生化第13章基因表達調控

1、第13章基因表達調控Regulation of Gene Expression濱州醫(yī)學院生物化學與分子生物學教研室第一節(jié)基因表達調控的基本規(guī)律Basic Principles of Gene Expression Regulation一、基因表達具有時空特異性根據(jù)生長、分化和發(fā)育等功能的需要，隨著環(huán)境的變化，按照一定的時間順序先后表達，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)或階段特異性(stage specificity) 。 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatial specificity)或細胞或

2、組織特異性（cell or tissue specificity)。同一個體內的不同器官、組織、細胞的差異性的基礎是特異的基因表達或稱為差異基因表達（differential gene expression） 。 基因表達的種類和強度決定了細胞的分化狀態(tài)和功能，既細胞的基因表達譜（gene expression profile）。換言之，在個體內決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式（gene expression pattern）。二、誘導表達和阻遏表達是基因表達調控的普遍模式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)

3、表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutive gene expression)。在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基因(inducible gene)?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。 如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressible gene)?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為

4、阻遏(repression)。三、基因表達受順式作用元件和反式作用因子共同調節(jié)順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的DNA序列反式作用因子(cis-acting element)由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達四、蛋白質DAN以及蛋白質蛋白質的相互作用是基因表達調控的分子基礎作為反式作用因子的調節(jié)蛋白具有特定的空間結構，通過特異性地識別某些DAN序列與順式作用元件發(fā)生相互作用。五、基因表達調控是多層次的復雜調節(jié)基因表達的多級調控基因激活拷貝數(shù)重排甲基化程度轉錄起始 轉錄后加工mRNA降解蛋白質翻譯翻譯后

5、加工修飾蛋白質降解等轉錄起始第二節(jié)原核生物的基因表達調控Gene Expression Regulation in prokaryote 一、轉錄水平的調控是原核生物基因表達的關鍵環(huán)節(jié) 操縱子(operon)：原核生物基因組結構的基本單位，也是基本轉錄單位。由串聯(lián)的結構基因和調控序列組成。調控序列包括：啟動子、操縱序列以及一定距離外的調節(jié)基因。（一）操縱子是原核生物基因表達調控的基本單位原核生物 蛋白質因子 操縱子(operon) 機制特異DNA序列編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調節(jié)序列(promoter)(operator)調節(jié)基因（regulatory gene）:編碼能夠與操作序列結

6、合的調控蛋白。一般來講，調節(jié)基因編碼的蛋白可以阻遏結構基因的表達，因此又稱阻遏蛋白（repressor）.調控蛋白與操縱序列結合后能夠減弱或阻止基因轉錄，其介導的調控方式稱為負調控（negative regulation）。如果調控蛋白與操縱序列結合后能增強或啟動基因轉錄，則稱為正調控（positive regulation）。（二）、乳糖操縱子模型詮釋了原核生物轉錄起始誘導的基本機制乳糖操縱子(lac operon)的結構 調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列 結構基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時 乳糖操縱

7、子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節(jié)阻遏基因1、阻遏蛋白的負性調節(jié)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2、CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3、協(xié)調調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分

8、解代謝阻遏(catabolic repression)。 mRNA低半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO色氨酸操縱子其結構基因表達產(chǎn)物一般是參與某種物質合成代謝的酶類。 如trp操縱子，兩種情況：1細胞中色氨酸豐富時（阻遏）：色氨酸作為（輔）阻遏物與輔阻遏蛋白結合，使后者有活性，能與操縱基因結合，結構基因則處于關閉狀態(tài)而不表達。色氨酸稱為輔阻遏劑或輔阻遏物。二、翻譯水平的調控是對轉錄調控的補充（一）轉錄與翻譯的偶聯(lián)調控提高了基因表達調控的有效性前導序列L的結構特點：（1）它可以生成一段長162bp，內含4個特殊短序列的前導mRNA（2）序列

9、1有獨立的起始和終止密碼子，可翻譯成為一個有14個氨基酸殘基的前導肽，它的第10位和第11位都是色氨酸殘基（3）序列1和序列2、序列2和序列3、序列3和序列4之間存在一些互補序列，分別可以形成發(fā)夾結構。（4）序列4下游有一個連續(xù)的U序列，是一個不依賴p因子的轉錄終止信號。轉錄衰減機制轉錄與翻譯的偶聯(lián)導致衰減子的形成色氨酸操縱子的mRNA序列1中有兩個色氨酸密碼子，翻譯時如果色氨酸濃度很高，則核蛋白體很容易通過序列1，并且封閉序列2。色氨酸操縱子的mRNA序列3和序列4形成衰減子結構，使前方的RNA聚合酶脫落，轉錄終止。反之，如果色氨酸缺乏，則核蛋白體停止于序列1的色氨酸密碼子前，序列2和序列3

10、形成發(fā)夾結構，阻止了序列3和4形成衰減子結構，RNA聚合酶繼續(xù)向前轉錄。轉錄衰減機制34 1 UGGUGG253UUUU 1 UGGUGG253UUUU34色氨酸充足時前導肽 1 UGGUGG5432衰減子轉錄終止色氨酸不足時SD序列，又稱核糖體結合位點。SD序列的特征、SD序列與起始密碼子之間的距離，以及mRNA二級結構對SD序列的屏蔽等都會影響到翻譯起始的效率。（二）、SD序列影響翻譯起始速度編碼區(qū)的起始點可與調節(jié)分子直接或間接地結合起來決定翻譯起始。在此調控過程中，調節(jié)蛋白可以結合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結合。（三）、翻譯阻遏利用蛋白質與自身mRNA的結合實現(xiàn)翻譯起始的調控mRNA

11、的密碼子是常用密碼子時，mRNA的翻譯速度較快，反之，mRNA的翻譯速度較慢。（四）、mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯的延伸速度第三節(jié)真核生物的基因表達調控Gene Expression Regulation in eukaryotes 真核生物比原核生物復雜的原因（1）真核比原核基因組大（2）真核只有10的編碼序列，90功能不清（3）真核編碼蛋白質的基因不連續(xù)（4）真核生物是單順反子（5）真核生物DNA和蛋白質構成染色質（6）真核生物還有線粒體DNA，既相互獨立，又相互協(xié)調。一、真核生物染色質結構直接影響基因轉錄以染色質形式組裝在細胞核內的DNA所攜帶的遺傳信息表達直接受到染色質結構的制約。

12、染色質轉錄活化狀態(tài)和轉錄非活化狀態(tài)在結構和性質上有很大的差別。1 轉錄活化的染色質對核酸酶極為敏感轉錄活化區(qū)域是缺乏或沒有核小體結合的“裸露”DNA，從而出現(xiàn)了對核酸酶高度敏感的位點，稱之為超敏位點。2轉錄活化的染色質的組蛋白發(fā)生改變（1）富含賴氨酸的H1組蛋白含量降低（2）H2A-H2B的不穩(wěn)定性增加（3）核心組蛋白可以被甲基化、磷酸化、乙?；头核鼗揎?。組蛋白乙?；福℉AT）使組蛋白發(fā)生乙?；?，促染色體結構松弛，利于轉錄，稱為轉錄輔激活因子，而組蛋白去乙?；福℉DAC），稱為轉錄輔抑制因子。3 RNA聚合酶結合位點的上游和下游具有不同的超螺旋構象轉錄啟動后，RNA聚合酶沿DNA模板向

13、下游滑動，使得下游的DAN呈現(xiàn)正超螺旋結構，有利于核小體的解體，而RNA聚合酶上游的DNA結構則以負超螺旋為主，有利于核小體結構的再形成。4 CpG島甲基化水平降低轉錄活躍狀態(tài)的染色質中， CpG島甲基化程度降低。表觀遺傳（epigenetic inheritance）：染色質結構對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內存在具有維持甲基化作用的DNA甲基轉移酶，可以在DNA復制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化。二、轉錄速度決定RNA合成效率1 真核生物啟動子結構和調節(jié)較原核生物復雜 真核生物啟動子一般包括轉錄起始點及其上游的約100200bp序列，

14、包含有若干具有獨立功能的DNA序列元件，每個元件長約730bp.（一）順式作用元件可以直接影響基因表達活性2 增強子(enhancer) 是一種能夠提高轉錄效率的順式調控元件（1）增強子與被調控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。（2）增強子是組織特異性轉錄因子的結合部位。（3）增強子不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠距離實施調節(jié)作用。（4）增強子的作用與序列方向性無關。（5）增強子需要有啟動子才能發(fā)揮作用。3 沉默子(silencer) 能夠抑制基因的轉錄 沉默子是一類負性調控元件，與增強子類似，也能遠距離發(fā)揮作用。（二）、轉錄因子是轉錄調控的關鍵分子轉錄因子一般含有三個

15、不同的功能結構域：DNA結合結構域（DNA binding domain）轉錄激活結構域（activation domain）其它蛋白質結合的結構域（protein binding domain）1、轉錄因子利于特定的蛋白質模體與DNA結合（1）鋅指（zinc finger）結構 大約有23個氨基酸殘基，形成1個螺旋和2個反向平行折疊的二級結構。鋅指(zinc finger)C CysH His常結合GC盒ZnCysHis圖13-8 鋅指結構（2）堿性螺旋環(huán)螺旋（basic helix-loop-helix）這類結構至少有兩個螺旋，有一個短肽段形成的環(huán)所連接。通常以二聚體形式存在。（3）堿性亮

16、氨酸拉鏈（basic leucine zipper） 在蛋白質C末端的氨基酸序列中，每隔6個氨基酸是一個疏水性的亮氨酸殘基。其N末端富含堿性氨基酸區(qū)域，可以借助其正電荷與DNA骨架上的磷酸基團結合。2 轉錄激活結構域可增強基因的轉錄活性（1）酸性激活結構域（acidic activation domain）（2）谷氨酰胺富含結構域（glutamine-rich domain）（3）脯氨酸富含結構域（proline-rich domain）3 轉錄因子在功能上有基本轉錄因子和組織特異轉錄因子之分通用轉錄因子（general transcription factors） 有些轉錄因子為RNA聚合酶啟動子所必須，是轉錄起始所需要的最基本的蛋白組分。組織特異轉錄因子（special transcriptin factors） 不同的組織細胞則都有其在特定