基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)調(diào)控生物化學(xué)基因表達(dá)調(diào)控是指生物體內(nèi)控制細(xì)胞基因表達(dá)的分子機制。1961年，雅各布（F.Jacob）和莫諾德（J.Monod）提出了基因表達(dá)調(diào)控的操縱子學(xué)說，開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控研究的新紀(jì)元。通過對基因表達(dá)調(diào)控的研究，人們不僅能認(rèn)識一個受精卵是如何發(fā)育成一個完整的個體的，還能了解具有相同遺傳信息的不同組織細(xì)胞為什么可以產(chǎn)生各自特有的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。細(xì)胞的生長和增殖是細(xì)胞最基本而又重要的行為，也是一個受多種因素精細(xì)調(diào)控的復(fù)雜過程。癌基因和抑癌基因作為細(xì)胞生長和增殖的調(diào)控基因，在功能上相互拮抗、相互協(xié)調(diào)，當(dāng)兩類基因中任何一種或它們共同變化時，都可引起細(xì)胞增殖失去控制而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生?；虮磉_(dá)調(diào)控1.基因表達(dá)的概念基因表達(dá)是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成RNA，或由此引起蛋白質(zhì)合成的過程，即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程。不同生物的基因組含有不同數(shù)量的基因，如細(xì)菌的基因組約含4000個基因，人類基因組含2萬～2.5萬個基因。在某一特定時期或生長階段，基因組中只有小部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。例如，大腸埃希菌通常只有約5%的基因處于高水平轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)，其余大多數(shù)基因不表達(dá)或表達(dá)水平極低。1.1基因表達(dá)調(diào)控的基本概念2.基因表達(dá)調(diào)控的概念基因表達(dá)調(diào)控是指在基因表達(dá)的不同階段控制基因表達(dá)速率和產(chǎn)量的過程。例如，轉(zhuǎn)錄時可通過控制mRNA的拷貝數(shù)來調(diào)節(jié)基因表達(dá)產(chǎn)物的量?；虮磉_(dá)調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個階段，包括轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平及翻譯后水平的調(diào)控，但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要?；虮磉_(dá)具有兩個基本特點，即時間特異性和空間特異性。1.基因表達(dá)的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，稱為基因表達(dá)的時間特異性。例如，在生物體的不同發(fā)育階段，都會有不同的基因嚴(yán)格按照自己特定的時間順序開啟或關(guān)閉，表現(xiàn)為與分化和發(fā)育相一致的時間特異性?；虮磉_(dá)的時間特異性可作為判斷生物體是否異常的標(biāo)志。例如，編碼甲胎蛋白（AFP）的基因在胎兒肝細(xì)胞中活躍表達(dá)，合成大量的甲胎蛋白；但成年后這一基因就很少表達(dá)或不表達(dá)，幾乎檢測不到AFP。1.2基因表達(dá)的特點2.基因表達(dá)的空間特異性在個體生長發(fā)育的全過程中，某種基因產(chǎn)物在個體不同組織空間出現(xiàn)，稱為基因表達(dá)的空間特異性，使不同的組織細(xì)胞發(fā)揮不同的生理功能。基因表達(dá)的空間特異性可作為判斷機體組織或器官是否異常的標(biāo)志。例如，編碼心肌肌鈣蛋白I（cTnI）的基因主要在心肌細(xì)胞中表達(dá)，在骨骼肌細(xì)胞中不表達(dá)，當(dāng)心肌損傷時，存在于心肌細(xì)胞中的cTnI隨細(xì)胞的壞死釋放入血，使血漿中cTnI的含量增高。因此，臨床上將cTnI作為診斷心肌梗死的標(biāo)志物。基因表達(dá)的基本方式有兩種，即組成性表達(dá)和適應(yīng)性表達(dá)。1.組成性表達(dá)組成性表達(dá)是指生物體內(nèi)不受環(huán)境變化影響的一類基因表達(dá)。這類基因表達(dá)的產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的。2.適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)是指生物體內(nèi)易受環(huán)境影響的一類基因表達(dá)。適應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)性表達(dá)，相應(yīng)的基因稱為可誘導(dǎo)基因；隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏性表達(dá)，相應(yīng)的基因稱為可阻遏基因。1.3基因表達(dá)的基本方式1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖生物體處在不斷變化的環(huán)境中，為了適應(yīng)各種環(huán)境變化，生物體必須通過調(diào)整自身狀態(tài)對內(nèi)、外環(huán)境的變化做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。例如，當(dāng)葡萄糖供應(yīng)充足時，細(xì)菌中與葡萄糖代謝有關(guān)的酶編碼基因表達(dá)增強，而與其他糖類代謝有關(guān)的酶編碼基因關(guān)閉。2.維持細(xì)胞分化與個體發(fā)育多細(xì)胞生物在生長發(fā)育的不同階段對蛋白質(zhì)種類和含量的要求不同，為了適應(yīng)這種需求，生物體就需要對基因表達(dá)譜及表達(dá)量做出調(diào)整，這也是通過基因表達(dá)調(diào)控實現(xiàn)的。1.4基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義原核生物的細(xì)胞沒有細(xì)胞核，亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其基因組也比真核生物簡單。因此，原核生物基因表達(dá)調(diào)控有其自身的特點。1.5原核生物的基因表達(dá)調(diào)控01020304（1）RNA聚合酶。基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的啟動過程就是RNA聚合酶與特異的啟動子相互識別和結(jié)合的過程。（3）阻遏因子。阻遏因子能夠與其特異的操縱基因元件相識別并結(jié)合，阻斷基因的表達(dá)。（2）σ因子。σ因子主要參與RNA聚合酶對特異啟動子的識別作用。（4）激活因子。激活因子能夠介導(dǎo)或促進(jìn)特異基因的表達(dá)，常見的是cAMP受體蛋白或分解產(chǎn)物基因激活蛋白。1.參與原核生物基因表達(dá)調(diào)控的蛋白因子2.原核生物基因表達(dá)調(diào)控模式——操縱子1961年，雅各布和莫諾德在研究大腸埃希菌乳糖分解代謝的調(diào)控機制時，首次發(fā)現(xiàn)并提出了操縱子的概念。在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子，是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要模式。（1）操縱子的基本結(jié)構(gòu)。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分（見圖1-6）。常見的控制區(qū)由3種調(diào)控元件組成。①調(diào)節(jié)基因（R），為阻遏因子或調(diào)節(jié)蛋白的編碼基因。②啟動基因（P），即啟動子，為RNA聚合酶的識別與結(jié)合區(qū)。③操縱基因（O），為阻遏因子或調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點。信息區(qū)由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。圖1-6乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)與調(diào)控機制（2）乳糖操縱子的調(diào)控機制。大腸埃希菌乳糖操縱子參與細(xì)菌乳糖分解代謝相關(guān)的3個酶基因的表達(dá)調(diào)控。乳糖操縱子的控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因或抑制基因（I），啟動基因和操縱基因；其信息區(qū)則是由3種與乳糖分解代謝相關(guān)的基因，即β-半乳糖苷酶基因（lacZ）、透酶基因（lacY）和乙?；D(zhuǎn)移酶基因（lacA）串聯(lián)在一起構(gòu)成的。①阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)。在沒有乳糖存在時，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)。此時，I表達(dá)的阻遏蛋白與O序列結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與P序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄啟動。當(dāng)有乳糖存在時，乳糖操縱子即可被誘導(dǎo)。乳糖經(jīng)透酶催化轉(zhuǎn)運進(jìn)細(xì)胞，再經(jīng)原有的少量β-半乳糖苷酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖。②CAP的正性調(diào)節(jié)。CAP是同二聚體，分子中有DNA結(jié)合區(qū)和cAMP結(jié)合位點。當(dāng)沒有葡萄糖時，細(xì)胞內(nèi)的cAMP濃度增高，cAMP與CAP結(jié)合，使CAP活化，活化的CAP結(jié)合在乳糖操縱子啟動序列附近的CAP位點，可刺激RNA的轉(zhuǎn)錄活性，使之提高約50倍；當(dāng)有葡萄糖時，cAMP濃度降低，cAMP與CAP結(jié)合受阻，乳糖操縱子表達(dá)下降。由此可見，對乳糖操縱子來說乳糖阻遏蛋白是負(fù)性調(diào)節(jié)因素，CAP是正性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機制根據(jù)碳源的性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)乳糖操縱子的表達(dá)。真核生物基因組結(jié)構(gòu)及基因表達(dá)的調(diào)控機制較原核生物復(fù)雜得多。就人類染色體DNA而言，就有30億個堿基對，2萬～2.5萬個基因。通常，這些基因中只有2%～15%處于表達(dá)狀態(tài)，并且受遺傳、內(nèi)環(huán)境及外環(huán)境因素的影響。真核生物基因表達(dá)調(diào)控是通過特異的蛋白因子與特異的DNA序列相互作用來實現(xiàn)的。這些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的特異DNA序列稱為順式作用元件，而與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白因子則稱為反式作用因子。1.6真核生物的基因表達(dá)調(diào)控1.順式作用元件的類型與功能（1）啟動子。啟動子是RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄起始時所識別和結(jié)合的一段DNA序列。典型的真核生物啟動子序列由核心啟動子和啟動子近端元件兩部分組成。核心啟動子位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-25～-30bp處，通常是一段富含TATA的序列，稱為TATA盒。核心啟動子為真核RNA聚合酶的識別與結(jié)合區(qū)，主要控制基因轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性。啟動子近端元件是位于轉(zhuǎn)錄起始點上游-30～-110bp處的一些保守DNA序列，其特征性保守序列為GCCAAT（CAAT盒）和GGGGCGG（GC盒），這些序列為反式作用因子的結(jié)合位點，控制基因轉(zhuǎn)錄的頻率和強度。01020304①在轉(zhuǎn)錄起始點上游或下游均起作用，有時也可位于受調(diào)控基因的內(nèi)含子中。③發(fā)揮作用與受控基因的遠(yuǎn)近距離相對無關(guān)。②作用無方向性，即相對于啟動子的任一指向均能發(fā)揮作用。④增強子需要有啟動子才能發(fā)揮作用，沒有啟動子存在，增強子便不能表現(xiàn)活性。（2）增強子。增強子是指能促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。增強子能使結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速率大大提高。其作用特點如下：（3）沉默子。沉默子是指對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA序列，屬于負(fù)性調(diào)控元件，其作用機制與增強子類似。當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。另有些DNA序列既可作為正性調(diào)節(jié)元件又可為負(fù)性調(diào)節(jié)元件發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用，這主要取決于細(xì)胞內(nèi)DNA結(jié)合因子的性質(zhì)。2.反式作用因子的類型與功能反式作用因子是指能直接或間接與順式作用元件相互作用、調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，又稱轉(zhuǎn)錄因子（TF）。（1）轉(zhuǎn)錄因子的分類。轉(zhuǎn)錄因子包括基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子兩大類?；巨D(zhuǎn)錄因子是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白質(zhì)因子，決定3種RNA（tRNA、mRNA及rRNA）轉(zhuǎn)錄的類別。有人將其視為RNA聚合酶的組成成分或亞基，故稱為基本轉(zhuǎn)錄因子。特異轉(zhuǎn)錄因子為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達(dá)，此類特異因子有的起轉(zhuǎn)錄激活作用，有的起轉(zhuǎn)錄抑制作用。①D