第18章基因表達(dá)調(diào)控

第十八章基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)

基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與特點(diǎn)一、基因表達(dá)是指基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，即：生成具有生物學(xué)功能產(chǎn)物的過程。基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的。二、基因表達(dá)具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時間特異性(temporalspecificity)。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。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(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。三、基因表達(dá)的方式存在多樣性按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：基本（或組成性）表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。無論表達(dá)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(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(induciblegene)。可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(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)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)四、基因表達(dá)受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強(qiáng)或抑制轉(zhuǎn)錄活性調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物不僅能對處于同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，而且還能對不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)起到同樣的作用，這些蛋白質(zhì)因子稱為反式作用因子。調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，被稱為順式作用元件。

順式作用元件（cis-actingelement)與反式作用因子(trans-actingfactor)

指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價(jià)結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點(diǎn)通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合DNA前，需通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質(zhì)相互作用對轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行調(diào)節(jié)五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性基因表達(dá)的多級調(diào)控基因激活拷貝數(shù)重排甲基化程度轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾蛋白質(zhì)降解等轉(zhuǎn)錄起始六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長和發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖生物體所處的內(nèi)、外環(huán)境是在不斷變化的。通過一定的程序調(diào)控基因的表達(dá)，可使生物體表達(dá)出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長和增殖。（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個體發(fā)育在多細(xì)胞個體生長、發(fā)育的不同階段，或同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的關(guān)鍵。第二節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控

蛋白質(zhì)因子——操縱子(operon)

機(jī)制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始σ因子決定RNA聚合酶識別特異性

在轉(zhuǎn)錄起始階段，σ因子識別特異啟動序列；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。是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列

五種E.coli啟動序列的共有序列共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。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、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，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。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，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如：激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（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ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（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)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(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)++++轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)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(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，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，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

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原核生物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)三、色氨酸操縱子通過轉(zhuǎn)錄衰減的方式阻遏基因表達(dá)四、原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機(jī)制（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，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)：五、原核生物在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細(xì)調(diào)控

（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達(dá)調(diào)控的有效性（二）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動子或啟動子周圍進(jìn)行自我調(diào)節(jié)（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對翻譯起始的調(diào)控（四）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)序列以調(diào)節(jié)翻譯起始（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控一、真核細(xì)胞基因表達(dá)特點(diǎn)真核基因組比原核基因組大得多

哺乳類動物基因組DNA約3×109堿基對。

人編碼基因約4萬個，編碼序列僅占總長的1%。rDNA等重復(fù)基因約占5%~10%。

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。③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②真核基因組含有大量的非編碼序列④真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對核酸酶極為敏感活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。（二）轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變組蛋白變化富含Lys組蛋白水平降低H2A·H2B二聚體不穩(wěn)定性增加組蛋白H3、H4發(fā)生乙?；?、甲基化或磷酸化修飾組蛋白修飾對于基因表達(dá)影響的機(jī)制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)修飾征集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。組蛋白氨基酸殘基位點(diǎn)修飾類型功能H3Lys-4甲基化激