基因表達調(diào)控基本概念和工作要求

1、基因表達調(diào)控基本概念和工作要求第一節(jié)基因表達調(diào)控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表達是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程基因組(genome)來自一個生物體的一整套遺傳物質(zhì)。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(gene expression)基因表達是受調(diào)控的。二、基因表達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嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stag

2、e specificity)。（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cell or tissue 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)。三、基因表達的方式及調(diào)節(jié)存在很大差異按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導(dǎo)或阻遏表達（一）基本（或組成性）表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。無論表達水平高低，

3、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)。（二）有些基因的表達受到環(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，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(inducible gene)。可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，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(repressible gene)?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。在一定機

4、制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。四、基因表達調(diào)控為生物體生長、發(fā)育所必需（一）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，可使生物體表達出合適的蛋白質(zhì)分子，以便更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其生長和增殖。 （二）以維持細胞分化與個體發(fā)育在多細胞個體生長、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)細胞表型的關(guān)鍵。 第二節(jié)基因

5、表達調(diào)控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation一、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性基因表達的多級調(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)錄起始二、基因轉(zhuǎn)錄激活受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調(diào)節(jié)基因表達的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個體或細胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細胞內(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)蛋白可以增強或抑制轉(zhuǎn)錄活性原核生物 蛋白質(zhì)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(diào)

6、節(jié)序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1、啟動序列RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列圖13-1 五種啟動序列的共有序列共有序列(consensus sequence) 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。2、操

7、縱序列 阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(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3、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RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強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。真核生物1、順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點mRNARNA聚合酶BADNA轉(zhuǎn)錄起始點m

8、RNA圖13-2 順式作用元件不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。2、真核基因的調(diào)節(jié)蛋白還有蛋白質(zhì)因子可特異識別、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，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過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。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式作用。 反式作用因子(trans-acting factor) cDNAaDNA反式調(diào)節(jié)C順式調(diào)節(jié) mRNA C蛋白質(zhì)CbA mRNA蛋白質(zhì)AA圖13-3 反式與順式作用蛋白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。

9、通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、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)。（三）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)錄起始進行調(diào)節(jié)（四）RNA聚合酶與基因的啟動序列/啟動子相結(jié)合1、原核啟動序列/真核啟動子與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)境信號刺激下表達，然后通過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。第三節(jié) 原核基因表達調(diào)節(jié)Regulation of Gene Expressi

10、on in Prokaryote 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（一）因子決定RNA聚合酶識別特異性 在轉(zhuǎn)錄起始階段，因子識別特異啟動序列；不同的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。 （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，共同組成一個轉(zhuǎn)錄單位操縱子（operon）。一個操縱子只含一個啟動序列（promoter）及數(shù)個可轉(zhuǎn)錄的編碼基因。通常，這些編碼基因可轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA。原核基因的協(xié)調(diào)表達就是通過調(diào)控單個啟動基因的活性來完成的。 （三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)原核基因調(diào)控普遍涉

11、及特異阻遏蛋白參與的開、關(guān)調(diào)節(jié)機制。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。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（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因Z： -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-半乳糖苷酶圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄

12、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圖13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)

13、（新圖） 三、原核生物具有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機制（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：四、原核生物在翻譯水平受到多個環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié) （一）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區(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，稱自我控制(autogenous control)。 （二）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)基因表達的RNA稱為調(diào)節(jié)RN

14、A。細菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補的RNA，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisense control)。第四節(jié) 真核基因表達調(diào)節(jié)Regulation of Gene Expression in Eukaryote一、真核基因組具有獨特的結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 哺乳類動物基因組DNA 約 3109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%。（二）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，

15、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 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)性二、真核基因表達調(diào)控更為復(fù)雜（一）真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶真核RNA聚合酶有三種，即RNA pol I、II及 III，分別負責(zé)三種RNA轉(zhuǎn)錄。 （二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化對核酸酶敏感DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙

16、鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后:RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉(zhuǎn)錄方向活化基因常有超敏位點，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。DNA堿基的甲基化修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。組蛋白變化富含Lys組蛋白水平降低H2AH2B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圖13-6 組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾A. 組蛋白與DNA組成的核小體；B. 組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；C. 四種組蛋白組成的八聚體組蛋白修飾對于基因表達影響的機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

17、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修飾類型功 能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙?；乐筁ys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙?；b配H4Lys-16乙酰化核小體裝配H4Lys-16乙?；疐ly X激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響 （三）在真核基因表達調(diào)控中以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)采用正性調(diào)節(jié)機制更精確：一個負

18、性調(diào)節(jié)元件的結(jié)合足可阻斷RNA聚合酶的結(jié)合，因此同時采用幾個負性調(diào)節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調(diào)節(jié)元件、正性調(diào)節(jié)蛋白可提高基因表達調(diào)節(jié)的特異性和精確性。采用負性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟：在正性調(diào)節(jié)中，大多數(shù)基因不結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細胞表達一組激活蛋白時，相關(guān)靶基因即可被激活。（四）在真核細胞中轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更為復(fù)雜 真核細胞有細胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同細胞部位進行，轉(zhuǎn)錄在細胞核，翻譯在細胞漿。因此，轉(zhuǎn)錄與翻譯產(chǎn)物的分布、定位等環(huán)節(jié)均可以被調(diào)控。三、RNA Pol I和Pol III轉(zhuǎn)錄體系的調(diào)節(jié)相對簡單（一）RNA Pol I轉(zhuǎn)錄

19、體系RNA Pol I的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只有rRNA前體，經(jīng)剪接修飾生成除5S rRNA外的各種rRNA。啟動子元件包括：核心元件(core element)或核心啟動子(core promoter)和上游控制元件(upstream control element, UCE)。 （二）RNA Pol III轉(zhuǎn)錄體系RNA Pol III的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：多種小分子RNA，包括tRNA、5S rRNA和一部分小核RNA。啟動子位于轉(zhuǎn)錄起始點下游，稱內(nèi)部控制區(qū)(internal control regions, ICR)。 （一）真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍

20、的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒四、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點酵母圖13-7 真核基因啟動子的典型結(jié)構(gòu)增強子(enhancer)指遠離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。 沉默子(silencer)某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。（二）反式作用因子是真核細胞中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）基本轉(zhuǎn)錄因子

21、(general transcription factors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)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。轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域） 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常見的DNA結(jié)合域：鋅指(zinc finger)C CysH His常結(jié)合GC盒ZnCysHis圖13-8 鋅指結(jié)構(gòu)a-螺旋常結(jié)合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿

22、性亮氨酸拉鏈 （三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活需要轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP圖13-9 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成 五、RNA Pol II轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)節(jié)機制尚不清楚（一）HIV基因組轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)（二）熱休克蛋白基因的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)病毒蛋白Tat與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5端特異RNA序列結(jié)合，并與宿主蛋白質(zhì)、RNA Pol II相互作用，阻止HIV基因組轉(zhuǎn)錄的提早終止。 在應(yīng)激條件下暫時性停止大多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，啟動一套能夠提高細胞生存能力的蛋白質(zhì)即熱休克蛋白(heat shock prote

23、in)的表達。 六、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)也是基因表達調(diào)控的重要環(huán)節(jié)（一）hnRNA加工成熟的調(diào)節(jié)（二）mRNA運輸、胞漿內(nèi)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等。 通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白體復(fù)合物(ribonucleoprotein, RNP)進行。 七、基因表達在翻譯水平以及翻譯后階段仍然可以受到調(diào)節(jié) （一）對翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進行蛋白質(zhì)合成速率的快速變化在很大程度上取決于起始水平，通過磷酸化調(diào)節(jié)翻譯起始因子（eukaryotic initiation factor, eIF）的活性對起始階段有重要的控制作用。（二）RNA結(jié)合蛋白參與了對翻譯起始的調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白（RNA binding protein, RBP），是指那些能夠與RNA特異序列結(jié)合的蛋白質(zhì)?；虮磉_的許多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都有RBP的參與，