第八章 基因表達(dá)調(diào)控

Chapter9Geneexpressioncontrols

1Basicconceptionandprinciple一、基因表達(dá)的概念二、基因表達(dá)特性三、生物學(xué)意義四、基本原理一、基因表達(dá)的概念proteintranscriptiontranslationDNARNA基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程。二、基因表達(dá)特性

基因表達(dá)時(shí)空性時(shí)間特異性（階段特異性）空間特異性（細(xì)胞特異性、組織特異性）

基因表達(dá)方式組成性表達(dá)（constitutivegeneexpression）管家基因（Housekeepinggene）：相對缺少時(shí)間和空間特異性而持續(xù)表達(dá)的一類基因。誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)（inductionandrepression）：受環(huán)境因素影響而呈現(xiàn)出基因表達(dá)升高（誘導(dǎo)）或降低（阻遏）的現(xiàn)象。ProgrammingGeneExpression.Complexbiologicalprocessesofteninvolvecoordinatedcontroloftheexpressionofmanygenes.Thematurationofatadpoleintoafrogislargelycontrolledbythyroidhormone.Thishormoneregulatesgeneexpressionbybindingtoaprotein,thethyroidhormonereceptor,shownattheright.Inresponsetohormonebinding,thisproteinbindstospecificDNAsitesinthegenomeandmodulatestheexpressionofnearbygenes.Diagramofthehumanglobinfamilyofgenesonchromosome1ProcarboxypeptidaseA17.6Albumin3.52Pancreatictrypsinogen25.5ApolipoproteinA-I2.83Chymotrypsinogen4.4ApolipoproteinC-I2.54Pancreatictrypsin13.7ApolipoproteinC-III2.15ElastaseIIIB2.4ATPase6/81.56ProteaseE1.9Cytochromeoxidase31.17Pancreaticlipase1.9Cytochromeoxidase21.18ProcarboxypeptidaseB1.7a-1-Antitrypsin1.09Pancreaticamylase1.7Cytochromeoxidase10.910Bilesalt-stimulatedlipase1.4ApolipoproteinE0.9RankPancreas%Liver%Highlyexpressedprotein-encodinggenesofthepancreasandliver(aspercentageoftotalmRNApool)轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、降解翻譯水平基因表達(dá)的多級調(diào)控DNARNAPROTEIN基因激活翻譯后：加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、降解三、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化

四、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素（一）基因表達(dá)的調(diào)控序列（元件,element）：一段特異DNA序列

1、原核生物基因表達(dá)調(diào)控單元—操縱元（operon）

調(diào)控區(qū)：啟動(dòng)序列（啟動(dòng)子,promoter,P）

操縱序列(operator,O)

編碼區(qū)：編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）POABC調(diào)控序列（區(qū)）編碼序列（區(qū)）啟動(dòng)子(promoter,P)啟動(dòng)子概念：能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。啟動(dòng)子組成特點(diǎn)：有兩段保守序列(共有序列,consensussequence）,決定啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性大小。-10區(qū)：TATAAT(Pribnowbox),與RNA聚合酶核心酶結(jié)合-35區(qū)：TTGACA,與σ因子結(jié)合操縱序列(operator,O)：是阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)，與啟動(dòng)子序列毗鄰，常交叉、重疊。介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)激活蛋白結(jié)合序列---介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)間隔-35區(qū)間隔RNA起始TTGACAN17TTAACTN7ATTTACAN16TATGATN7ATTTACAN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN18TACTGTN6A-10區(qū)+1trptRNATyrlacRecAaraBADTTGACATATAAT共有序列2、真核生物基因表達(dá)調(diào)控序列—順式作用元件（cis-actingelement）:

影響自身基因表達(dá)活性的序列，位于基因的兩側(cè)或中間：

啟動(dòng)子（promoter）增強(qiáng)子(enhancer)沉默子(silencer)

BARNA聚合酶ⅡBADNADNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNAmRNA圖14-2順式作用元件概念轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)RNA聚合酶Ⅱ(二)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)蛋白1、原核生物：特異因子：決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套識(shí)別啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力，如因子：當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的因子。阻遏蛋白（repressor）結(jié)合操縱序列，阻遏基因表達(dá)激活蛋白（activator）與啟動(dòng)子附近DNA序列結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合2、真核生物：轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor)，可分為：

反式作用因子（trans-actingfactor）,大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子由某一基因表達(dá)后，與特異的順式作用元件作用（DNA-蛋白質(zhì)）激活另一基因的轉(zhuǎn)錄。

順式作用因子（cis-actingfactor）：極少數(shù)可識(shí)別和結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的開啟或關(guān)閉。蛋白質(zhì)mRNAPADNAPB轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNA順式調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)圖14-3反式與順式作用蛋白反式調(diào)節(jié)BA（三）調(diào)節(jié)機(jī)制：通過非共價(jià)鍵分子間相互作用蛋白質(zhì)–DNA相互作用（protein-DNAinteraction）：反式作用因子與順式作用元件特異識(shí)別和結(jié)合。蛋白質(zhì)–蛋白質(zhì)相互作用(protein-proteininteraction):蛋白質(zhì)之間相互作用可直接或間接結(jié)合DNA。（四）RNA聚合酶活性：

啟動(dòng)子序列影響其與RNA聚合酶的親合力。調(diào)節(jié)蛋白影響RNA聚合酶的活性。

第二節(jié)原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)乳糖操縱元(lac

operon)色氨酸操縱元(trp

operon)基因重組(geneticrecombination)SOS反應(yīng)(SOSresponse)（一）結(jié)構(gòu)組成：調(diào)控區(qū)：Plac、O、CAP結(jié)合位點(diǎn)和

編碼區(qū)：三個(gè)結(jié)構(gòu)基因（Z、Y、A）操縱元外有調(diào)節(jié)基因（lacI）編碼阻遏蛋白一、乳糖操縱元（lactoseoperon）圖16－2乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)（二）調(diào)節(jié)方式：

阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

CAP的正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)IPTG(乳糖類似物)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)CAP腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP;cAMP磷二酯酶水解cAMP產(chǎn)生5’-AMP圖16－3乳糖操縱子對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；沒有CAP時(shí)，即使阻遏蛋白從operator上解離仍無明顯的轉(zhuǎn)錄活性；若有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖---分解代謝阻遏（catabolicrepression）2CAPcAMPCAP位點(diǎn)低乳糖阻遏蛋白操縱序列高乳糖RNA聚合酶mRNA5'圖14-5CAP,阻遏蛋白，cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)1.當(dāng)葡萄糖濃度低，cAMP濃度高時(shí)2.當(dāng)葡萄糖濃度高，cAMP濃度低時(shí)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列1二、色氨酸操縱子（trpoperon）（一）色氨酸操縱元組成：調(diào)控區(qū)：啟動(dòng)子（Ptrp）、操縱序列（Otrp）、前導(dǎo)序列（trpL）、衰減子序列（trpa）；及遠(yuǎn)離的調(diào)節(jié)基因（trpR）結(jié)構(gòu)基因：trpE、trpD、trpC、trpB、trpA（二）調(diào)節(jié)方式：阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控；輔阻遏物(色氨酸)+輔阻遏蛋白=阻遏蛋白衰減子（trpa）機(jī)制阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

色氨酸操縱子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制圖16－6λ噬菌體的開關(guān)事件操縱基因的結(jié)構(gòu)衰減子（attenuator）：提前終止轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的DNA序列。位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)前，存在前導(dǎo)序列（162nt）中，當(dāng)trp濃度很高時(shí)，在與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的翻譯過程中，在mRNA分子上形成一個(gè)不依賴

因子的終止結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制1234轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制在高濃度色氨酸環(huán)境中，能形成色氨酰-tRNA，核糖體在翻譯過程中能通過片段1，同時(shí)影響片段2和3之間的發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成，但片段3和4之間能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)就是P因子不依賴的轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)，因此RNA聚合酶的作用停止。當(dāng)色氨酸缺乏時(shí)，色氨酰-tRNA也相應(yīng)缺乏，此時(shí)核糖體就停留在兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼的位置上，片段1和2之間不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，而片段2和3之間可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，結(jié)果使色氨酸操縱子得以轉(zhuǎn)錄。調(diào)節(jié)效應(yīng)：trpAttenuation:10-foldrepressiontrprepressor:70-foldrepressionTotalregulatoryeffect:700-foldrepression第三節(jié)真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)龐大：人30億（3×109）bp,基因占6%

單順反子（monocistron）

重復(fù)序列多基因不連續(xù)性(斷裂基因):外顯子（exon）、內(nèi)含子（intron）二、真核基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)三種RNA聚合酶（RNA-PolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

活性染色體結(jié)構(gòu)變化調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近對核酸酶敏感

RNA酶前方DNA呈負(fù)超螺旋，后方呈正超螺旋

5’側(cè)翼區(qū)CpG序列低甲基化組蛋白被修飾，核小體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)轉(zhuǎn)錄與翻譯分離轉(zhuǎn)錄后修飾、加工三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)

（一）順式作用元件

啟動(dòng)子：含有一組轉(zhuǎn)錄控制組件（module）

轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

TATA盒:位于-25~-35bp處，是TFIID結(jié)合位點(diǎn)，控制轉(zhuǎn)錄的準(zhǔn)確性和頻率

CAAT盒

GC盒

增強(qiáng)子（enhancer）：

增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。含有若干功能組件—增強(qiáng)體（enhanson）是TF結(jié)合的核心序列位于啟動(dòng)子內(nèi)、或交錯(cuò)、或相鄰、或其它部位遠(yuǎn)距離起作用，專一性不強(qiáng)，無方向性沉默子（silencer）負(fù)性調(diào)控元件，當(dāng)結(jié)合特異調(diào)控蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。Generalpatternofcis-actingcontrolelementsthatregulategeneexpressioninyeastandmulticellularorganisms(invertebrates,vertebrates,andplants).(a)Genesofmulticellularorganismsconta