基因表達的調控

第四章基因表達的調控

基因表達主要包括（基因）轉錄和（蛋白質）翻譯使信息分子DNA轉變成有功能蛋白質的過程，這一過程在體內(nèi)受到精密的調控，以保證功能的有序性。這一調控稱為基因表達的調控，簡稱基因調控?；虮磉_過程分為基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工等階段。在上述各環(huán)節(jié)都存在基因表達調控的控制點?；虮磉_調控

基因表達及其調控的特點組成性基因表達（constitutivegeneexpression）管家基因的表達方式，較少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。管家基因（housekeepinggene）在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。

誘導表達（inductionexpression）有一些基因表達極易受環(huán)境影響，在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達開放或增強。阻遏表達（repressionexpression）在特定環(huán)境信號刺激下，基因的表達關閉或減弱。協(xié)調表達:在生物體內(nèi),各種代謝途徑有條不紊地進行,這是在一定機制控制下,功能相關的一組基因,協(xié)調一致,共同表達。

基因表達調控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化基因表達調控的環(huán)節(jié)：基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工

第一節(jié)原核生物基因表達調控一、轉錄水平的調控是原核生物的主要調控環(huán)節(jié)

原核生物基因多以操縱子形式存在。操縱子由調控區(qū)和信息區(qū)組成。上游調控區(qū)包括啟動子與操縱元件二部分。啟動子是同RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異性DNA序列，操縱元件是特異的阻遏物結合區(qū)。

影響原核生物轉錄的因素

1、啟動子

2、σ因子的種類與濃度

3、阻遏蛋白

4、正調控蛋白

5、倒位蛋白通過DNA重組倒位而調節(jié)基因表達

6、衰減子

7、RNA聚合酶抑制物

1、啟動子促進DNA轉錄的DNA順序，是DNA分子上可與RNApol結合并使之轉錄的部位。又稱啟動基因，但啟動子本身不被轉錄。

如E.coli啟動子全長約40∽60bp，3個功能部位，2個重要功能：（1）起始部位：轉錄合成的第一個互補堿基對，用+1表示，左為上游，右為下游，用負、正表示，沒有O的位置。（2）結合部位：

RNApol與啟動子結合位置，位于-10bp，同源性強，又稱TATAbox或pribnow盒。（3）識別部位：位于-35bp，RNApol識別啟動子部位，保守性極強。

（1）決定轉錄方向及那一條DNA鏈作模板。（以信息鏈的互補鏈作模板，轉錄mRNA與信息鏈一致）（2）決定轉錄效率。E.coli啟動子，在-35、－10的兩個區(qū)序列稱為一致性序列。通過比較大量的E.coli啟動子，表明這兩個序列中各堿基的出現(xiàn)頻率為-35區(qū)：TGACA；-10區(qū)：TATAAT。如果某一個啟動子與上述序列越接近，基因的轉錄效率越強。反之就弱。啟動子功能：：原核生物轉錄起始區(qū)的一致性序列

2、σ因子的種類與濃度不同的因子σ可以競爭性的結合RNA聚合酶,環(huán)境變化可產(chǎn)生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。通過對大腸桿菌基因組序列分析后，發(fā)現(xiàn)存在6種σ因子，并根據(jù)其相對分子質量的大小或編碼基因進行命名。σ因子σ70σ54σ38σ32σ28σ24編碼基因rpoDrpoNrpoHrpoSrpoFrpoE主要功能參與碳代謝過程基因的調控參與多數(shù)氮源利用基因的調控參與分裂間期特異基因表達調控熱體克基因的表達調控鞭毛趨化相關基因的表達調控過渡熱休克基因的表達調控

3、阻遏蛋白阻遏蛋白是一類在轉錄水平對基因表達產(chǎn)生負調控作用的蛋白質。根據(jù)其作用特征可分為負控誘導和負控阻遏二大類。在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應物（誘導物）結合時，結構基因不轉錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物結合時，結構基因不轉錄。阻遏蛋白作用部位是操縱區(qū)。

4、正調控蛋白正調控蛋白結合于特異DNA序列后，具有促進基因的轉錄，這種基因表達調控的方式稱為正調控。根據(jù)正調控蛋白的作用性質分為正控誘導系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導系統(tǒng)中，效應物分子（誘導物）的存在使正調控蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。

5、倒位蛋白通過DNA重組倒位而調節(jié)基因表達倒位蛋白是一種位點特異性的重組酶。

6、衰減子

衰減子又稱為弱化子，位于一些操縱子中第一個結構基因之前，是一段能減弱轉錄作用的序列。如色氨酸操縱子序列內(nèi)含有一段衰減子序列.7、RNA聚合酶抑制物細菌在缺乏氨基酸的環(huán)境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成減少或停止，這種現(xiàn)象稱為嚴謹反應。機制：當氨基酸缺乏時，游離核糖體與空載的tRNA增加，在ATP存在下，產(chǎn)生pppGpp和ppGpp，后者與RNA聚合酶結合形成復合物，進而使RNA聚合酶構象變化，活性降低。

二、轉錄的調控機制在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉錄不是由單一因子調控的，而是通過負調控因子和正調控因子進行復合調控的。比較典型的是一些糖代謝有關的操縱子。乳糖操縱子調控的機制阿拉伯糖操縱子的調控機制色氨酸操縱子的調控機制

操縱子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎

（1）人們早在上個世紀初就發(fā)現(xiàn)了酵母中酶的誘導現(xiàn)象。即分解底物的酶只有底物存在時才出現(xiàn)。酶受底物的誘導，這種可誘導現(xiàn)象在細菌中普遍存在。在培養(yǎng)基中加入適合底物-乳糖或半乳糖后2~3分鐘，β一半乳糖苷酶可迅速達到5000個酶分子，增加了1000倍，占細菌蛋白總量的5~10%。(β一半乳糖苷酶水解乳糖→半乳糖+葡萄糖2個單糖)。

若撤消底物，該酶合成迅速停止，就象當初迅速合成一樣。從60年代乳糖操縱子模型提出→1966年分離得到該操縱子的阻遏蛋白→1975年乳糖操縱子的堿基序列已全部測定清楚了。1.乳糖操縱子的調控機理（可誘導的操縱子）

（2）乳糖操縱子（Lactoseoperon，Lacoperon）結構示意圖

CAPCAMPIPOZYA結構基因區(qū)（信息區(qū)）RNApol調控區(qū)調控區(qū)I-調節(jié)基因P-啟動子O-操縱基因（OP有一定的重疊）CAP結合位點結構基因Z-β半乳糖苷酶基因（β-galactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（β-galotosideporinerase）A-硫代半乳糖轉乙?；福╰ransacetylase）（3）調控機理

乳糖操縱子的轉錄起始受到CAP和阻遏蛋白的雙重調控，即正、負調控。

①CAP（正控）:通過結合到啟動子上游CAP結合位點，促進RNApol與P的結合，才能有效的轉錄，原因是：

Lacp是弱啟動子，與一致序列的差異極大，CAP位點結合cAMP-CAP復合物后，改變了RNApol空間結構,增強了RNApol與P的結合的牢固性。所以CAP是Lacoperon的正控因子。

②阻遏蛋白（負控）調節(jié)基因I（除Lacoperon用I外，其余均用R）產(chǎn)生的阻遏蛋白結合到操縱基因O上，由于啟動子p與操縱基因有一定的重疊，妨礙RNApol與P的結合，就抑制了結構基因的轉錄，誘導物（或稱效應物）可以去阻遏，實現(xiàn)對基因的轉錄，這是Lacoperon的負控機制。

CAP結合到CAP位點發(fā)揮正控作用，乳糖誘導去阻遏，這樣1個操縱子中的1組基因就有2道開關，只有2道開關同時打開時，基因才能轉錄。2個CAP分子和RNApol在Lacp一致序列上排列CAPCAP-35RNApol-10IPOZYADNAmRNA阻遏蛋白效應物（半乳糖）ZYA基因產(chǎn)物（酶）CAP

細菌優(yōu)先利用葡萄糖（G）-葡萄糖效應如果細菌生長環(huán)境中，乳糖、葡萄糖同時存在，盡管有誘導物乳糖存在，但細菌優(yōu)先利用葡萄糖，不予理睬乳糖，在G耗盡之前，Lacoperon也不會表達。也就是說G阻礙了Lacoperon的表達。這種G效應在半乳糖、阿拉伯糖操縱子中也存在。

G效應的原因是：①G降解代謝產(chǎn)物可以抑制腺苷環(huán)化酶、激活磷酸二酯酶，結果使胞內(nèi)cAMP下降；CAP的正調控需要結合cAMP形成復合物才能結合到CAP結合位點；②當G耗盡，cAMP開始集累↑，cAMP和CAP結合→使CAP變構才能結合到CAP結合位點上，促進RNApol與P結合。

結合乳糖、葡萄糖存在與否及與操縱子正、負控因素、基因開放與關閉情況如下：葡萄糖（G）乳糖基因開放基因關閉機理簡述（學生填充）

×√√CAP正控、乳糖去阻遏、基因開放、轉錄進行

××√不能誘導去阻遏，CAP即使結合，基因未開放√×√細菌優(yōu)先用G，無CAP結合，無誘導去阻遏√√√cAMP-CAP復合物無，CAP位點空，乳糖去阻遏，基因未開放①②③④2.色氨酸操縱子（trpoperon）結構特點E.coli的色氨酸操縱子有五個結構基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸，上游調控區(qū)由啟動子（P）和操縱基因（O）組成調節(jié)基因R：編碼阻遏蛋白

無色氨酸—操縱子基因開始轉錄，此后轉錄速率受轉錄衰減機制(attenuation)調節(jié)結構基因與O之間有一個L基因，在L基因內(nèi)存在一個衰減子。衰減子：有4段特殊的序列，可形成不依賴ρ因子的轉錄終止信號。前導肽編碼區(qū)轉錄產(chǎn)物中含兩個相鄰的色氨酸密碼子，這兩個密碼子以及原核生物中轉錄與翻譯偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減作用的基礎。1234終止密碼前導肽編碼區(qū)UUUUU四個片段之間形成發(fā)夾能力:1/2>2/3>3/4，四個片段形成何種發(fā)夾結構，是由L基因轉錄物的翻譯過程控制的。

當有色氨酸時無色氨酸時

色氨酸操縱子中的操縱基因和衰減子可以起雙重負調節(jié)作用。衰減子可能比操縱基因更靈敏，只要色氨酸一增多，即使不足以誘導阻遏蛋白結合操縱基因，就足可以使大量的mRNA提前終止。反之，當色氨酸減少時，即使失去了誘導阻遏蛋白的阻遏作用，但只要還可以維持前導肽的合成，仍繼續(xù)阻止轉錄。這樣可以保證細菌對色氨酸的充分利用。防止堆積。

3.阿拉伯糖操縱子（araoperon）調節(jié)機制結構特點結構基因B、A、D，分別編碼異構酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉變?yōu)?-磷酸木酮糖調控區(qū)：調節(jié)基因為C基因（編碼調控蛋白C蛋白）、啟動子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構成

二、翻譯水平的調控1、SD序列對翻譯的影響SD序列(Shine-Dalgarnosequence)：mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp)?SD序列的差異對翻譯的影響?SD序列位置對翻譯的影響2、mRNA二級結構隱蔽SD序列某些mRNA分子中，核糖體結合位點在一個二級結構中（莖環(huán)）中，使核糖體無法結合，只有打破莖環(huán)結構，核糖體才能結合。例如：帶有紅霉素抗性的細菌編碼區(qū)紅霉素甲基化酶核糖體23SmRNA上特定位點的一個腺嘌呤甲基化。紅霉素終止密碼子

細菌蛋白質的合成速率的快速改變，不僅是轉錄與翻譯偶聯(lián)，更重要的與mRNA的降解速度快有關。影響mRNA的降解因素：①細菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素；②

mRNA的一級結構及次級結構的影響；③與mRNA的序列和結構有關3、mRNA的穩(wěn)定性是調控翻譯的方式之一

有些mRNA編碼的蛋白質，本身也可以對相應的mRNA的翻譯過程產(chǎn)生調節(jié)作用，這是一種自身翻譯調控作用。①核糖體蛋白翻譯的自身調控②翻譯的RF2調節(jié)自身的翻譯4、翻譯產(chǎn)物對mRNA的翻譯進行調控UGAC25315編碼RF2蛋白mRNA

5、小分子RNA抑制特定mRNA的翻譯?小分子RNA調整基因表達產(chǎn)物的類型：大腸桿菌滲透壓調節(jié)基因ompR的產(chǎn)物OmpR蛋白，在不同滲透壓時具有不同的構象。OmpR低滲結合ompF基因的調控區(qū)，起正調控高滲結合ompC基因的調控區(qū)，起正調控當細菌從低滲到高滲狀態(tài)時，不僅ompF基因抑制，其表達的mRNA的翻譯也抑制。

Tn10轉位酶基因表達在細菌中處于極低水平。這是因了一種小分子RNA阻遏物在翻譯水平上嚴格限制著Tn10轉位酶基因的表達。?小分子RNA控制特定基因的低水平表達

小分子RNA在翻譯水平上對Tn10轉位酶基因表達調控真核生物基因表達的調控DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控DNA水平的調控1、染色質的丟失：低等生物的細胞發(fā)育過程中及動物紅細胞成熟過程中，發(fā)現(xiàn)有染色質的丟失。2、基因擴增：增加基因的拷貝數(shù)是調控基因表達活性的一種有效方式。藥物：誘導抗藥性基因的擴增；腫瘤細胞：原癌基因拷貝數(shù)異常增加3、基因重排：基因片段改變原銜接順序，重排為完整的轉錄單位如免疫球蛋白基因在B淋巴細胞分化和漿細胞生成過程中重排，奠定了其多樣性的基礎。

4、DNA甲基化：在真核生物基因表達中，基因甲基化程度高，基因表達降低；去甲基化：基因表達增加。5、染色質結構對基因表達的調控：真核生物的染色體或染色質由DNA與組蛋白、非組蛋白及少量RNA及其它物質結合而成。具有核小體結構。非組蛋白（高遷移組分）與組蛋白競爭結合DNA，解除組蛋白對基因表達的抑制。

轉錄水平的調控是真核生物基因調控中最重要調控主要通過順式作用元件、反式作用因子、RNA聚合酶的相互作用來完成的。同時轉錄水平的調控主要通過上述三者作用影響轉錄起始復合物的形成。(一)轉錄起始復合物的形成真核生物的RNA聚合酶識別的不是單純的DNA序列，而是由一個通用轉錄因子（transcriptionfactor,TF）與DNA形成的蛋白質-DNA復合物.形成過程:1、TFIID結合TATA盒2、RNA聚合酶Ⅱ結合TFⅡD，形成閉合的復合物3、其它TF與RNA聚合酶形成開放的復合物在轉錄調控過程中，反式作用因子的主要作用：是促進或抑制TFIID結合TATA盒或RNA聚合酶結合TFⅡD，形成閉合的復合物以及轉錄起始復合物的形成。

（二）、反式作用因子

真核細胞內(nèi)含有大量的能識別、結合特異性序列的DNA結合蛋白，其主要功能是使基因開放或關閉，稱為反式作用因子，通常是一類細胞核內(nèi)蛋白質因子。反式作用因子特點：1、常含有三個功能結構域：DNA識別結合域；轉錄活性域；結合其他蛋白的結合域2、能識別并結合順式作用元件。3、對基