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第六章：真核生物基因表达调控

6.1 真核基因调控概述

与原核生物的差异

特征	原核生物	真核生物
转录翻译	偶联	分隔（核膜）
基因组织	操纵子	单基因
染色质	无	有核小体
主要调控点	转录	多水平
RNA加工	无	复杂（加帽、加尾、剪接）

调控层次

真核基因表达调控

发生在多个层次：

染色质水平 → 转录水平 → RNA加工 → mRNA运输 → 翻译水平 → 蛋白质修饰
    ↑           ↑          ↑          ↑          ↑          ↑
表观遗传   转录因子   选择性剪接   核质运输   翻译起始   信号转导

6.2 染色质水平调控

DNA甲基化

DNA甲基化

：

• 位点：CpG岛中的胞嘧啶（C→5mC）
• 酶：DNA甲基转移酶（DNMT1维持，DNMT3a/3b从头）
• 效应：通常抑制基因表达

生物学意义：

• 基因组印记

  （Imprinting）：亲本特异性表达

• X染色体失活

  ：雌性X染色体剂量补偿

• 转座子沉默
• 肿瘤抑制基因沉默

组蛋白修饰

组蛋白修饰

：

修饰	位点	效应
乙酰化（Ac）	赖氨酸	激活转录
甲基化（Me）	赖氨酸/精氨酸	H3K4me3激活，H3K27me3抑制
磷酸化（P）	丝氨酸	调控染色质结构
泛素化（Ub）	赖氨酸	调控转录

组蛋白密码假说：

• 不同修饰组合产生特定调控效应
• 修饰之间相互影响（交叉对话）

染色质重塑

染色质重塑复合物

：

• SWI/SNF

  ：利用ATP水解能量重塑核小体

• ISWI

  、CHD、INO80家族

功能：

• 改变核小体位置
• 影响DNA可及性
• 调控转录因子结合

6.3 转录水平调控

顺式作用元件

顺式作用元件

：DNA上的调控序列

元件	位置	功能
启动子（Promoter）	转录起始点附近	基础转录装置组装
增强子（Enhancer）	远端（1kb-1Mb）	显著增强转录效率
沉默子（Silencer）	远端	抑制转录
绝缘子（Insulator）	边界	阻断增强子/沉默子作用

增强子特征：

• 方向无关性
• 位置灵活性（上游、下游、内含子）
• 组织特异性
• 与启动子形成染色质环

反式作用因子

反式作用因子

：调控蛋白

转录因子结构：

• DNA结合域

  ：识别特定序列

• 转录激活域

  ：招募转录 machinery

• 二聚化结构域

  ：形成同源/异源二聚体

• 核定位信号

  （NLS）：进入细胞核

常见DNA结合域： | 结构域 | 特征 | 代表因子 | |——–|——|———| | 同源异型域（Homeodomain） | 螺旋-转角-螺旋变体 | HOX蛋白 | | 锌指（Zinc finger） | Zn²⁺稳定 | SP1、TFIIIA | | 碱性亮氨酸拉链（bZIP） | 亮氨酸拉链二聚化 | AP-1、CREB | | 螺旋-环-螺旋（HLH） | HLH二聚化 | MyoD、E47 |

转录调控网络

组合调控：

• 多个转录因子协同作用
• 产生特异性的时空表达模式
• 增强调控特异性

实例：

• MyoD

  与肌肉分化

• Oct4

  、Sox2、Nanog与干细胞多能性

6.4 转录后调控

选择性剪接

选择性剪接

：

• 一个基因产生多种mRNA异构体
• 人类约95%的基因存在选择性剪接
• 增加蛋白质组多样性

剪接模式： | 模式 | 说明 | |——|——| | 外显子跳跃 | 跳过某个外显子 | | 互斥外显子 | 两个外显子只保留一个 | | 内含子保留 | 保留某个内含子 | | 可变5’剪接位点 | 使用不同的5’剪接位点 | | 可变3’剪接位点 | 使用不同的3’剪接位点 |

调控因子：

• SR蛋白

  ：促进剪接

• hnRNP蛋白</组织>：抑制剪接

RNA编辑

RNA编辑

：

• 转录后改变RNA序列
• 脱氨酶（ADAR、APOBEC）介导
• 实例：APOB mRNA的C→U编辑

RNA稳定性调控

mRNA降解途径：

1. 脱腺苷酸化

   ：去除poly(A)尾

2. 脱帽

   ：去除5’帽

3. 外切酶降解

   ：5’→3’或3’→5’

调控元件：

• AU富含元件

  （ARE）：促进降解

• miRNA

  ：通过RNA干扰抑制翻译或促进降解

miRNA调控

miRNA

（微小RNA）：

• 长度：21-25 nt
• 来源：RNA聚合酶II转录，经Drosha和Dicer加工
• 机制：与RISC复合物结合，靶向mRNA

调控方式：

• 完全互补：mRNA切割
• 部分互补：翻译抑制

6.5 翻译水平调控

全局翻译调控

eIF2磷酸化：

• 应激条件下eIF2α磷酸化
• 抑制全局翻译起始
• 但激活特定应激基因翻译

mTOR通路：

• mTOR激酶

  感知营养信号

• 磷酸化4E-BP，释放eIF4E
• 促进翻译起始

特异性翻译调控

铁响应元件（IRE）：

• 铁调节蛋白

  （IRP）结合IRE

• 铁缺乏时：抑制铁蛋白mRNA翻译
• 铁充足时：IRP失活，翻译进行

上游开放阅读框（uORF）：

• 位于主ORF上游
• 抑制主ORF翻译
• 应激条件下被绕过

6.6 信号转导与基因表达

信号通路

MAPK通路：

• 生长因子 → Ras → Raf → MEK → ERK
• ERK入核激活转录因子

Wnt/β-catenin通路：

• Wnt信号稳定β-catenin
• β-catenin入核激活TCF转录因子

TGF-β/Smad通路：

• TGF-β受体磷酸化Smad2/3
• Smad复合物入核调控转录

激素调控

类固醇激素：

• 脂溶性，可穿过细胞膜
• 与核受体结合
• 激素-受体复合物直接调控转录

实例：

• 雌激素受体（ER）
• 糖皮质激素受体（GR）

本章小结

• 真核基因调控发生在多水平，比原核更复杂
• 染色质修饰（DNA甲基化、组蛋白修饰）是表观遗传调控的基础
• 转录因子通过顺式元件和反式因子精细调控
• 转录后调控（选择性剪接、miRNA）增加调控层次
• 信号转导通路将胞外信号转化为基因表达变化

思考题

1. 为什么真核生物需要比原核生物更复杂的调控机制？
2. DNA甲基化和组蛋白修饰如何协同调控基因表达？
3. 选择性剪接有什么生物学意义？