生物化學(xué)第十三章 基因表達(dá)調(diào)控

第十三章

基因表達(dá)調(diào)控雖然存在于多細(xì)胞生物體內(nèi)的每個(gè)體細(xì)胞的遺傳信息是相同的,但每個(gè)細(xì)胞（蛋白質(zhì)）生物學(xué)功能呈現(xiàn)多樣化、顯著的差異。——為什么？外界的信息感知基因的表達(dá)呈開(kāi)放或增強(qiáng)，有些則成關(guān)閉或下降特定信號(hào)的刺激細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)2第一節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation3什么是基因（gene）？基因是負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段，可以編碼單個(gè)具有生物功能的產(chǎn)物，包括RNA和多肽鏈。一、基因表達(dá)是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程4什么是基因組？基因組（genome）是指來(lái)自一個(gè)生物體的一套遺傳信息。原核細(xì)胞基因組指單個(gè)環(huán)狀染色體所包含的全部基因；真核生物基因組指所有染色體所包含的所有DNA。全球第一例中國(guó)人標(biāo)準(zhǔn)基因組序列圖譜的一部分5基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，即：生成具有生物學(xué)功能產(chǎn)物的過(guò)程?；虮磉_(dá)調(diào)控控制基因表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制例如：人類(lèi)基因組含3-4萬(wàn)個(gè)編碼基因，在某一特定時(shí)期或生長(zhǎng)階段，只有一小部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。（激活）（功能及形態(tài)表型）6時(shí)間特異性（階段特異性）空間特異性（組織或細(xì)胞特異性）基因表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生（AFP基因的表達(dá)）多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同（胰島素基因的表達(dá)）二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性7基本（或組成性）表達(dá)例如：三羧酸循環(huán)是一中樞代謝途徑，催化該途徑各階段反應(yīng)的酶的編碼基因就屬管家基因三、基因表達(dá)的方式及調(diào)節(jié)存在很大的差異有些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過(guò)程都是必需的或必不可少的。這類(lèi)基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因8誘導(dǎo)表達(dá)阻遏表達(dá)乳糖操縱子是誘導(dǎo)，阻遏表達(dá)的典型模型適應(yīng)性表達(dá)是指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)基因表達(dá)。因環(huán)境條件變化使基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象隨環(huán)境條件變化使基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象例：修復(fù)酶基因例：色氨酸培養(yǎng)基9在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。例：某一代謝途徑的相關(guān)酶10四、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長(zhǎng)、發(fā)育所必需1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖例如：

(1)G↑→細(xì)菌利用G酶增加，其他的糖代謝相關(guān)酶關(guān)閉；

(2)乳糖↑、G↓→乳糖代謝相關(guān)酶編碼基因表達(dá)；

(3)飲酒→醇氧化酶基因表達(dá)→醇氧化酶活性↑。2.維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常。11第二節(jié)

基因表達(dá)調(diào)控的基本原理BasicPrinciplesofGeneExpressionRegulation調(diào)控點(diǎn)基因激活等蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄起始（microRNA）轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解翻譯后加工修飾及蛋白質(zhì)降解轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達(dá)的最主要和重要的調(diào)控步驟基因表達(dá)的多水平調(diào)控一、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性13蛋白質(zhì)因子二、基因轉(zhuǎn)錄激活受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與啟動(dòng)子相互作用的調(diào)節(jié)

編碼序列mRNA特異DNA序列14原核生物特異DNA序列（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性

編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)特異DNA序列——操縱子(operon)

機(jī)制15是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1）啟動(dòng)序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列16共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。

五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列(Pribnowbox)172）操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白183）其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如：激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列（調(diào)節(jié)序列），促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。有些基因在沒(méi)有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。19順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNA圖13-2順式作用元件真核生物的特異DNA序列20順式作用元件模式圖轉(zhuǎn)錄起始順式作用元件啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)基因沉默子TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子(特異DNA序列)RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)共同序列及接受控制21

編碼序列mRNA特異因子阻遏蛋白激活蛋白（CAP）特異DNA序列調(diào)節(jié)蛋白（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強(qiáng)或抑制轉(zhuǎn)錄活性1、原核基因的調(diào)節(jié)蛋白（DNA結(jié)合蛋白）

啟動(dòng)序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列（啟動(dòng)序列識(shí)別與結(jié)合）（操縱序列）（調(diào)節(jié)序列）222、真核基因的調(diào)節(jié)蛋白反式作用因子－反式（調(diào)節(jié)）作用轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

（轉(zhuǎn)錄因子）

順式作用蛋白－順式（調(diào)節(jié)）作用

絕多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子有它的編碼基因表達(dá)后，通過(guò)與特異的順式作用元件的識(shí)別、結(jié)合，方式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，這種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子23由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過(guò)與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用稱(chēng)為反式作用。

aDNA反式調(diào)節(jié)bAmRNA蛋白質(zhì)AA24cDNAC順式調(diào)節(jié)

mRNAC蛋白質(zhì)C圖13-3反式與順式作用蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識(shí)別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá)，稱(chēng)順式作用。25順式作用元件GC盒TATA盒增強(qiáng)子CAAT盒結(jié)構(gòu)基因

啟動(dòng)子沉默子（三）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過(guò)與DNA或與蛋白質(zhì)相互作用對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-DNA相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異性識(shí)別與結(jié)合。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合DNA前要形成二聚體/多聚體順式作用元件反式作用因子(調(diào)節(jié)蛋白)26（四）RNA聚合酶與基因的啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子相結(jié)合（可刪除）1、原核啟動(dòng)序列/真核啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性

RNA聚合酶與其的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。2、調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)，然后通過(guò)DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。27第三節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)節(jié)RegulationofGeneExpressioninProkaryote28——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始。一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性

在轉(zhuǎn)錄起始階段，σ因子識(shí)別特異啟動(dòng)序列；不同的σ因子決定特異基因的轉(zhuǎn)錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉(zhuǎn)錄。29（二）操縱子模型的普遍性

原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位──操縱子（operon）。一個(gè)操縱子只含一個(gè)啟動(dòng)序列（promoter）及數(shù)個(gè)可轉(zhuǎn)錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉(zhuǎn)錄出多順?lè)醋觤RNA。原核基因的協(xié)調(diào)表達(dá)就是通過(guò)調(diào)控單個(gè)啟動(dòng)基因的活性來(lái)完成的。30（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)原核基因調(diào)控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開(kāi)、關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制。當(dāng)阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合或解聚時(shí)，就會(huì)發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。31二、操縱子調(diào)控模式在原核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)中具有普遍性操縱子的提出大腸桿菌二階段生長(zhǎng)現(xiàn)象停頓32（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶IZYAOPDNA調(diào)節(jié)基因33mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)34mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖13-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)35++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)2、CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP363.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)（低）轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱(chēng)分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

37mRNA低乳糖時(shí)高乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO38三、原核生物具有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機(jī)制（二）不依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（一）依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見(jiàn)于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：39四、原核生物在翻譯水平受到多個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)（一）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動(dòng)序列或啟動(dòng)序列周?chē)M(jìn)行自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識(shí)別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱(chēng)自我控制(autogenouscontrol)。（二）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)序列對(duì)翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié)

細(xì)菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的RNA，通過(guò)與mRNA雜交阻斷30S小亞基對(duì)起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為反義控制(antisensecontrol)。第四節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)RegulationofGeneExpressioninEukaryote42一、真核基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大

哺乳類(lèi)動(dòng)物基因組DNA約3×109堿基對(duì)。

人編碼基因約4萬(wàn)個(gè)，編碼序列僅占總長(zhǎng)的1%。rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%。43（二）真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋訂雾樂(lè)醋?monocistron)

即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）真核基因組含有大量的重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列44

真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在有不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，往往是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有內(nèi)含子（intron）、外顯子（exon）之分，因此真核基因是不連續(xù)的。（四）真核基因中存在非編碼序列和間隔區(qū)，故：具有不連續(xù)性45二、真核基因表達(dá)調(diào)控更為復(fù)雜（一）真核細(xì)胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶分別負(fù)責(zé)三種RNA的轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶polⅠRNA聚合酶RNA聚合酶polШRNA聚合酶polⅡ46對(duì)核酸酶敏感DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化DNA堿基的甲基化修飾組蛋白變化甲基化與基因表達(dá)程度成反比磷酸化與乙?；购诵◇w結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定有利于轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶前方轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA為正超螺旋：后方負(fù)超螺旋；組蛋白解聚（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化47（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進(jìn)行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核翻譯在胞漿比原核復(fù)雜正性調(diào)節(jié)更有效：基因組龐大，正性調(diào)節(jié)增加基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特異性和精確性負(fù)性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)：基因多，多阻遏不如少激活48轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件反式作用因子啟動(dòng)子（promoter）增強(qiáng)子（enhancer）沉默子（silencer）四、RNAPolII轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜三、RNAPolI和PolIII轉(zhuǎn)錄體系調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單49真核生物順式作用元件CAAT盒TATA盒增強(qiáng)子GC盒結(jié)構(gòu)基因

轉(zhuǎn)錄起始啟動(dòng)子

+1-25bp

沉默子50啟動(dòng)子TATA盒GC盒CAAT盒（TATAAAA）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游25-30bp是基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD結(jié)合位點(diǎn),控制轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率（GGGCGG）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游70-80bp（GCCAAT）轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游80-110bp轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游RNA-pol結(jié)合位點(diǎn)周?chē)囊唤M轉(zhuǎn)錄控制功能組件，（一）真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性51增強(qiáng)子遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1-30kb），決定基因時(shí)間，空間特異性表達(dá)，增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列轉(zhuǎn)錄起始啟動(dòng)子與增強(qiáng)子缺一不可沉默子負(fù)性調(diào)節(jié)元件，阻遏基因轉(zhuǎn)錄521.反式作用因子分類(lèi)1）基本轉(zhuǎn)錄因子2）特異轉(zhuǎn)錄因子RNA-pol結(jié)合啟動(dòng)子必需的一組蛋白因子，常見(jiàn)種類(lèi)為T(mén)FⅡD個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需的種類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活蛋白轉(zhuǎn)錄抑制蛋白結(jié)合特點(diǎn)與增強(qiáng)子結(jié)合與沉默子結(jié)合功能轉(zhuǎn)錄激活轉(zhuǎn)錄抑制（二）反式作用因子是重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白532.反式作用因子結(jié)構(gòu)1)DNA結(jié)合域2)

轉(zhuǎn)錄激活域3)

二聚化結(jié)構(gòu)域與順式作用元件結(jié)合部位介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域①螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋②鋅指結(jié)構(gòu)：Cys-Cys鋅指；Cys-His鋅指③堿性亮氨酸拉鏈：形成二聚體結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域54①螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體

-螺旋-轉(zhuǎn)角螺旋螺旋轉(zhuǎn)角NC最常見(jiàn)的DNA結(jié)合域：55②鋅指模體組氨酸殘基-折疊-螺旋Zn半胱氨酸殘基-折疊5657③

亮氨酸拉鏈模體58

TFⅡH轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活需要轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成59六.轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)（一）hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié)（二）mRNA運(yùn)輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的