臨床8版第18章基因表達(dá)調(diào)控

1、生物化學(xué)與分子生物學(xué)癌基因被激活癌基因表達(dá)細(xì)胞癌變未激活癌基因不表達(dá)你知道嗎？為什么呢？我們每個(gè)人都有得癌癥的可能！細(xì)胞癌變基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression第十八章第一節(jié)基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與特點(diǎn)Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation什么是基因（gene）？編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。一、基因表達(dá)是指基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程什么是基因組？基因組（genome）是指一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。 原核細(xì)胞基因組指

2、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。全球第一例中國人標(biāo)準(zhǔn)基因組序列圖譜的一部分基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的RNA序列，對(duì)于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物?；虮磉_(dá)是受調(diào)控的時(shí)間特異性階段特異性 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporal specificity)（AFP基因的表達(dá)）。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異

3、性和空間特異性（一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生 基因表達(dá)伴隨時(shí)間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布所決定的。 在個(gè)體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)（胰島素基因的表達(dá)）?？臻g特異性(spatial specificity)組織特異性(tissue specificity)（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同 基因表達(dá)調(diào)控 位于基因組內(nèi)的基因如何被表達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。例如：人類基因組含2萬多個(gè)基因

4、，在某一特定時(shí)期或生長階段，只有一小部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。三、基因表達(dá)的方式存在多樣性按對(duì)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(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeeping gene) 。管家基因的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而且在生物體各個(gè)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，這類基因表達(dá)被視為基本（或組成性）基因表達(dá)(constitutive gene expression) 。例如：三羧酸循環(huán)是物質(zhì)代謝的中樞，催化該途徑各階段反應(yīng)的酶

5、的編碼基因就屬管家基因（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被激活，這種基因是可誘導(dǎo)基因，其表達(dá)水平增強(qiáng)的過程稱為誘導(dǎo)(induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏基因，其表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。乳糖操縱子是誘導(dǎo)，阻遏表達(dá)的典型模型在一定機(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)同表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。（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)調(diào)控受順式作

6、用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-acting element)。調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達(dá)產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-acting factor)。五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA 過程中的許多環(huán)節(jié)。(最重要、最復(fù)雜)最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。調(diào)控點(diǎn)基因激活等蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解翻譯后加工修飾及蛋白質(zhì)降解六.基因表達(dá)調(diào)控為生

7、物體生長、發(fā)育的基礎(chǔ)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。 （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 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。腺苷脫氨酶缺乏癥病因:淋巴細(xì)胞缺乏ADA酶 腺苷、dATP堆積 破壞免疫功能稍被細(xì)菌或病毒感染就會(huì)死亡患者生存在無菌環(huán)境中（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 基因組中很少

8、有重復(fù)序列； 編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)檫B續(xù)編碼；結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例約占50%； 結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列。原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子 原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過操縱子機(jī)制實(shí)現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位 蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列 啟動(dòng)子 操縱元件 其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個(gè)多肽鏈的編碼信息。PPP53多肽鏈操縱子模型的普遍性啟動(dòng)子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件。圖18-1 5種E.coli

9、啟動(dòng)序列的共有序列操縱子模型的普遍性各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列。 E.coli及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域?yàn)門TGACA 共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。 五種E.coli啟動(dòng)序列的共有序列基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白-負(fù)調(diào)控因素 激活蛋白-正調(diào)控因素 二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lac operon)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： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAm

10、RNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(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)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)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(fù)性調(diào)節(jié)+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，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)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3. 協(xié)同調(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。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Rh

11、o因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止五、原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個(gè)環(huán)節(jié)受到精細(xì)調(diào)節(jié) （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(dòng)序列或啟動(dòng)序列周圍進(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，稱自我控制(autogenous control)。 （三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)翻譯起始的調(diào)控編碼區(qū)的起始點(diǎn)可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA）直接或間接地結(jié)合來決定翻譯起始調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結(jié)合（四）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起

12、始部位的互補(bǔ)序列對(duì)翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA稱為調(diào)節(jié)RNA。細(xì)菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的RNA，通過與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)稱為反義控制(antisense control)。（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度當(dāng)基因中的密碼子是常用密碼子時(shí)，mRNA的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。第三節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression in Eukaryote一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn) 真核基因組比原核基因組大得多人類基因組的染色體DNA 人類基因組含2萬多個(gè)基

13、因細(xì)菌基因組2X106bp 原核基因組 原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復(fù)序列功能至今還不清楚，可能參與調(diào)控 真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次 原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個(gè)功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制； 而真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關(guān)的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個(gè)基因的協(xié)調(diào)表達(dá)PPP53蛋白質(zhì)PPPmG -53蛋白質(zhì)A

14、AA 真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達(dá)； 真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。 圖18-5 真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控二、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)活性染色質(zhì) (active chromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點(diǎn)（hypersensitive site)當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對(duì)核酸酶（如DNase I）高度敏感的位點(diǎn)（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感 (二) 轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變 組蛋白結(jié)構(gòu)及其化學(xué)修飾（a）組蛋白與DNA

15、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（三） CpG島甲基化水平降低CpG島（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個(gè)基因組中，這些GC含量可達(dá)60%，長度為300-3000bp的區(qū)段。表觀遺傳：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機(jī)制是細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化順式作用元件：指可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過

16、一定機(jī)制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉(zhuǎn)錄起始的準(zhǔn)確性及頻率。A、B序列就是調(diào)節(jié)這個(gè)基因轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件三、基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位（一）真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核生物復(fù)雜真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒（二）增強(qiáng)子是能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強(qiáng)子的功能及其作用特征如下：與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠(yuǎn)距離實(shí)施調(diào)節(jié)作用作用與序列的方向性無關(guān)需要有啟動(dòng)子才能

17、發(fā)揮作用（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉默子是一類基因表達(dá)的負(fù)性調(diào)控元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用四、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子真核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor, TF）。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由其編碼基因表達(dá)后，進(jìn)入細(xì)胞核，通過識(shí)別、結(jié)合特異的順式作用元件而增強(qiáng)或降低相應(yīng)基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子也被稱為反式作用蛋白或反式作用因子。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18-8 反式與順式作用蛋白真核基因的調(diào)節(jié)蛋白反式作用因子 通用轉(zhuǎn)錄因子(general transcri

18、ption factors)是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)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。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子分類（按功能特性）通用轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子(special transcription factors)為個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)。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)最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zinc finger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH)（a）

19、獨(dú)立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個(gè)-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper, Bzip) （a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個(gè)-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團(tuán)結(jié)合五、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動(dòng)態(tài)構(gòu)成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式（一）啟動(dòng)序列/啟動(dòng)子與RNA聚合酶活性（二）調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子的核苷酸序列會(huì)影響其與RNA聚合酶的親

20、和力，而親和力大小則直接影響轉(zhuǎn)錄起始的頻率真核RNA聚合酶II不能單獨(dú)識(shí)別、結(jié)合啟動(dòng)子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶II形成一個(gè)功能性的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP六、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mRNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）mRNA的穩(wěn)定性影響真核生物基因表達(dá)5-端的帽子結(jié)構(gòu)可以增加mRNA的穩(wěn)定性3-端的poly(A)尾結(jié)構(gòu)防止mRNA降解 RNA無論是在核內(nèi)進(jìn)行加工、由胞核運(yùn)至胞漿，還是在胞漿內(nèi)停留（至降解），都是通過與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白顆粒(ribonucleoprotein, RNP)進(jìn)行的。 某些小分子非編碼RN

21、A（ncRNA）也可調(diào)節(jié)真核基因表達(dá)。目前人們廣泛關(guān)注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。（二）一些非編碼小分子RNA可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默（三）mRNA前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因表達(dá)七、真核基因表達(dá)在翻譯以及翻譯后仍可受到調(diào)控（一）對(duì)翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進(jìn)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)翻譯起始因子的活性對(duì)起始階段有重要的控制作用。1翻譯起始因子eIF-2的磷酸化抑制翻譯起始 2eIF-4E及eIF-4E結(jié)合蛋白的磷酸化激活翻譯起始 帽結(jié)合蛋白eIF-4E與mRNA帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合是翻譯起始的限速步驟，磷酸化的eIF-4E與帽結(jié)構(gòu)的結(jié)合力是非磷酸化 的eIF-4E的4倍，因而可提高翻譯的效率。（二）RN