIIIA（為RNApolIII轉錄5SrRNA所需）中發(fā)現(xiàn)的。單個鋅指的共有序列是：

Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His之所以稱為鋅指，是由于約23個氨基酸形成環(huán)狀結構（loop），從鋅結合位點伸出，這種形式的鋅指稱作Cys2/His2型的。鋅離子被束縛在保守Cys和His殘基構成的四面體結構中。這種模體在許多其它轉錄因子（及推測是轉錄因子的蛋白）中都有發(fā)現(xiàn)。這樣的蛋白中通常含有多個鋅指，如圖所示。有些鋅指蛋白能夠結合DNA。

類固醇激素受體（steroidreceptor，甾體激素受體）以及一些其它蛋白具有不同于Cys2/His2型的另一種鋅指，其結構基于一段結合鋅離子的共有序列：

Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys。

這一種鋅指序列稱作稱作Cys2/Cys2。是根據(jù)功能關系界定的一組受體：每種受體都是結合特定類固醇分子后被激活，比如糖皮質激素結合糖皮質激素受體（glucocorticoidreceptor）。糖皮質激素受體與其它受體如甲狀腺激素受體（thyroidhormonereceptor）和視黃酸受體（thyroidhormonereceptor），都是由配體活化的激活因子（ligand-activatedactivators）超家族的成員，其基本活化方式一致：只有在結合小分子配體后才有活性，如圖所示。Figure9.23類固醇激素受體第一根“手指”右側的氨基酸（紫色）識別結合位點，第二個“手指”左側的氨基酸（藍色）控制每個二聚體亞基識別靶點的間距。類固醇激素受體以同型或異型二聚體形式結合DNA，其結合序列是回文結構（倒轉重復）或正向重復，其中每個單體結合半個位點（ahalf-site）。

螺旋-轉角-螺旋（helix-turn-helix,HTH）模體最初是在噬菌體阻遏蛋白的DNA結合域中發(fā)現(xiàn)的。C端一個α-helix是識別螺旋（recognitionhelix），位于DNA大溝；中間的螺旋以一定角度跨過DNA；N端臂位于DNA小溝，并形成額外的接觸。Figure9.24在同源結構域存在相關的模體。同源[異型]域（homeodomain，HD）最早在果蠅中與發(fā)育調控有關的幾種蛋白中發(fā)現(xiàn)，這些蛋白由homeobox基因編碼，在人類中由Hox基因編碼。有的同源異型蛋白是激活因子，有的是阻遏蛋白。HLH模體能夠使蛋白二聚化成同型或異性二聚體，靠近該模體的是一個堿性（basic）區(qū)域，負責結合DNA，（這類蛋白呈bHLH蛋白）如圖所示。兩親性的螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix,HLH）模體存在于某些發(fā)育調控因子和真核DNA結合蛋白中。每個兩親性螺旋（amphipathichelix）都是一面是疏水殘基，另一面是帶電荷的殘基。連接兩螺旋的環(huán)的長度約為12-28個氨基酸。Figure9.25并非所有HLH蛋白都有DNA結合域，其序列特異性非常依賴配偶體，在發(fā)育過程中，可通過更換配偶體形成另外的組合（進而展現(xiàn)出不同的活性）。氨酸拉鏈能夠相互作用，形成二聚體，拉鏈二聚化遵循一定規(guī)則。與拉鏈緊鄰的是一段帶有正電荷殘基的序列，負責結合DNA，這稱作bZIP（basiczipper）。亮氨酸拉鏈（leucinezippers），由一段兩親性α螺旋構成，其中每第7個殘基的位置是一個亮氨酸（withaleucineresidueineveryseventhposition）。疏水基團包括亮氨酸朝向一面，帶電基團朝向另一面。兩條多肽中的亮Figure9.269.3.6染色質重塑是一個活化過程關于DNA的表達狀態(tài)是怎樣轉換的，兩種模型進行解釋：平衡和不連續(xù)的狀態(tài)轉換。摘譯自GENESIX30.2&3,29.11;GENESX28.7,10.10下圖是平衡模型。相關的因素只有一個，即阻遏蛋白或激活因子的濃度，由它驅動游離狀態(tài)與結合狀態(tài)的DNA之間的平衡。當?shù)鞍诐舛茸銐蚋邥r，DNA結合狀態(tài)占優(yōu)勢，表達狀態(tài)受到相應影響。Figure9.27平衡模型能解釋細菌的表達調控，因為其基因表達與否只由某個阻遏蛋白和某些激活因子決定。通過各種調節(jié)因子的總濃度可以預測細菌的某個基因是否轉錄，只要改變濃度就能相應地改變表達狀態(tài)。大多數(shù)情況下，蛋白的結合是相互協(xié)調的，所以一旦濃度足夠高，就會快速結合DNA，導致基因表達狀態(tài)的轉換。真核生物染色體所處的情況就不同了，早期的體外實驗顯示活性和非活性狀態(tài)都能建立，但都不受后續(xù)添加的成分的影響。TFIIIA（轉錄5SrRNA所需）在體外不能激活與組蛋白結合的靶基因；但在游離的DNA上，TFIIIA能形成轉錄復合物，即使再加入組蛋白也不能抑制基因的表達。一旦因子結合，它就保持在結合位點，允許RNA聚合酶分子起始轉錄。那么，是這一因子還是組蛋白結合控制位點就成了關鍵因素。右圖說明的是真核生物啟動子可能出現(xiàn)的兩種狀態(tài)。非活性狀態(tài)下，有核小體存在，核小體阻止基礎因子和聚合酶結合活性狀態(tài)下，基礎轉錄裝置占據(jù)啟動子，組蛋白八聚體不能結合。

每種狀態(tài)都是穩(wěn)定的。為結合基本因子，染色質結構必須改變。Figure9.28

類似的情景也見于TFIID之于RNApolII使用的啟動子。在體外，RNApolII在TFIID等轉錄因子的幫助下，可轉錄一個含有腺病毒啟動子的質粒。通過添加組蛋白，可使模版形成核小體結構，若在TFIID之前添加組蛋白，就不能起始轉錄了。但若先添加TFIID，模版在染色質狀態(tài)仍能轉錄。所以，TFIID可以識別游離的DNA，但不能識別或作用于核小體DNA。只有TFIID是必須在組蛋白之前添加，其它的轉錄因子和RNA聚合酶可以在組蛋白之后添加。這表明TFIID結合啟動子，形成了一種結構，供其它轉錄因子結合。

必須注意到體外系統(tǒng)使用的各種成分并不成比例，形成一種非自然的狀況。所以上述結果的重要意義不在于它們表明了體內的機制，而在于它證明了這樣的基本原理：轉錄因子或核小體可以形成穩(wěn)定結構，僅僅通過改變與游離成分之間的平衡，無法改變這種結構。

染色質狀態(tài)是穩(wěn)定的，難以通過調整轉錄因子和組蛋白之間的平衡來改變。RNA聚合酶（500kD）比核小體（300kD）大許多，很難想象它沿核小體表面的DNA鏈行進。電鏡觀察處于轉錄狀態(tài)的不同基因，有時結果明顯矛盾，下面是兩種極端情況的比較。

高度活躍轉錄的rRNA基因上基本沒有核小體結構，DNA完全伸展。Figure9.29

但有的時候正在轉錄的基因上仍然有核小體結構。Figure9.30AnSV40minichromosome（微型染色體）canbetranscribed.對染色體進行消化，檢測某些特異的基因，發(fā)現(xiàn)正在轉錄的基因與被轉錄的基因的核小體密度一樣。所以基因為了轉錄不必完全改變其組織形式。但處于普通轉錄水平的基因往往在任一時刻只有一個RNA聚合酶在用，所以上述結論不能反映聚合酶所處位點的實際情況?？赡苓@個位點還保有核小體，更可能核小體在聚合酶通過是暫時被取代，隨后立即重新形成。體外實驗，T7噬菌體轉錄一段含有一個八聚體的一段DNA。轉錄過后，八聚體出現(xiàn)在DNA上另一個位置。Figure9.31

染色質重塑（Chromatinremodeling）是指要轉錄的基因進行活化時，發(fā)生的能量依賴的核小體的置換或重構。

Chromatinremodelingdescribestheenergy-dependentdisplacementorreorganizationofnucleosomesthatoccursinconjunctionwithactivationofgenesfortranscription.

染色質重塑是誘導染色質結構發(fā)生改變的普遍過程，是一種依賴能量的組蛋白取代機制。從染色質上釋放組蛋白需要打破許多的蛋白-蛋白、蛋白-DNA相互接觸，所以必須有能量輸入。右圖是一個水解ATP的因子發(fā)揮作用的動力學模型，當八聚體從DNA上釋放，其它的蛋白（在此為轉錄因子和RNA聚合酶）結合上來。Figure9.32染色質重塑時有幾種不同的類型：組蛋白八聚體沿DNA滑動，從而改變核酸與蛋白的關系。這改變核小體表面上特異序列的位置。組蛋白八聚體之間的間隔可能會改變，同樣導致特異序列的位置（相對于蛋白）發(fā)生變化。

最為廣泛的變化是一個或多個八聚體可能整個從DNA上被取代，形成一段無核小體的序列；或者是一個或兩個H2A-H2B二聚體被取代。從DNA上取代核小體核小體沿DNA滑動調整核小體之間的距離染色質重塑的類型Figure9.33

染色質重塑的主要作用在基因準備轉錄時，改變其啟動子處的核小體組織形式，這是轉錄裝置接近啟動子所需要的。

染色質重塑還能通過核小體移至（而不是移開）關鍵啟動子序列處，這樣，轉錄被阻止。

其它過程比如損傷DNA的修復也涉及染色質處理，同樣也需要重塑。普遍的重塑方式就是取代一個或多個八聚體，這會形成對DNaseI超敏感的位點（因為這些位點失去了組蛋白的保護）。（這些位點同樣也對微球菌核酸酶（MNase）敏感，與重塑前相比，MNase酶切能產生的ladder的模式會發(fā)生改變）

有時重塑的變化不那么劇烈，比如只涉及單個核小體纏繞位置的變化，這可通過檢測DNaseI酶切生成的10bpladder的變化情況來判斷。所以重塑時染色質結構的變化有核小體位置輕微改變或被完全移除等形式。染色質重塑是在一個很大的依賴ATP的重塑復合物的作用下完成的，它利用水解ATP產生的能量進行重塑，這個復合物的核心是ATPase亞基。

所有重塑復合物的ATPase亞基都屬于一個超家族。這些超家族成員又進一步分為亞家族（subfamily），其中的成員親緣關系更近。根據(jù)作為催化亞基的ATPase亞基所屬的亞家族把重塑復合物分成幾類（含有相關ATPase亞基的復合物屬于一類，其它亞基往往比較一致）。重塑復合物有許多亞家族，主要的有四種SWI/SNF、ISWI、CHD和INO/SWRI，如下圖所示。Figure9.34a,ISWIbINO/SWRICHDCHD1JMIZNuRDMi-2Tip60研究發(fā)現(xiàn)的第一個重塑復合物是酵母中的（switch/sniff），在所有真核生物中都有其同源物。重塑復合物超家族很大而且種類多樣，大多數(shù)生物的重塑復合物都不止一類。酵母還有兩個SWI/SNF相關的和三個ISW（ISWstandsforimitationSWI）相關的重塑復合物。目前，在哺乳動物中已鑒定出八種ISWI復合物。各類重塑復合物大小不等，小至異形二聚體（ATPase和一個配偶體），大至10個或更多亞基。

各種類型的復合物在不同范圍行使重塑活性。SWI/SNF重塑復合物的原型（prototypicremodelingcomplex），其功能是通過酵母突變體確定的（swi突變體不能發(fā)生接合型轉換，snf代表sucrosenonfermenting，不能利用蔗糖作為碳源）。SWI/SNF突變體的表型變化表現(xiàn)出多效性，其效應類似于RNApolII失去CTD尾巴。開始認為SWI/SNF與染色質有關，是由于（其突變表型）與編碼染色體非組蛋白的SIN1或編碼H3的SIN2發(fā)生突變后的表型相關。SWI/SNF是多種基因表達所需的（啤酒酵母中~120或2%基因），這些基因需要SWI/SNF在啟動子重塑染色質。在體外，SWI/SNF能夠行使催化功能；每個酵母細胞中含有~150個SWI/SNF。所有編碼SWI/SNF亞基的基因都不是必不可少的，表明酵母還有重塑染色質的其它手段。RSC（remodlesthestructureofchromatin）復合物表達量更豐富，且必不可少，它能作用于約700個基因。不同亞家族的重塑復合物作用模式不同。在體外實驗中，SWI/SNF復合物能在不完全除去組蛋白的情況下重塑染色質，也能取代八聚體。這兩種反應可能都經(jīng)過相同的中間狀態(tài)——涉及的核小體結構發(fā)生變化——導致重構的核小體在原來的DNA分子上重新形成，或取代八聚體使進入其它DNA分子。