真核基因表达特点

1. 真核基因组比原核基因组大得多
2. 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中大约只有 10% 的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA 等，其余 90% 的序列，包括大量的重复序列，功能至今还不清楚，可能参与调控
3. 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的,转录后需要剪接去除内含子,这就增加了基因表达调控的层次
4. 原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子 mRNA 使得几个功能相关的基因自然协调控制；而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，许多功能相关的蛋白质，即使是一种蛋白质的不同亚基也将涉及多个基因的协调表达
5. 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质,这种复杂的结构直接影响着基因表达
6. 真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上,还存在于线粒体DNA上,核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立又需要协调

染色质结构与真核基因表达密切相关

1. 转录活化的染色质对核酸酶极为敏感：
   • 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之超敏位点
   • 转录活化区域是缺乏或没有核小体蛋白结合的“裸露"DNA 链
2. 转录活化染色质的组蛋白发生改变：这些都使得核小体的结构变得松弛而不稳定，降低核小体蛋白对 DNA 的亲和力，易于基因转录（简而言之就是组蛋白要发生各种变化，最终导致核小体松弛）
   • 富含赖氨酸的 H1 组蛋白含量降低：
   • H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加,使它们容易从核小体核心中被置换出来
   • 核心组蛋白H3、H4可发生乙酰化、磷酸化以及泛素化等修饰
3. 转录活跃的染色质CpG 岛甲基化水平降低：
   • DNA 甲基化是真核生物在染色质水平控制基因转录的重要机制
   • GC 含量可达 60%，长度为 300–3000bp 的区段称作 CpG 岛
   • 处于转录活跃状态的染色质中，CpG 岛的甲基化程度下降
   • CpG 岛的高甲基化促进染色质形成致密结构，因而不利于基因表达（部分抑癌基因失活的机制）

转录起始的调节

顺式作用元件：转录起始的关键调节部位

• 编码基因附近的非编码 DNA 序列
• 可影响自身基因表达活性的 DNA 序列
• 真核生物基因组中每一个基因都有各自特异的顺式作用元件
• 顺式作用元件通常是非编码序列,但是并非都位于转录起始点上游

1. 启动子：真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂
   • 真核生物启动子一般位于转录起始点上游，控制转录起始的精确性和频率
   • 真核生物不同基因的启动子序列间的一致性不像原核生物那样明显
   • RNA 聚合酶与 DNA 的结合需要多种蛋白质因子的相互协调作用
   • 通常含有 1 个以上的功能组件：
     • 最具典型意义的就是 TATA 盒，共有序列是 TATAAAA，是 TFⅡD 的结合位点。
     • GC 盒（GGCGG）以及 CAAT 盒（GCCAAT）也是很多基因中常见的功能组件
   • 不含 TATA 盒的启动子：
     • 富含 GC 的启动子：最初发现于一些管家基因，这类启动子一般含数个分离的转录起始点，并有数个转录因子 SP1 结合位点，对基本转录活化有重要作用
     • 既不含 TATA 盒，也没有 GC 富含区，这类启动子可有一个或多个转录起始点（“启动子至少包含一个转录起始点”），大多转录活性很低或根本没有转录活性，而是在胚胎发育、组织分化或再生过程中受调节
   • 启动子的作用与其方向有关，方向倒置后的启动子不能起作用
2. 增强子：增强子是一种能够提高转录效率的顺式作用元件
   • 增强子决定基因表达的空间特异性和时间特异性
   • 增强子与被调控基因位于同一条 DNA 链上，属于顺式作用元件
   • 增强子是组织特异性转录因子的结合部位，当某些细胞或组织中存在能够与之相结合的特异转录因子时方能表现活性
   • 增强子不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用（通常为 1-4kb），个别情况下甚至可以调控 30kb 以外的基因
   • 增强子作用与序列的方向性无关，将增强子的方向倒置后依然能起作用。
   • 增强子需要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录
3. 沉默子：沉默子能够抑制基因的转录
   • 沉默子是一类基因表达的负性调控元件,当其结合特异蛋白因子时,对基因转录起阻遏作用,最初在酵母中发现
   • 作用不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用
4. 绝缘子：绝缘子阻碍其他调控元件的作用
   • 一般位于增强子或沉默子与启动子之间,与特异蛋白因子结合后,阻碍增强子或沉默子对启动子的作用
   • 绝缘子还可位于常染色质与异染色质之间,保护常染色质的基因表达不受异染色质结构的影响
   • 发挥作用与序列的方向性无关

转录因子：转录起始调控的关键分子

通用转录因子

• 是 RNA 聚合酶介导基因转录时所必需的一类辅助蛋白质，帮助聚合酶与启动子结合并起始转录，对所有基因都是必需的
• 通用转录因子 TFIID 是由 TBP 和 TAFs 组成的复合物
• 通用转录因子的存在没有组织特异性，因而对于基因表达的时空选择性并不重要

特异转录因子

特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时间空间特异性。特异转录因子自身的含量、活性和细胞内定位，随时都受到细胞所处环境的影响，是使环境变化在基因表达水平得到体现的关键分子。

• 转录激活因子
  • 通常是一些增强子结合蛋白
• 转录抑制因子
  • 多数是沉默子结合蛋白
  • 也有抑制因子以不依赖DNA的方式起作用,而是通过蛋白质-蛋白质相“中和"转录激活因子或TFIID,降低它们在细胞内的有效浓度,抑制基因转录
• 组织特异性转录因子在细胞分化和组织发育过程中具有重要作用
• 上游因子和可诱导因子等在广义上也可称为转录因子
  • 上游因子
    • 与启动子上游元件(如GC盒、CAAT盒等顺式作用元件)结合的蛋白质
    • SP1结合到GC盒上,C/EBP结合到CAAT盒上
    • 这些反式作用因子调节通用转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与启动子的结合及起始复合物的形成,从而协助调节基因的转录效率
  • 可诱导因子
    • 是与增强子等远端调控序列结合的转录因子
    • 它们能结合应答元件,只在某些特殊生理或病理情况下才被诱导产生
    • 与上游因子不同,可诱导因子只在特定的时间和组织中表达而影响转录

• 可诱导因子或上游因子与增强子或启动子上游元件的结合
• 通用转录因子在核心启动子处的组装
• 辅激活因子和（或）中介子在通用转录因子或 RNA 聚合酶 II 复合物与可诱导因子、上游因子之间的辅助和中介作用，以准确地控制基因是否转录、何时转录

转录因子的结构特点

• DNA 结合结构域：锌指、螺旋-环-螺旋、碱性亮氨酸拉链，见蛋白质的结构与功能#结构模体。
• 转录激活结构域：酸性激活结构域、富含谷氨酰胺结构域、富含脯氨酸结构域

转录起始复合物的组装是转录调控的主要方式

• DNA 元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由 RNA 聚合酶活性体现的，其中的关键环节是转录起始复合物的形成
• RNA 聚合酶 II 参与转录生成所有 mRNA 前体及大部分 snRNA
• 真核 RNA 聚合酶 II 不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子 TFIID 识别、结合启动子序列，再同其他 TFII 与 RNA 聚合酶 II 经由一系列有序结合形成一个功能性的转录前起始复合物
• 转录激活因子、中介子以及染色质重塑因子等调节复合体也可参与转录前起始复合物的形成，使 RNA 聚合酶 II 得以真正启动 mRNA 的有效转录
• 在不同的细胞或阶段，还有一些特异性转录因子通过特定的结合，发挥特异性转录调节作用
• 由于这些基本转录因子和特异转录因子决定了 RNA 聚合酶 II 的活性，这些调节蛋白的浓度与分布将直接影响相关基因的表达

转录后调控主要影响真核 mRNA 的结构与功能

• mRNA 的稳定性影响真核生物基因表达
  • 5’-端的帽结构可以增加 mRNA 的稳定性
  • 3‘-端的 poly（A）尾结构防止 mRNA 降解
  • mRNA 稳定性是由合成速率和降解速率共同决定的
  • mRNA 的半衰期可影响蛋白质合成的量，通过调节某些 mRNA 的稳定性，即可使相应蛋白质合成量受到一定程度的控制
  • 蛋白质产物也可调节 mRNA 的降解，如铁转运蛋白受体
• 一些非编码小分子 RNA 可引起转录后基因沉默
  • 核酶、核小 RNA（snRNA）、核仁小 RNA（snoRNA）
  • miRNA、piRNA、siRNA
• mRNA 前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达：选择性剪接的结果是由同一条 mRNA 前体产生了不同的成熟 mRNA，并由此产生了完全不同的蛋白质。这些蛋白质的功能可以完全不同，显示了基因调控对生物多样性的决定作用

真核基因表达在翻译及翻译后仍可受到调控

1. 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行
2. RNA结合蛋白参与对翻译起始的调节
   • RNA 结合蛋白（RBP），是指那些能够与 RNA 特异序列结合的蛋白质
   • 基因表达的许多调节环节都有 RBP 的参与，如前述转录终止、RNA 剪接、RNA 转运、RNA 在细胞质内稳定性控制以及翻译起始等
3. 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达
   • 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素
   • 通过对新生肽链的水解和运输,可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平
   • 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性
   • 通过对蛋白质可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰,可以达到调节蛋白质功能的作用,是基因表达的快速调节方式
4. 小分子RNA对基因表达的调节
   • miRNA 与 siRNA 的共同特点
     • 均由Dicer切割产生
     • 长度都在22个碱基左右
     • 都与 RISC（RNA 诱导的沉默复合体）形成复合体，与 mRNA 作用而引起基因沉默
   • miRNA 与 siRNA 的差异对比：见下表
5. 长非编码 RNA 在基因表达调控中的作用：一般不直接参与基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达