細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控

第三十九章

基因表達(dá)調(diào)控概述(Introduction)基因表達(dá)(geneexpression)--基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達(dá)中心法則(thecentraldogma)：一、基因表達(dá)的時(shí)間性及適應(yīng)性

(temporalandspatialspecificity)1、時(shí)間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生

Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎兒型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β22、適應(yīng)性：

適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)：基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、翻譯后加工二、基因表達(dá)的方式1、管家基因與奢侈基因管家基因（housekeepinggene）--在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)奢侈基因（luxurygene）—只在特定的細(xì)胞類(lèi)型中表達(dá)的基因2、誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)（induction）--可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程。DNA損傷→修復(fù)酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達(dá)阻遏（repression）--可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程色氨酸—色氨酸合成酶系三、原核基因表達(dá)的調(diào)控

1、操縱子

（1）操縱子(operon)的提出

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。乳糖對(duì)

－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。葡萄糖對(duì)

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。

這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對(duì)大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國(guó)的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學(xué)說(shuō)。（2）操縱子的基本組成

下面就以乳糖操縱子為例子說(shuō)明操縱子的最基本的組成元件（elements）。PS1S2S3啟動(dòng)子OPromoter調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因

操縱子（operon）

結(jié)合RNA聚合酶表達(dá)功能蛋白?11/50操縱子（operon）:原核生物的轉(zhuǎn)錄單位操縱基因OperatorA、結(jié)構(gòu)基因群

操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個(gè)操縱子中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)。

乳糖操縱子含有ｚ、ｙ和ａ3個(gè)結(jié)構(gòu)基因。

B、啟動(dòng)子

啟動(dòng)子(promoter,P)是指能被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。操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5＇側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。

C、操縱區(qū)

操縱區(qū)（operator）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。

以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動(dòng)子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動(dòng)子序列重疊。

D、調(diào)控基因

調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有：

阻遏蛋白(repressiveprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導(dǎo)的調(diào)控方式為負(fù)調(diào)控

激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導(dǎo)的調(diào)控方式為正調(diào)控

例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lacI位于Plac鄰近，編碼產(chǎn)生調(diào)控蛋白R(shí)。

在環(huán)境沒(méi)有乳糖存在的情況下，R能特異性與操縱區(qū)ｏ緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類(lèi)基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；

當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時(shí)，乳糖與R結(jié)合，失去與操縱區(qū)特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有轉(zhuǎn)錄的可能。在這過(guò)程中乳糖就是誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類(lèi)基因轉(zhuǎn)錄開(kāi)放。

許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allostericprotein），通過(guò)與上述類(lèi)似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。E、終止子

終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。在一個(gè)操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。

以上5種元件是每一個(gè)操縱子必定含有的。其中啟動(dòng)子、操縱區(qū)位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后。2、乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控

（1）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

當(dāng)大腸桿菌在沒(méi)有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。調(diào)節(jié)基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)，R與操縱子ｏ結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。R的阻遏作用不是絕對(duì)的，R與ｏ偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的

－半乳糖苷酶及透過(guò)酶的生成。

當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，失去與ｏ的親和力，與ｏ解離，基因轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，使

－半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對(duì)lac操縱子的誘導(dǎo)作用。（2）CAP的正調(diào)控

葡萄糖存在時(shí)，半乳糖-糖苷酶等的合成也受抑制。

CAP：能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體

在lac操縱子的啟動(dòng)子Plac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱(chēng)為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。

由于Plac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，還不能使細(xì)菌很好利用乳糖，必需同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒(méi)有葡萄糖可供利用。通過(guò)這機(jī)制，細(xì)菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。乳糖操縱子的誘導(dǎo)

3、色氨酸操縱子

色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過(guò)許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子（trpoperon）的調(diào)控。（1）色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

（2）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

合成色氨酸所需要酶類(lèi)的結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動(dòng)子Ptrp和操縱子ｏ的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-ｏ-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其調(diào)控蛋白R(shí)，R并沒(méi)有與ｏ結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類(lèi)型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。

四、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控1、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核基因組結(jié)構(gòu)龐大

3×109bp單順?lè)醋雍写罅恐貜?fù)序列

基因不連續(xù)性?xún)?nèi)含子外顯子非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)多層次調(diào)控失活DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控2、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控最重要順式作用元件反式作用因子轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控（1）順式作用元件影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列非編碼序列分啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子啟動(dòng)子TATA盒，-25bp上游啟動(dòng)子元件(upstreampromotorelements,UPE)，CAAT盒，-75bp；GC序列等順式作用元件增強(qiáng)子：遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1~30kb），增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性DNA序列，與方向、距離無(wú)關(guān)沉默子：負(fù)性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用順式作用元件增強(qiáng)子（2）反式作用因子(trans-actingfactor)概念：為DNA結(jié)合蛋白，核內(nèi)蛋白，可使鄰近基因開(kāi)放（正調(diào)控）或關(guān)閉（負(fù)調(diào)控）通用轉(zhuǎn)錄因子—結(jié)合在TATA盒上的蛋白質(zhì)因子。TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子—結(jié)合在UPE上的蛋白質(zhì)因子反式作用因子特點(diǎn)三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：DNA識(shí)別結(jié)合域；轉(zhuǎn)錄活性域；結(jié)合其他蛋白的結(jié)合域能識(shí)別并結(jié)合順式作用元件(cis-actingelement)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控功能

結(jié)構(gòu)域反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式DNA結(jié)合域(DNA-bandingdomain)鋅指結(jié)構(gòu)(zincfingermotif)同源結(jié)構(gòu)域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)(leucinezipper)螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH)堿性α螺旋(alkalineα-helix)A、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋LacrepressorB、