第六章基因表達調控

第六章基因表達調控優(yōu)選第六章基因表達調控基因表達調控：生物體通過特定的蛋白質與DNA、蛋白質與蛋白質之間的相互作用來控制基因是否表達，或調節(jié)表達產(chǎn)物的多少以滿足生物體的自身需求以及適應環(huán)境變化的過程。第一節(jié)基因表達調控的基本規(guī)律（一）基因表達具有時空特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序先后發(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)。一個基因是不是所有組織中表達？肝細胞、腎細胞等基因組是一樣，為什么功能不同？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)。在個體生長發(fā)育全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。同一個體內的不同器官、組織、細胞的差異性的基礎是特異的基因表達或稱為差異基因表達(differentialgeneexpression)。細胞的基因表達譜(geneexpressionprofile),即基因表達的種類和強度決定了細胞的分化狀態(tài)和功能。換句話說，在個體內決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式(geneexpressionpattern)（二）誘導表達和阻遏表達是基因表達調控的普遍方式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)。1.組成性表達按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：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基本(組成性)基因表達(constitutivegeneexpression)。僅受啟動序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其他機制調節(jié)。2.誘導和阻遏表達適應性表達(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。

誘導阻遏

是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。如:DNA發(fā)生損傷時，修復酶的誘導激活。誘導表達（induction）在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基因。如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏。阻遏(repression)如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關閉一個基因是否表達和表達多少與調節(jié)序列（regulatorysequence）密切相關。調節(jié)序列位于被調控的結構基因（structuralgene）的上游，具有特定的核苷酸序列。根據(jù)調節(jié)序列與結構基因的相對位置關系，人們將這些調節(jié)序列稱為順式作用元件（cis-actingelement），包括啟動子（promoter）、增強子（enhancer）、沉默子（silencer）等。（三）基因表達受順式作用元件和反式作用因子共同調節(jié)順式作用元件（cis-actingelement)是同一DNA分子中具有轉錄調節(jié)功能的特異DNA序列。反式作用因子(trans-actingfactor)

是指能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。

順式/反式的調節(jié)方式3’-poly(A)的降解過程相伴）沉默子的作用不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用。（一）順式作用元件可直接影響基因表達活性原核生物的基因是以串聯(lián)的形式排列的，可轉錄出多順反子的mRNA；結構基因：trpE、trpD、trpC、trpB和trpAGC盒（GCbox）：位于-80~-110處，保守序列為GCCACACCC或GGGCGGG組蛋白去乙酰化酶（HDAC）乳糖操縱子的協(xié)調調控方式保證了葡萄糖是原核生物體系優(yōu)先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗盡后，原核生物才利用乳糖作為碳源。尾部的降解速度有關，e.特異轉錄因子的自身的含量、活性和細胞內定位隨時都受到細胞所處環(huán)境的影響，是使環(huán)境變化在基因表達水平得到體現(xiàn)的關鍵分子。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)。（三）乳糖操縱子的高效表達需要另外的正調控方式三、真核生物在轉錄后仍可控制mRNA的結構和功能反式作用因子的作用是調控靶基因表達效率的蛋白質。（一）操縱子是原核生物基因表達調控的基本單元（四）蛋白質-DNA及蛋白質-蛋白質的相互作用是基因表達調控的分子基礎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合。通常是非共價結合，被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。1)DNA-蛋白質相互作用結合位點：雙螺旋DNA的大小溝絕大多數(shù)調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。2)蛋白質-蛋白質相互作用二聚化是指兩個相同的分子形成的二聚體。同（質）二聚體異（質）二聚體（五）基因表達調控是多層次的復雜調節(jié)第二節(jié)原核生物的基因表達調控反式作用因子的作用是調控靶基因表達效率的蛋白質。真核細胞的許多功能蛋白是由多個多肽鏈構成的，因此需要多個基因的協(xié)調表達。開放狀態(tài)的色氨酸操縱子原核生物的基因是以串聯(lián)的形式排列的，可轉錄出多順反子的mRNA；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)。與其他蛋白質結合的結構域序列1/2>序列2/3>序列3/4–構建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：第三節(jié)真核生物的基因表達調控而真核細胞基因組存在著大量的重復序列（repetitivesequence）。管家基因多富含CpG島，并且CpG島中胞嘧啶多處在非甲基化的狀態(tài)。當色氨酸的濃度降低時，核蛋白體在合成前導肽的兩個色氨酸部位上出現(xiàn)暫停，占據(jù)了序列1。而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質、rRNA和tRNA等，其余90%的序列功能至今尚不清楚。增強子不僅能夠在基因的上游和下游起作用，而且還可以遠距離實施調節(jié)作用遠離轉錄起始點，決定基因的時間、空間特異性表達、增強啟動子轉錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。真核生物和原核生物基因表達的對比原核生物基因組是一個閉合環(huán)狀的DNA分子。原核生物的細胞結構也比較簡單，它的全部物質（DNA，RNA和蛋白質）都包容在細胞膜內。原核生物基因組的轉錄和翻譯在同一空間內完成，時間上的差異不大。在轉錄過程終止之前，mRNA就已經(jīng)結合在由rRNA和核蛋白體蛋白共同構成的核蛋白體上，開始了蛋白質的生物合成。1969年，J.R.Beckwith從大腸桿菌的DNA中分離出乳糖操縱子，證實了乳糖操縱子的模型。

一、轉錄水平調控是原核生物基因表達的關鍵環(huán)節(jié)（一）操縱子是原核生物基因表達調控的基本單元操縱子是原核生物基因組構的基本單位，也是基本轉錄單位，由結構基因和調控序列組成。

編碼序列啟動序列操縱序列其他調節(jié)序列(promoter)(operator)（二）乳糖操縱子模型詮釋了原核生物轉錄起始誘導的基本機制mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因LacI阻遏蛋白的阻遏作用阻遏蛋白的四聚體結合在操縱序列上，抑制了lac操縱子中結構基因的表達。mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶CAP的結合位點CAP：catabolitegeneactivationproteinCAP的結合位點在-60處。CAP以同源二聚物的形式與cAMP結合，這個復合物結合在CAP結合位點上。外環(huán)境中葡萄糖的減少可以增加cAMP合成。（三）乳糖操縱子的高效表達需要另外的正調控方式葡萄糖效應：培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時，即使有乳糖存在，不誘導靶基因表達。這樣的操縱子稱葡萄糖敏感操縱子。這種效應由一種正控制機制決定。葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖→腺苷酸環(huán)化酶活性降低→ATP無法轉變成cAMP→不能形成CAP-cAMP復合蛋白→RNA酶無法結合在DNA上→結構基因不表達。乳糖操縱子的協(xié)同調控乳糖操縱子的意義阻遏蛋白的抑制作用和CAP介導的正調控共同擔負著原核生物體系內糖源的協(xié)調利用。乳糖操縱子的協(xié)調調控方式保證了葡萄糖是原核生物體系優(yōu)先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗盡后，原核生物才利用乳糖作為碳源。trpoperon二、翻譯水平調控是對轉錄調控的補充（一）轉錄與翻譯的偶聯(lián)調控提高了基因表達調控的有效性trpoperon的有效關閉還有一種屬于促進已經(jīng)開始轉錄的mRNA合成終止的方式來進一步加強，稱為轉錄衰減。色氨酸操縱子（trpoperon）結構基因：trpE、trpD、trpC、trpB和trpA上游調控區(qū)：調節(jié)基因（trpR）、啟動子（P）和操縱序列（O）。啟動子（P）和操縱序列（O）有部分重疊。葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖→腺苷酸環(huán)化酶活性降低→ATP無法轉變成cAMP→不能形成CAP-cAMP復合蛋白→RNA酶無法結合在DNA上→結構基因不表達。形成發(fā)夾結構能力強弱：增強子需要有啟動子才能發(fā)揮作用表觀遺傳（epigenetics）是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變。反式作用因子的作用是調控靶基因表達效率的蛋白質。–構建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：反式作用因子的作用是調控靶基因表達效率的蛋白質。組蛋白去乙?；福℉DAC）在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導基因?；诠δ艿霓D錄因子分類（一）mRNA的穩(wěn)定性影響真核生物基因表達阻遏蛋白的四聚體結合在操縱序列上，抑制了lac操縱子中結構基因的表達。DNA結合結構域處于基本狀態(tài)下的原核生物基因轉錄具有天然活性，因此多采用負調控機制；前導序列L的結構特點：開放狀態(tài)的色氨酸操縱子

當培養(yǎng)基中色氨酸含量很少時，trpR阻遏蛋白以同源二聚體的形式存在，不能與操縱序列O結合，使得RNA聚合酶能夠啟動轉錄。關閉狀態(tài)的色氨酸操縱子

當色氨酸含量豐富時，色氨酸與色氨酸阻遏蛋白結合，使其能夠與操縱序列結合，抑制轉錄。色氨酸被稱為輔阻遏劑（corepressor）。色氨酸操縱子mRNA前導序列前導序列L的結構特點：①可轉錄生成一段長為162bp、內含4個特殊序列的前導mRNA②其中序列1有獨立的起始和終止密碼，可翻譯成為一個有14個氨基酸殘基的前導肽③序列1和序列2間、序列2和序列3間、序列3和序列4間存在一些互補序列，分別都可以形成發(fā)夾結構④序列4下游有一個連續(xù)U序列，是一個不依賴ρ因子的轉錄終止信號UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……轉錄中的色氨酸操縱子

當色氨酸的濃度降低時，核蛋白體在合成前導肽的兩個色氨酸部位上出現(xiàn)暫停，占據(jù)了序列1。而此時的轉錄仍在進行，序列2和序列3形成了穩(wěn)定的2:3莖-環(huán)結構。RNA聚合酶可以轉錄5個結構基因。轉錄衰減子終止了轉錄

當色氨酸含量豐富時，有足夠的色氨酸用于合成前導肽。核蛋白體可順利通過序列1，并繼續(xù)向前與序列2結合。核蛋白體與序列1和序列2的結合，使序列3和序列4形成了3:4莖-環(huán)結構。這一結構與隨后的多聚U序列使RNA聚合酶終止了轉錄。衰減子（attenuator）

前導序列起到了隨trp濃度升高而降低轉錄的作用，故將操縱子前導區(qū)內一段類似于終止子結構的DNA序列稱為衰減子，其作用是減弱操縱子的轉錄，實現(xiàn)對轉錄過程的精確調節(jié)。在trp操縱子中，阻遏蛋白對結構基因轉錄的負調控起到粗調作用，而衰減子起到精調的作用。（二）SD序列影響翻譯起始速度（三）翻譯阻遏利用蛋白質與自身mRNA的結合實現(xiàn)翻譯起始的調控（四）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯的延伸速度第三節(jié)真核生物的基因表達調控真核生物的基因表達調控比原核生物復雜得多：真核基因組比原核基因組大得多真核基因組只有10%的編碼序列，其余序列功能尚不清楚真核生物編碼蛋白質的基因不連續(xù)真核生物是單順反子結構真核生物DNA在細胞核內與多種蛋白質結合構成染色質，這種復雜結構直接影響著基因表達真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在于線粒體DNA上真核生物體系的基因表達要比原核生物體系基因表達復雜的多，其原因在于：大小不同。大腸桿菌基因組的長度為4×106bp，約有4000個基因；而哺乳類基因組的長度為~109bp，約有3萬~3.5萬個基因。編碼特性不同。原核基因組的大部分序列都是編碼基因；而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質、rRNA和tRNA等，其余90%的序列功能至今尚不清楚。連續(xù)性不同。原核生物的基因是連續(xù)的，轉錄后即可被翻譯成為蛋白質；而真核生物編碼蛋白質的基因是不連續(xù)的，含有外顯子和內含子。轉錄產(chǎn)物需去除內含子后，才能成為成熟的mRNA。排列方式不同。原核生物的基因是以串聯(lián)的形式排列的，可轉錄出多順反子的mRNA；而真核生物是一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子。真核細胞的許多功能蛋白是由多個多肽鏈構成的，因此需要多個基因的協(xié)調表達。序列重復度不同。原核基因組中基本上沒有重復序列；而真核細胞基因組存在著大量的重復序列（repetitivesequence）。存在的形式不同。原核基因組是裸露的環(huán)狀雙鏈DNA；而真核基因組與組蛋白結合構成了核小體，具有串珠形狀的雙鏈DNA再經(jīng)盤繞和濃縮后形成染色質，組裝在細胞核內。遺傳信息的載體不同。原核基因組的遺傳信息存在于DNA上；而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?；虮磉_的時空性不同。原核細胞中基因表達在同一空間完成，而且時間性差異也較小，而真核細胞中細胞核的存在使得轉錄和翻譯過程表現(xiàn)出空間和時間上的差異。基本調節(jié)方式不同。處于基本狀態(tài)下的原核生物基因轉錄具有天然活性，因此多采用負調控機制；雖然真核細胞具有正、負兩種調節(jié)機制，但是正性調節(jié)是主要形式，即需要使得每個真核細胞基因活化才能被轉錄。一、真核生物染色質結構直接影響基因轉錄1.轉錄活化的染色質對核酸酶極為敏感被激活的染色質上常出現(xiàn)一些對核酸酶高度敏感的位點，稱之超敏感位點（hypersensitivesite）。超敏感位點通常位于被活化基因的5′-側翼區(qū)1000bp內，但有時也會出現(xiàn)在更遠的5′-側翼區(qū)或3′-側翼區(qū)。許多超敏感位點是核小體相對缺少的區(qū)域，使得調節(jié)蛋白易與之結合。2.轉錄活化的染色質的組蛋白發(fā)生改變①富含Lys的H1組蛋白水平降低②H2A-H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾H3組蛋白巰基暴露

組蛋白乙酰化酶（HAT）

組蛋白去乙酰化酶（HDAC）3.RNA聚合酶結合位點的上游和下游具有不同的超螺旋構象RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后4.CpG島甲基化水平降低真核生物DNA中，約有5％的胞嘧啶被甲基化為5-甲基胞嘧啶，并與其3′的鳥嘌呤形成CpG結構。發(fā)生在基因5′側翼區(qū)的CpG結構稱為CpG島。染色質甲基化程度與基因轉錄的活化狀態(tài)呈反比。管家基因多富含CpG島，并且CpG島中胞嘧啶多處在非甲基化的狀態(tài)。

DNA甲基化（DNAmethylation）

CG島（CGisland）：基因組DNA中富含GC堿基的區(qū)域，其中一些對稱序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修飾；與基因的失活有關。

DNA甲基轉移酶（DNAmethyltransferase,DNMT）

–維持性DNMT（maintenanceDNMT）：使DNA甲基化的模式（pattern）在細胞分裂中得以保持（可遺傳性）

–構建性DNMT（establishmentDNMT;denovoDNMT）：使非甲基化的DNA模板甲基化

DNA甲基化是一個動態(tài)過程，又是相對穩(wěn)定的狀態(tài)；受精卵和早期胚胎細胞中甲基化程度低，隨分化進程逐漸建立。胞嘧啶C的甲基化修飾DNA甲基化pattern維持的方式（維持性DNMT的作用）表觀遺傳（epigenetics）是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變。這種改變是細胞內除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質發(fā)生的改變，且這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞。

表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化，基因組印記（genomicimpriting）和DNA編輯（RNAediting）、基因沉默、核仁顯性和休眠轉座子激活等。二、轉錄速度決定RNA合成效率（一）順式作用元件可直接影響基因表達活性啟動子增強子沉默子1.真核生物啟動子結構和調節(jié)較原核生物復雜真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒TATA盒（TATAbox）：位于-25~-35處，一致保守序列為TATAAAACAAT盒（CAATbox）：位于-70~-80處，保守序列為CCAATGC盒（GCbox）：位于-80~-110處，保守序列為GCCACACCC或GGGCGGG2.增強子是一種能夠提高轉錄的順式調控元件遠離轉錄起始點，決定基因的時間、空間特異性表達、增強啟動子轉錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。長度大約是200bp,可使旁側的基因效率提高100倍。增強子由若干組件構成，基本核心組件常為8～12bp，可以單拷貝或多拷貝串聯(lián)的形式存在。增強子的功能及其作用特征：1.增強子與被調控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件2.增強子是組織特異性轉錄因子的結合部位3.增強子不僅能夠在基因的上游和下游起作用，而且還可以遠距離實施調節(jié)作用4.增強子作用與序列的方向性無關5.增強子需要有啟動子才能發(fā)揮作用3.沉默子能夠抑制基因的轉錄沉默子是是一種參與基因表達的負性調控元件，對基因的轉錄具有抑制作用。

沉默子的作用不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用。（二）轉錄因子是轉錄調控的關鍵分子轉錄因子一般含有三個不同的功能結構域：DNA結合結構域轉錄激活結構域與其他蛋白質結合的結構域反式作用因子的作用是調控靶基因表達效率的蛋白質。又稱為轉錄因子，能直接或間接地識別或結合在各順式作用元件的（8bp~12bp）核心序列上，參與調控靶基因表達效率的蛋白質。1.轉錄因子利用特定的蛋白質模體與DNA結合（1）鋅指模體結構：CysHis鋅指（zincfinger）模體結構由N-末端的2個反向平行的β-折疊和C-末端的1個α-螺旋組成。在鋅指模體的N-末端有兩個相近的半胱氨酸，在C-末端有一對相鄰的組氨酸（或者半胱氨酸），它們在空間上形成一個能容納Zn2+的空穴，而且空穴內的Zn2+能與這4個氨基酸殘基配位連接形成手指樣的形狀。

與DNA結合的鋅指模體(2)堿性螺旋－環(huán)－螺旋（bHLH）（3）堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）亮氨酸拉鏈（leucinezipper）0在蛋白質C-末端的氨基酸序列中，每間隔6