第18章-基因表達(dá)調(diào)控-liff-重修

第十八章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressionLifangfang2016-12-12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)BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是細(xì)胞以基因DNA為模板，轉(zhuǎn)錄出RNA，以及，以mRNA為模板，翻譯出蛋白質(zhì)的過程如果基因表達(dá)了，那么，就有相應(yīng)的mRNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)否則，就是基因沒有表達(dá)基因表達(dá)(geneexpression)每一個(gè)基因的表達(dá)是受調(diào)控的。二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性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(temporalspecificity)。

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(stagespecificity)。胚胎發(fā)育期（二）空間特異性一種基因在個(gè)體的不同組織不同細(xì)胞或器官表達(dá)，這就是基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。又稱細(xì)胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。三、基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控（regulationofgeneexpression）細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)在基因表達(dá)水平上做出應(yīng)答的分子機(jī)制按對(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(housekeepinggene)。這類基因表達(dá)被視為基本（或組成性）基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。ActinGAPDH（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，即這種基因表達(dá)是可誘導(dǎo)的。如：熱應(yīng)激蛋白可誘導(dǎo)基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達(dá)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(repressiblegene)。四、基因表達(dá)：受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)順式作用元件(cis-actingelement)：調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，一般可以和反式作用因子結(jié)合，包括：?jiǎn)?dòng)子，增強(qiáng)子和沉默子反式作用因子(trans-actingfactor)

能夠和順式作用元件結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)的蛋白質(zhì)分子

研究重點(diǎn)每一個(gè)特定基因的順式作用元件和反式作用因子的相互作用五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性DNA層次：轉(zhuǎn)錄起始(最重要、最復(fù)雜)mRNA的加工蛋白質(zhì)生物合成翻譯后加工mRNA的降解第二節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote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)元件

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。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。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。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。圖18-15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)控因素調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力；②阻遏蛋白可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation）。二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)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(diǎn)啟動(dòng)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ZYAOPDNA圖18-2lac操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)mRNA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乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

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)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP分解代謝阻遏單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)3.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。。

mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO圖18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對(duì)lac操縱子的調(diào)節(jié)乳糖操縱子的開放條件（環(huán)境因素）1當(dāng)僅有Glc時(shí)，乳糖操縱子不開放2當(dāng)有Glc和Lac時(shí)，乳糖操縱子不開放3當(dāng)沒有Glc也沒有Lac時(shí)，不開放4只有一種條件可以開放：沒有Glc，有Lac：開放第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote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)(activechromatin)具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)超敏位點(diǎn)（hypersensitivesite)當(dāng)染色質(zhì)活化后，常出現(xiàn)一些對(duì)核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點(diǎn)基因被激活的區(qū)域染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感轉(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和組蛋白密碼1組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)，2化學(xué)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(gè)平臺(tái)。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(diǎn)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?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-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乙酰化FlyX激活組蛋白修飾對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)：CG重復(fù)出現(xiàn)，長(zhǎng)度約300-3000bp稱為CpG島，存在于整個(gè)基因組中，特別是常常位于基因的啟動(dòng)子和第一外顯子區(qū)域。CpG島：C可以被甲基化修飾，它的多少與基因被激活有關(guān)表觀遺傳

（epigeneticinheritance)

：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DNA相同，DNA的甲基化不同，基因表達(dá)不同同卵雙生子，長(zhǎng)相和行為有差異三、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)部位順式作用元件

指可與反式作用因子結(jié)合，影響基因表達(dá)活性的DNA序列包括：?jiǎn)?dòng)子，增強(qiáng)子和沉默子圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機(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（一）真核基因啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)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

啟動(dòng)子某一特定基因的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和上游200bp長(zhǎng)的DNA序列，可以與反式作用因子結(jié)合，起始轉(zhuǎn)錄，稱為CCAAT盒GC盒TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)酵母真核基因啟動(dòng)子的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子增加轉(zhuǎn)錄的頻率啟動(dòng)子必需有轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)增強(qiáng)子遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（二）增強(qiáng)子能夠提高轉(zhuǎn)錄效率增強(qiáng)子的功能及其作用特征與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是特異性轉(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)子才能發(fā)揮作用（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄沉