第12章 细胞分化.ppt

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1、第十二章第十二章 细胞分化与细胞分化与真核基因表达调控真核基因表达调控人人受精卵受精卵在在在在个个个个体体体体发发发发育育育育过过过过程程程程中中中中，后后后后代代代代细细细细胞胞胞胞间间间间在在在在形形形形态态态态、结结结结构构构构和和和和生生生生理理理理功功功功能上发生差异的过程称为能上发生差异的过程称为能上发生差异的过程称为能上发生差异的过程称为细胞分化细胞分化细胞分化细胞分化(cell differentiation)(cell differentiation)。细胞分化的特征与细胞分化的特征与细胞细胞的的发育潜能发育潜能各种细胞在直观上表现出各种细胞在直观上表现出大小大小、形状形状和

2、和结构结构上的差别上的差别1 1、形态结构与生理状态发生差异、形态结构与生理状态发生差异、形态结构与生理状态发生差异、形态结构与生理状态发生差异细胞经过分细胞经过分细胞经过分细胞经过分化产生多种化产生多种化产生多种化产生多种多样细胞的多样细胞的多样细胞的多样细胞的过程示意图过程示意图过程示意图过程示意图一、细胞分化的特征一、细胞分化的特征一、细胞分化的特征一、细胞分化的特征软骨细胞软骨细胞成纤维细胞成纤维细胞脂肪细胞脂肪细胞成骨细胞成骨细胞未分化间充质细胞未分化间充质细胞内皮细胞内皮细胞(1)(1)细胞的分裂能力随分化程度的提高而有所下降细胞的分裂能力随分化程度的提高而有所下降细胞的分裂能力随

3、分化程度的提高而有所下降细胞的分裂能力随分化程度的提高而有所下降；(2)(2)细胞对环境因子的反应性也随分化程度的提高而细胞对环境因子的反应性也随分化程度的提高而细胞对环境因子的反应性也随分化程度的提高而细胞对环境因子的反应性也随分化程度的提高而降低降低降低降低（如对电离辐射的敏感性等）。（如对电离辐射的敏感性等）。（如对电离辐射的敏感性等）。（如对电离辐射的敏感性等）。随着分化程度提高，细胞的随着分化程度提高，细胞的生理活动与状态生理活动与状态发生变化：发生变化：肿瘤细胞肿瘤细胞放疗放疗放疗放疗killkill干细胞干细胞干细胞干细胞killkill恶心、头晕、乏力恶心、头晕、乏力恶心、头晕

4、、乏力恶心、头晕、乏力负作用负作用负作用负作用只分裂不分化只分裂不分化只分裂不分化只分裂不分化的异常细胞的异常细胞的异常细胞的异常细胞分化程度低的分化程度低的分化程度低的分化程度低的可分裂细胞可分裂细胞可分裂细胞可分裂细胞（对电离辐射（对电离辐射敏感性高）敏感性高）（对电离辐射（对电离辐射敏感性高）敏感性高）细胞在发生形态差异之前的一定时间，细胞分化命细胞在发生形态差异之前的一定时间，细胞分化命运已经确定。运已经确定。2 2、细胞分化方向的限定早于形态差异的出现、细胞分化方向的限定早于形态差异的出现、细胞分化方向的限定早于形态差异的出现、细胞分化方向的限定早于形态差异的出现细胞从分化命运确定到

5、出现特定形态的过程细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程细胞细胞决定决定（cell determinationcell determination）。）。）。）。细胞决定即意味着细胞内部已发生了稳定的变化，细胞决定即意味着细胞内部已发生了稳定的变化，基因表达模式已开始发生改变。基因表达模式已开始发生改变。脱脱脱脱分分分分化化化化(dedifferentiationdedifferentiation)：在在在在某某某某些些些些条条条条件件件件下下下下，分分分分化化化化细细细细胞胞胞胞并并并并不不不不稳稳稳稳定定定定，其其

6、其其基基基基因因因因活活活活动动动动模模模模式式式式能能能能发发发发生生生生可可可可逆逆逆逆的的的的变变变变化化化化，返返返返回到未分化状态的过程回到未分化状态的过程回到未分化状态的过程回到未分化状态的过程。3 3、脱分化与转分化、脱分化与转分化、脱分化与转分化、脱分化与转分化转转转转分分分分化化化化(transdifferentiationtransdifferentiation)：有有有有的的的的细细细细胞胞胞胞在在在在发发发发生生生生脱脱脱脱分分分分化化化化之后，可再分化成另一种细胞之后，可再分化成另一种细胞之后，可再分化成另一种细胞之后，可再分化成另一种细胞的现象。的现象。的现象。的现

7、象。肌细胞肌细胞肌细胞肌细胞非自然损伤非自然损伤非自然损伤非自然损伤脱分化细胞脱分化细胞脱分化细胞脱分化细胞脱分化脱分化脱分化脱分化软骨细胞软骨细胞软骨细胞软骨细胞再分化再分化再分化再分化软骨软骨软骨软骨 形成形成形成形成蝾螈肢体再生蝾螈肢体再生蝾螈肢体再生蝾螈肢体再生蝾螈肢体再生蝾螈肢体再生细胞具有发育成完整个体的潜能细胞具有发育成完整个体的潜能细胞具有发育成完整个体的潜能细胞具有发育成完整个体的潜能。如受精卵、如受精卵、如受精卵、如受精卵、2-2-细胞期细胞、细胞期细胞、细胞期细胞、细胞期细胞、8-8-细胞期细胞细胞期细胞细胞期细胞细胞期细胞(哺乳类哺乳类哺乳类哺乳类)二、细胞发育潜能的变

8、化二、细胞发育潜能的变化二、细胞发育潜能的变化二、细胞发育潜能的变化具有分化出多种组织的潜能具有分化出多种组织的潜能具有分化出多种组织的潜能具有分化出多种组织的潜能。如成体中的有些如成体中的有些如成体中的有些如成体中的有些多能干细胞多能干细胞多能干细胞多能干细胞。只能分化出一种细胞的分化潜能。只能分化出一种细胞的分化潜能。只能分化出一种细胞的分化潜能。只能分化出一种细胞的分化潜能。如成体中的有些如成体中的有些如成体中的有些如成体中的有些单能干细胞单能干细胞单能干细胞单能干细胞发育潜能发育潜能发育潜能发育潜能(developmental potential)(developmental pote

9、ntial)：细胞分化能力的强弱细胞分化能力的强弱细胞分化能力的强弱细胞分化能力的强弱全能性全能性全能性全能性(totitotipotencypotency)多能性多能性多能性多能性(pluripluripotencypotency)单能性单能性单能性单能性(monomonopotencypotency)1 1、随分化的逐渐进行动物细胞的发育潜能逐渐降低、随分化的逐渐进行动物细胞的发育潜能逐渐降低、随分化的逐渐进行动物细胞的发育潜能逐渐降低、随分化的逐渐进行动物细胞的发育潜能逐渐降低小鼠早期胚胎发育过程发育潜能的变化小鼠早期胚胎发育过程发育潜能的变化小鼠早期胚胎发育过程发育潜能的变化小鼠早期胚

10、胎发育过程发育潜能的变化多能性多能性多能性多能性全能性全能性全能性全能性卵裂卵裂卵裂卵裂(cleavage)(cleavage)处处处处于于于于相相相相对对对对未未未未分分分分化化化化状状状状态态态态，一一一一直直直直保保保保持持持持着着着着分分分分裂裂裂裂能能能能力力力力的的的的细细细细胞胞胞胞，它它它它通通通通过过过过分分分分裂裂裂裂不不不不断断断断补补补补充充充充消消消消耗耗耗耗的的的的细细细细胞胞胞胞。如如如如造造造造血血血血干干干干细胞、小肠隐窝干细胞。细胞、小肠隐窝干细胞。细胞、小肠隐窝干细胞。细胞、小肠隐窝干细胞。高高高高度度度度特特特特化化化化不不不不再再再再分分分分裂裂裂裂的

11、的的的细细细细胞胞胞胞，执执执执行行行行完完完完功功功功能能能能之之之之后后后后即即即即被被被被清清清清除除除除，如如如如成成成成熟熟熟熟RBCRBCRBCRBC、肠绒毛上皮细胞肠绒毛上皮细胞肠绒毛上皮细胞肠绒毛上皮细胞F干细胞：干细胞：F功能细胞：功能细胞：据分化程度及增殖潜能，高等动物的体细胞可分为据分化程度及增殖潜能，高等动物的体细胞可分为据分化程度及增殖潜能，高等动物的体细胞可分为据分化程度及增殖潜能，高等动物的体细胞可分为:用红萝卜根细胞培养产生完整植株示意图用红萝卜根细胞培养产生完整植株示意图红萝卜根红萝卜根培养的培养的根细胞根细胞 完整完整植株植株培养细胞分裂培养细胞分裂幼苗幼苗

12、2 2、高度分化的植物体细胞仍具有全能性、高度分化的植物体细胞仍具有全能性、高度分化的植物体细胞仍具有全能性、高度分化的植物体细胞仍具有全能性部分组织部分组织部分组织部分组织部分组织部分组织单个细胞单个细胞单个细胞单个细胞单个细胞单个细胞单个单倍体孢子单个单倍体孢子单个单倍体孢子单个单倍体孢子单个单倍体孢子单个单倍体孢子3 3、动物高度分化细胞的核仍保持全能性、动物高度分化细胞的核仍保持全能性、动物高度分化细胞的核仍保持全能性、动物高度分化细胞的核仍保持全能性模殖羊（克隆羊）模殖羊（克隆羊）Dolly（1 1 1）细胞核移植实验）细胞核移植实验）细胞核移植实验）细胞核移植实验）细胞核移植实验）

13、细胞核移植实验（2 2 2）分子杂交实验）分子杂交实验）分子杂交实验）分子杂交实验）分子杂交实验）分子杂交实验 （3 3 3）细胞融合启动核基因的表达）细胞融合启动核基因的表达）细胞融合启动核基因的表达）细胞融合启动核基因的表达）细胞融合启动核基因的表达）细胞融合启动核基因的表达细胞分化与差别基因表达细胞分化与差别基因表达持家基因持家基因持家基因持家基因(house-keeping geneshouse-keeping genes)：如核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶的编码基因如核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶的编码基因如核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶的编码基因如核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵

14、解酶的编码基因如血红蛋白、清蛋白、角蛋白的编码基因等。如血红蛋白、清蛋白、角蛋白的编码基因等。如血红蛋白、清蛋白、角蛋白的编码基因等。如血红蛋白、清蛋白、角蛋白的编码基因等。奢侈基因奢侈基因奢侈基因奢侈基因(luxury genesluxury genes)：组织专一性基因组织专一性基因组织专一性基因组织专一性基因(tissue-specific genestissue-specific genes)维维维维持持持持细细细细胞胞胞胞生生生生存存存存所所所所必必必必需需需需的的的的，这这这这类类类类基基基基因因因因在在在在各各各各种种种种细细细细胞胞胞胞中中中中都处于活动状态都处于活动状态都处于

15、活动状态都处于活动状态在特定组织细胞中专一性选择表达在特定组织细胞中专一性选择表达在特定组织细胞中专一性选择表达在特定组织细胞中专一性选择表达表达基因表达基因表达基因表达基因差差差差别别别别基基基基因因因因表表表表达达达达(differential(differential gene gene expression)expression)：各各各各种种种种细细细细胞胞胞胞各各各各有有有有特特特特定定定定的的的的一一一一组组组组基基基基因因因因(奢奢奢奢侈侈侈侈基基基基因因因因)进进进进行行行行表表表表达达达达的的的的现现现现象象象象，又又又又称称称称为为为为组组组组织织织织专专专专一一一一性性

16、性性基基基基因因因因表表表表达达达达(tissue-specific(tissue-specific gene gene expression)expression)。本本本本质质质质：“一一一一些些些些基基基基因因因因(组组组组织织织织专专专专一一一一性性性性基基基基因因因因)开启，而其他基因关闭开启，而其他基因关闭开启，而其他基因关闭开启，而其他基因关闭”真真真真核核核核生生生生物物物物中中中中差差差差别别别别基基基基因因因因表表表表达达达达要要要要在在在在基基基基因因因因表表表表达达达达链链链链的的的的各各各各个个个个环环环环节上受到调节节上受到调节节上受到调节节上受到调节，最后表现为，

17、最后表现为，最后表现为，最后表现为合成组织专一性蛋白质合成组织专一性蛋白质合成组织专一性蛋白质合成组织专一性蛋白质。细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交技术检测基因及其表达第二节第二节 真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则 (central dogma)(central dogma)：Crick,1958复制复制翻译翻译转录转录反转录反转录?复制复制反转录酶反转录酶反转录酶反转录酶(reverse(reverse transcriptase):transcriptas

18、e):D.BaltimoreD.Baltimore&H.M.TeminH.M.Temin,1970,1970现代中心法则内容图解现代中心法则内容图解现代中心法则内容图解现代中心法则内容图解DNADNAPre-RNAPre-RNARNARNAProteinProteinTranscriptionTranslationProcessingProcessing(一一一一)染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控(二二二二)真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节(五五五五)蛋白质合成的翻译后水平的

19、调节蛋白质合成的翻译后水平的调节蛋白质合成的翻译后水平的调节蛋白质合成的翻译后水平的调节(三三三三)蛋白质合成的转录后水平的调节蛋白质合成的转录后水平的调节蛋白质合成的转录后水平的调节蛋白质合成的转录后水平的调节(四四四四)蛋白质合成的翻译水平的调节蛋白质合成的翻译水平的调节蛋白质合成的翻译水平的调节蛋白质合成的翻译水平的调节(一一一一一一)染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控染色质结构与基因表达调控 疏松染色质结构的形成 染色质的区间性 染色质模板的转录 1 1、组蛋白和非组蛋白对转录的调节、组蛋白和非组蛋白

20、对转录的调节、组蛋白和非组蛋白对转录的调节、组蛋白和非组蛋白对转录的调节 在真核细胞中，带负电荷的在真核细胞中，带负电荷的在真核细胞中，带负电荷的在真核细胞中，带负电荷的DNADNA分子和常正电荷的组蛋白紧密结合而分子和常正电荷的组蛋白紧密结合而分子和常正电荷的组蛋白紧密结合而分子和常正电荷的组蛋白紧密结合而呈封闭状态。呈封闭状态。呈封闭状态。呈封闭状态。DNADNA分子中有的基因虽具有转录分子中有的基因虽具有转录分子中有的基因虽具有转录分子中有的基因虽具有转录为为为为mRNAmRNA的潜能，但因被组蛋白封闭的潜能，但因被组蛋白封闭的潜能，但因被组蛋白封闭的潜能，但因被组蛋白封闭而不能进行转录

21、。而不能进行转录。而不能进行转录。而不能进行转录。组蛋白的结合与分离以及修饰组蛋白的结合与分离以及修饰组蛋白的结合与分离以及修饰组蛋白的结合与分离以及修饰（如乙酰基化、甲基化、磷酸化等）（如乙酰基化、甲基化、磷酸化等）（如乙酰基化、甲基化、磷酸化等）（如乙酰基化、甲基化、磷酸化等）能调节能调节能调节能调节mRNAmRNA的转录的转录的转录的转录。如如如如如如RNARNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 DNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 Poly(APoly(APoly(A)聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 DNADNADNA内切酶内切酶内切酶内切酶内切酶内切

22、酶 DNADNADNA外切酶外切酶外切酶外切酶外切酶外切酶 组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰转移酶 组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化酶组蛋白甲基化酶 组蛋白激酶组蛋白激酶组蛋白激酶组蛋白激酶组蛋白激酶组蛋白激酶 组蛋白水解酶组蛋白水解酶组蛋白水解酶组蛋白水解酶组蛋白水解酶组蛋白水解酶 非组蛋白激酶等非组蛋白激酶等非组蛋白激酶等非组蛋白激酶等非组蛋白激酶等非组蛋白激酶等非组蛋白种类繁多，有多种是参与核酸代谢和修饰的酶：非组蛋白种类繁多，有多种是参与核酸代谢和修饰的酶：非组蛋白种类繁多，有多种是参与核酸代

23、谢和修饰的酶：非组蛋白种类繁多，有多种是参与核酸代谢和修饰的酶：非组蛋白带有负电荷，能通过静电作用，吸引封闭非组蛋白带有负电荷，能通过静电作用，吸引封闭非组蛋白带有负电荷，能通过静电作用，吸引封闭非组蛋白带有负电荷，能通过静电作用，吸引封闭DNADNA的组的组的组的组蛋白，使二者分离，蛋白，使二者分离，蛋白，使二者分离，蛋白，使二者分离，DNADNA得以转录。得以转录。得以转录。得以转录。鸡鸡鸡鸡RBCRBCDNADNA和组蛋白和组蛋白和组蛋白和组蛋白鸡鸡鸡鸡RBCRBCDNADNA和组蛋白和组蛋白和组蛋白和组蛋白合成血红蛋白合成血红蛋白合成血红蛋白合成血红蛋白mRNAmRNA不合成血红蛋白不

24、合成血红蛋白不合成血红蛋白不合成血红蛋白mRNAmRNA非组蛋白具有物种特异性的证明实验非组蛋白具有物种特异性的证明实验非组蛋白具有物种特异性的证明实验非组蛋白具有物种特异性的证明实验鸡网织红细胞鸡网织红细胞鸡网织红细胞鸡网织红细胞非组蛋白非组蛋白非组蛋白非组蛋白+鸡肝细胞鸡肝细胞鸡肝细胞鸡肝细胞非组蛋白非组蛋白非组蛋白非组蛋白+基因转录基因转录基因转录基因转录基因不转录基因不转录基因不转录基因不转录非组蛋白有物种和组织特异性，能与非组蛋白有物种和组织特异性，能与非组蛋白有物种和组织特异性，能与非组蛋白有物种和组织特异性，能与DNADNADNADNA特异结合，对特异结合，对特异结合，对特异结合

25、，对DNADNADNADNA有专一调控作用！有专一调控作用！有专一调控作用！有专一调控作用！(1)(1)非非非非组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白能能能能特特特特异异异异性性性性地地地地同同同同被被被被组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白所所所所阻阻阻阻遏遏遏遏的的的的DNADNADNADNA特特特特定定定定区区区区域域域域相结合相结合相结合相结合；非组蛋白对转录的调节可能分两步进行：非组蛋白对转录的调节可能分两步进行：非组蛋白对转录的调节可能分两步进行：非组蛋白对转录的调节可能分两步进行：(2)(2)非非非非组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白发发发发生生生生磷磷磷磷酸酸酸酸化化化化而而而而带带带带负负负负电电电电荷荷荷荷，

26、便便便便开开开开始始始始排排排排斥斥斥斥带带带带负负负负电电电电荷荷荷荷的的的的DNADNA，而而而而与与与与带带带带正正正正电电电电荷荷荷荷的的的的组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白结结结结合合合合成成成成复复复复合合合合物物物物。结结结结果果果果解解解解除了组蛋白在特定区段对除了组蛋白在特定区段对除了组蛋白在特定区段对除了组蛋白在特定区段对DNADNADNADNA的抑制，使该区基因转录的抑制，使该区基因转录的抑制，使该区基因转录的抑制，使该区基因转录。如，组蛋白的乙酰化可促进基因的转录如，组蛋白的乙酰化可促进基因的转录转录因子（如糖皮质激素转录因子（如糖皮质激素受体，受体，GRGR）与）与DNADN

27、A结合并捕结合并捕获辅激活子（获辅激活子（CBPCBP）；）；CBPCBP具有组蛋白乙酰基转移酶具有组蛋白乙酰基转移酶活性。活性。表示一段阻遏状态的染表示一段阻遏状态的染色体区域，其色体区域，其DNADNA与去乙酰与去乙酰基组蛋白结合；基组蛋白结合；糖皮质激素受体（糖皮质激素受体（GRGR）和糖皮质激素应答元件和糖皮质激素应答元件（GREGRE）结合，辅激活物）结合，辅激活物CBPCBP同同GRGR结合，处于结合，处于TATATATA盒盒的上游和下游的核心组蛋的上游和下游的核心组蛋白被乙酰基化；白被乙酰基化；被乙酰基化的组被乙酰基化的组蛋白与蛋白与DNADNA分离分离TFIIDTFIID与与D

28、NADNA的开的开放区结合。放区结合。TAFII250TAFII250是是TFIIDTFIID的一个亚基，具有的一个亚基，具有组蛋白乙酰基转移组蛋白乙酰基转移酶活性。同时，酶活性。同时，CBPCBP和和TAFII250TAFII250又又解离相邻的核小体，解离相邻的核小体，以便容许转录起始以便容许转录起始在启动子区剩下的核小体也被乙酰基化，在启动子区剩下的核小体也被乙酰基化，RNARNA聚合酶与启聚合酶与启动子结合，转录开始。动子结合，转录开始。2、基因转录与核小体结构真核基因转录真核基因转录真核基因转录真核基因转录起始时起始时起始时起始时核小体移位模型核小体移位模型核小体移位模型核小体移位模

29、型基基因因激激活活蛋蛋白白使使核核小小体体从从启启动动子子移移开开，暴暴露露出出启启动动子子，从从而而可可让让通通用用转转录录因因子在启动子上装配子在启动子上装配 1.1.核核小小体体相相位位的的影影响响当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。基因的关键调控元件被基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子而有利于结合转录因子位于位于DNADNA上调控元件上调控元件被盘绕在核心组蛋白被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白，使上，因为组蛋白，使DNADNA上的关键调控元上的关键调控元件靠得很

30、近，它们可件靠得很近，它们可以通过转录因子而联以通过转录因子而联系。系。核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录染色质的区间性基因座控制区（locus control region,LCR）染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定 染色质疏松结构的功能；与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制 时与启动子结合的因子仍保持在原位。隔离子（insulator）防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构 域之间的结构特点向两侧扩展的染色质域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNADNA 序列，称为隔离子。序列，称为隔离子。作用：作为异染色质定向形成的起始位点；作用：作

31、为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区提供拓扑隔离区 染色质模板的转录染色质模板的转录转录的“核小体犁”（nucleosome plow）假说 第一步：第一步：RNARNA聚合酶使聚合酶使核小体不稳定，撤掉核小体不稳定，撤掉2 2个（个（H2A-H2BH2A-H2B）,形成形成H3-H4H3-H4四聚体复合物四聚体复合物第二步：组蛋白核心的第二步：组蛋白核心的另一半（另一半（H3-H4H3-H4四聚体）四聚体）被移开并转到聚合酶后被移开并转到聚合酶后面自由面自由DNADNA上上；第三步：第三步：2 2个个H2A-H2BH2A-H2B二聚体二聚体重新结合到重新结合到DNADNA上，又形成上

32、，又形成一个完整的核小体核心结构一个完整的核小体核心结构。(二二二二二二)真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节真核基因转录水平的调节1 1、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控真核基因的转录起始过程复杂真核基因的转录起始过程复杂真核基因的转录起始过程复杂真核基因的转录起始过程复杂基因所在基因所在基因所在基因所在DNADNA上的顺式调控元件上的顺式调控元件上的顺式调控元件上的顺式

33、调控元件诸多反式调控因子诸多反式调控因子诸多反式调控因子诸多反式调控因子&TATATATA框框框框(TATA box(TATA box 或或或或HognessHogness box)box)：保证转录准确地在起始点开始保证转录准确地在起始点开始保证转录准确地在起始点开始保证转录准确地在起始点开始&其它与转录起始有关的其它与转录起始有关的其它与转录起始有关的其它与转录起始有关的DNADNA调节序列调节序列调节序列调节序列(如如如如CAATCAAT框、框、框、框、GCGC序列等序列等序列等序列等)：主要主要主要主要控制转录起始的频率控制转录起始的频率控制转录起始的频率控制转录起始的频率&增强子增强

34、子增强子增强子(enhancerenhancer)：通过启动子来通过启动子来通过启动子来通过启动子来增强转录效率增强转录效率增强转录效率增强转录效率的一种的一种的一种的一种远端调控元件远端调控元件远端调控元件远端调控元件&沉沉沉沉默默默默子子子子(silencer)(silencer)：作作作作用用用用与与与与增增增增强强强强子子子子相相相相反反反反，抑抑抑抑制制制制基基基基因因因因表表表表达达达达 顺式调控元件顺式调控元件DNADNA上的基因调节序列上的基因调节序列上的基因调节序列上的基因调节序列2 2、真核生物基因转录的启动需要转录因子的参与、真核生物基因转录的启动需要转录因子的参与、真核

35、生物基因转录的启动需要转录因子的参与、真核生物基因转录的启动需要转录因子的参与DNADNA专一序列结合蛋白专一序列结合蛋白专一序列结合蛋白专一序列结合蛋白(sequence-specific DNA-binding protein)(sequence-specific DNA-binding protein)通用转录因子通用转录因子通用转录因子通用转录因子(general transcription factor,TF)(general transcription factor,TF)在在在在基基基基因因因因开开开开始始始始转转转转录录录录前前前前它它它它们们们们结结结结合合合合到到到到启启启

36、启动动动动子子子子上上上上，与与与与RNARNA聚合酶组装成转录起始复合物，起始转录聚合酶组装成转录起始复合物，起始转录聚合酶组装成转录起始复合物，起始转录聚合酶组装成转录起始复合物，起始转录一一一一些些些些能能能能和和和和特特特特定定定定的的的的DNADNA调调调调节节节节序序序序列列列列相相相相结结结结合合合合的的的的基基基基因因因因调调调调节节节节蛋蛋蛋蛋白白白白(gene(gene regulatory regulatory protein)protein)，在在在在基基基基因因因因转转转转录录录录起起起起始和调节等方面有着重要的作用始和调节等方面有着重要的作用始和调节等方面有着重要的

37、作用始和调节等方面有着重要的作用特定的转录因子特定的转录因子特定的转录因子特定的转录因子(special transcription factor)(special transcription factor)转录因子转录因子转录因子转录因子(general transcription factor,TF)(general transcription factor,TF)：(1)(1)转录起始复合物的组装与转录起始转录起始复合物的组装与转录起始转录起始复合物的组装与转录起始转录起始复合物的组装与转录起始转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物(transcriptional in

38、itiation complex)(transcriptional initiation complex)：转录因子转录因子转录因子转录因子转录相关因子转录相关因子转录相关因子转录相关因子(TBPTBP associated factors)associated factors)RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶TATA box-binding proteinTATA box-binding proteinTATA box 转录起始点转录起始点真核生物真核生物真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶II II转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物的组装过程示意图

39、的组装过程示意图的组装过程示意图的组装过程示意图TFIID(A)TFIIA,TFIIB(B)RNA聚合酶聚合酶IITFIIFTFIIETFIIHTBP (C)蛋白激酶蛋白激酶(TFIIH)活性活性ATP(D)UTP,ATPCTP,GTP开始转录开始转录开始转录开始转录(E)TBPTBP(TATA box-binding protein,(TATA box-binding protein,TATATATA框结合蛋白框结合蛋白框结合蛋白框结合蛋白););TAFTAF(TBP-associated factor,(TBP-associated factor,TBPTBP蛋白相关因子蛋白相关因子蛋白相

40、关因子蛋白相关因子)(约约约约8 8种种种种,大小不同大小不同大小不同大小不同)TFIID TFIID 结结结结合合合合TATATATA框框框框：引引引引起起起起此此此此序序序序列列列列弯弯弯弯曲曲曲曲，造造造造成成成成局局局局部部部部构构构构象象象象变变变变化化化化，吸吸吸吸引引引引 RNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶II II和和和和其其其其它它它它转转转转录因子在启动子上参与组装录因子在启动子上参与组装录因子在启动子上参与组装录因子在启动子上参与组装TFIIATFIIA 的的的的加加加加入入入入，可可可可防防防防止止止止某某某某些些些些抑抑抑抑制制制制物物物物的的的的掺掺掺掺入入入入，

41、有有有有助助助助于于于于TFII TFII D D同同同同TATATATA框框框框结结结结合合合合的的的的稳稳稳稳定定定定，使使使使组组组组装过程得以继续进行装过程得以继续进行装过程得以继续进行装过程得以继续进行 TFIIH TFIIH 是是是是一一一一个个个个多多多多亚亚亚亚基基基基的的的的蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质复复复复合合合合物物物物，由由由由多多多多条条条条肽肽肽肽链链链链构构构构成成成成，其其其其中中中中有有有有的的的的亚亚亚亚基基基基具具具具有有有有解解解解旋旋旋旋酶酶酶酶活活活活性性性性(利用利用利用利用ATPATP使模板使模板使模板使模板DNADNA解螺旋解螺旋解螺旋解螺旋)；

42、TFIIHTFIIH的的的的另另另另一一一一个个个个亚亚亚亚基基基基有有有有激激激激酶酶酶酶活活活活性性性性(在在在在ATPATP存存存存在在在在下下下下，使使使使聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶大大大大亚亚亚亚基基基基的的的的CDTCDT中中中中的的的的丝丝丝丝氨氨氨氨酸酸酸酸或或或或苏苏苏苏氨氨氨氨酸酸酸酸磷磷磷磷酸酸酸酸化化化化，以以以以便便便便聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶脱脱脱脱离离离离起起起起始始始始复复复复合物而起始转录合物而起始转录合物而起始转录合物而起始转录)转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物转录起始复合物(2)(2)基因调节蛋白同增强子结合远距离地调控转录基因调节蛋白同增强子结合

43、远距离地调控转录基因调节蛋白同增强子结合远距离地调控转录基因调节蛋白同增强子结合远距离地调控转录通用转录因子和聚合酶还需要通用转录因子和聚合酶还需要通用转录因子和聚合酶还需要通用转录因子和聚合酶还需要激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白的协助，才的协助，才的协助，才的协助，才能有效地启动转录。其中，结合到增强子上的激活蛋能有效地启动转录。其中，结合到增强子上的激活蛋能有效地启动转录。其中，结合到增强子上的激活蛋能有效地启动转录。其中，结合到增强子上的激活蛋白可明显地增强转录速率。白可明显地增强转录速率。白可明显地增强转录速率。白可明显地增强转录速率。真核生物中基因激活蛋真核生物中基因激活蛋真核生物

44、中基因激活蛋真核生物中基因激活蛋白远距离调控模式白远距离调控模式白远距离调控模式白远距离调控模式因因因因启启启启动动动动子子子子与与与与增增增增强强强强子子子子相相相相距距距距远远远远(上上上上万万万万个个个个bpbp)，因因因因此此此此启启启启动动动动子子子子与与与与增增增增强强强强子子子子之之之之间间间间的的的的DNADNA链链链链要要要要发发发发生生生生折折折折曲曲曲曲，以以以以使使使使结结结结合合合合在在在在增增增增强强强强子子子子上上上上的的的的调调调调节节节节蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与转转转转录录录录起起起起始始始始复复复复合合合合物物物物相相相相互互互互接触而发挥作用接触而发挥作用

45、接触而发挥作用接触而发挥作用 3 3、调控蛋白质与、调控蛋白质与、调控蛋白质与、调控蛋白质与DNADNA的相互作用对基因转录调控的相互作用对基因转录调控的相互作用对基因转录调控的相互作用对基因转录调控 (1)(1)调控因子与调控因子与调控因子与调控因子与DNADNA的相互作用的相互作用的相互作用的相互作用 直接或间接结合到直接或间接结合到直接或间接结合到直接或间接结合到DNADNA的基因调节序列上、的基因调节序列上、的基因调节序列上、的基因调节序列上、参与转参与转参与转参与转录调控的基因调节蛋白录调控的基因调节蛋白录调控的基因调节蛋白录调控的基因调节蛋白基因表达调控的基因表达调控的基因表达调控

46、的基因表达调控的反式作用因反式作用因子子(trans-acting factor)(trans-acting factor)通用转录因子通用转录因子通用转录因子通用转录因子基因调控蛋白基因调控蛋白基因调控蛋白基因调控蛋白顺式调控元件顺式调控元件DNADNA的基因调节序列的基因调节序列的基因调节序列的基因调节序列启动子启动子启动子启动子其他（其他（其他（其他（CAATCAAT框等）框等）框等）框等）增强子增强子增强子增强子沉默子沉默子沉默子沉默子基因激活蛋白基因激活蛋白基因激活蛋白基因激活蛋白基因抑制蛋白基因抑制蛋白基因抑制蛋白基因抑制蛋白大大大大多多多多数数数数调调调调节节节节蛋蛋蛋蛋白白白白

47、能能能能直直直直接接接接作作作作用用用用于于于于DNADNA，插插插插到到到到识识识识别别别别区区区区域域域域的的的的DNADNA双双双双螺螺螺螺旋旋旋旋的的的的大大大大沟沟沟沟中中中中，与与与与其其其其中中中中的的的的碱碱碱碱基基基基对对对对产产产产生生生生一一一一系系系系列列列列的的的的分分分分子子子子接接接接触触触触点点点点，并并并并在在在在蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质与与与与碱碱碱碱基基基基对对对对的的的的接接接接触触触触边边边边缘缘缘缘形形形形成成成成氢氢氢氢键键键键、离离离离子子子子键键键键或或或或发发发发生生生生疏疏疏疏水水水水性相互作用性相互作用性相互作用性相互作用。DNA形成帽状

48、弯曲形成帽状弯曲它们的基本结构中具有不同功能的功能域它们的基本结构中具有不同功能的功能域它们的基本结构中具有不同功能的功能域它们的基本结构中具有不同功能的功能域(domain)(domain)：由几十到几百个氨基酸构成由几十到几百个氨基酸构成由几十到几百个氨基酸构成由几十到几百个氨基酸构成(2)(2)转录调控因子的结构特征转录调控因子的结构特征转录调控因子的结构特征转录调控因子的结构特征DNADNA结合功能域结合功能域转录激活功能域转录激活功能域结合其它因子的功能域结合其它因子的功能域 其中其中3个主要的功能域是：个主要的功能域是：DNADNA结合功能域结合功能域 螺旋螺旋-转角转角-螺旋结构

49、域螺旋结构域(helix-turn-helix motif)锌指结构锌指结构(zinc finger motif)亮氨酸拉链型结构域亮氨酸拉链型结构域(Leucine zipper motif)螺旋螺旋-袢环袢环-螺旋结构域螺旋结构域(helix-loop-helix motif)这这种种形形式式的的DNA结结合合结结构构域域有有两两个个 螺螺旋旋，其其间有间有 转角转角 螺旋螺旋螺旋螺旋-转角转角转角转角-螺旋结构域螺旋结构域螺旋结构域螺旋结构域 (helix-turn-helix(helix-turn-helix motif)motif)识识识识别别别别螺螺螺螺旋旋旋旋的的氨氨基基酸酸残残

50、基基直直接接同同靶靶DNA大大沟沟的的特特定碱基结合；定碱基结合；另另另另一一一一 螺螺螺螺旋旋旋旋的的氨氨基基酸酸和和DNA中中的的磷磷酸酸戊戊糖糖骨骨架架接触。接触。具具有有这这种种结结构构域域的的蛋蛋白白质质与与DNA结结合合时时，常常以以二聚体形式二聚体形式二聚体形式二聚体形式发挥作用发挥作用 锌指结构锌指结构锌指结构锌指结构 (zinc finger motif)(zinc finger motif)由一小群氨基酸由一小群氨基酸和一个锌原子结和一个锌原子结合，在蛋白质中合，在蛋白质中形成相对独立的形成相对独立的一个结构域一个结构域 通通过过 螺螺旋旋结结合合到到DNA大大沟沟中中，锌