第18章基因表達調(diào)控

第十八章基因表達調(diào)控第一節(jié)

基因表達與基因表達調(diào)控的基本概念與特點一、基因表達是指基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，即：生成具有生物學功能產(chǎn)物的過程?；虮磉_(geneexpression)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(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（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(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)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。三、基因表達的方式存在多樣性按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續(xù)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(housekeepinggene)。無論表達水平高低，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，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(constitutivegeneexpression)。（二）有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導和阻遏在特定環(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基因(induciblegene)?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(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_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。在一定機制控制下，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(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)四、基因表達受順式作用元件和反式作用因子共同調(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)基因的表達進行調(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)。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)五、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復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)錄起始六、基因表達調(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）生物體調(diào)節(jié)基因表達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)

原核基因表達調(diào)控

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)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)機制。當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)合位點當操縱序列結(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。二、乳糖操縱子是典型的誘導型調(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(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四、原核基因表達在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機制（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：五、原核生物在翻譯水平的多個環(huán)節(jié)受到精細調(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)

真核基因表達調(diào)控一、真核細胞基因表達特點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，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點附近。（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)生乙酰化、甲基化或磷酸化修飾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修飾類型功能H3Lys-4甲基化激