第04章 基因表达调控

第四章 基因达调控 第 一 节 基本概念 一、基因表达(gene expression) 基因所编码的遗传信息被转化为蛋白质产物。 基因表达是受调控的，也就是各种生物对其携带的遗传信息表达的精密调控。 二、基因表达的时间特异性和空间特异性 （一）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。 （二）空间特异性 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。 三、基因表达的方式 （一）组成性表达 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，称为管家基因(housekeeping  gene)。管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。区别于其它基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。 （二）诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。 （三）协调表达 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。 四、基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化 第二 节 基因表达调控的基本原理 一、基因表达调控的多层次性 四个基本调控点 1. 基因结构的活化 2. 转录起始：最有效的调节环节 3. 转录后加工及转运 4. 翻译及翻译后加工 二、基因转录激活调节基本要素 （一）特异DNA序列 1.原核生物的特异DNA序列：原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。 (1) 启动序列 (2 操纵序列——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。 2.真核生物的特异DNA序列：顺式作用元件(cis-acting element)——可影响自身基因表达活性的DNA序列，顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。 (二）调节蛋白 1.原核生物的调节蛋白（3类） ① 特异因子：决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； (RNA聚合酶的因子) ② 阻遏蛋白：通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白） ③ 激活蛋白：与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶与启动序列结合，促进基因转录。（CAP—分解代谢物基因活化蛋白） 2.真核基因的调节蛋白 反式作用因子(trans-acting  factor):由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达, 这种调节作用称为反式作用。 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。 （三）RNA聚合酶 1. RNA聚合酶与原核启动序列/真核启动子的亲和力，影响转录。 2.调节蛋白与RNA聚合酶活性 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。 第 三 节 原核生物基因表达调控 一、乳糖操纵子转录水平调节机制 （一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 （二）阻遏蛋白的负性调节 研究发现异乳糖和乳糖的结构类似物异丙酰硫代半乳糖苷（IPTG）都是一个良好的诱导剂—安慰剂。 （三）CAP的正性调节 低半乳糖时                    高半乳糖时 cAMP主要通过与降解物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein，CAP）结合形成复合物后再结合导启动子前面的特定部位CRP位点结合后促进基因转录。 （四）协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。            二、转录衰减—基因转录的翻译调控 (一)色氨酸操纵子的结构 大肠杆菌色氨酸操纵子结构较简单,也是研究得最清楚的操纵子,结构基因依次排列为trpEDC2BA ,其中trpGD 和trpCF 基因融合。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶, trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶, trpC编码吲哚甘油磷酸合酶, trpF编码异构酶, trpA和trpB分别编码色氨酸 合酶的α和β亚基。trpE的上游为调控区,由启动子、操纵基因和162bp 的前导序列组成。5 个结构基因全长约6800bp, trpD远侧还有一个二级启动子,在细胞生长需要过量Trp时发挥作用。 （二）阻遏作用 trp操纵子转录起始的调控是通过阻遏蛋白实现的。产生阻遏蛋白的基因是trpR ,该基因距trp o2peron基因簇很远。它结合于trp 操纵基因特异序列,阻止转录起始。但阻遏蛋白的DNA结合活性受Trp调控,在有高浓度Trp存在时,阻遏蛋白- 色氨酸复合物形成一个同源二聚体,并且与色氨酸操纵子紧密结合,因此可以阻止转录。当Trp 水平低时,阻遏蛋白以一种非活性形式存在,不能结合DNA。在这样的条件下, trp操纵子被RNA聚合酶转录,同时Trp 生物合成途径被激活。 （三）衰减作用（弱化作用） trp操纵子转录终止的调控是通过弱化作用( attenuation)实现的。在大肠杆菌trp operon,前导区的碱基序列包括4个分别以1、2、3和4表示的片段,能以两种不同的方式进行碱基配对, 1 - 2和3 -4配对,或2 - 3配对, 3 - 4配对区正好位于终止密码子的识别区。其中3 - 4配对可形成强终止子结构。前导序列有相邻的两个色氨酸密码子,当培养基中Trp 浓度很低时,负载有Trp 的tR2NATrp也就少,这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢,当4区被转录完成时,核糖体滞留1区,这时的前导区结构是2 - 3配对,不形成3 - 4配对的终止结构,所以转录可继续进行。反之,核糖体可顺利通过两个相邻的 色氨酸 密码子,在4区被转录之前,核糖体就到达2区,这样使2 - 3不能配对, 3 - 4 区可以配对形成终止子结构, 转录停止。 三、严紧反应－RNA聚合酶活性的调节 严紧控制（stringent control）：当细菌处于贫瘠的生长环境，缺乏氨基酸供给蛋白质合成，细菌将关闭大部分的代谢活性的反应。 严紧控制会使总RNA的合成显著下降（10－20倍） —总mRNA的合成降低程度较小（约3倍） —总rRNA的合成降低程度较大。 任何一种氨基酸的缺乏，都会引起严紧控制反应。严紧控制反应是由两种特殊的核苷酸ppGpp（鸟苷四磷酸, 即在5’和3’位置各连两个核苷酸）和pppGpp（鸟苷五磷酸， 即在5’连三个核苷酸3’位置连两个核苷酸）参与调解的，它们也被称为魔斑（magic spots）或魔斑核苷酸。 四、蛋白质因子对RNA聚合酶活力的影响 在原核生物和噬箘体中，有些基因的表达调控是通过一种或几种蛋白因子与RNA聚合酶相互作用而实现的。这些蛋白因子有的替代原来的σ亚基以协助核心酶识别特定的启动子；有的则修饰RNA聚合酶的核心酶并同时更换σ亚基；有的则使原来的RNA聚合酶失活。 例如：热休克反应 大肠杆菌在高温等条件下，某些在正常情况下不表达的基因迅速表达，这种现象称为热休克反应。在热休克反应中大量表达的蛋白质称为热休克蛋白。 高温条件下热休克蛋白会迅速表达的原因是： 当温度升高时，大肠杆菌中rpo H基因编码的32KDa蛋白增加表达，这种蛋白被称为σ32，与大肠杆菌中主要的σ70亚基有一定程度的同源性，σ70识别一般的启动子，而σ32识别热休克基因的启动子。σ32蛋白表达增高，使细胞中热休克蛋白迅速表达。 五、反义RNA的调节 反义RNA（antisense RNA）：也称干扰mRNA的互补RNA（mRNA interfering complementary，micRNA）可以通过互补序列与特定的mRNA相结合，结合位置包括mRNA结合核糖体的序列（SD序列）和起始密码子AUG，从而抑制mRNA的翻译。 例如：在大肠杆菌中有两种外膜蛋白，omp C和omp F，当渗透压增高时，omp C产量增加，omp F受到抑制；在渗透压减小时，omp C受到抑制，omp F产量增加。 omp C和omp F两个基因分别编码两个外膜蛋白，这两个基因并不连锁，但它们的表达同时受到渗透压的控制。env Z基因编码一种作为渗透压感受器的受体蛋白。当渗透压增高时，env Z激活omp R产生蛋白（一种正调蛋白）。它可以激活omp C和调节蛋白micF两个基因转录，这两个基因相互连锁，但反向转录，调控区位于两个基因之间。 micF的产物是一条小分子RNA，这个小RNA可以和omp F mRNA上包含核糖体结合位点的翻译起始区互补结合，形成双链区，阻止其翻译。 六、mRNA本身的二级结构及寿命对翻译的调控 mRNA的二级结构不但可以通过影响核糖体的结合而实行调控，而且也是决定mRNA寿命的重要因素之一。一般原核生物的mRNA寿命很短，大多数mRNA的半衰期为2—3min，这样能够使细菌迅速适应环境变化。但细菌中的各种mRNA的寿命还是有相当大的差异，决定mRNA寿命诸因素会影响基因的表达。 七、DNA序列重排对基因转录的调控 沙门菌鞭毛素基因的调节 八、SOS反应 第 四 节  真核基因表达调控 一、真核基因表达调控特点 1. 真核生物的基因数目比原核生物多，大多数基因含有内含子。 2. 各种非编码序列的功能还不清楚。 3. 真核生物的DNA与组蛋白形成核小体结构，同时还有许多非组蛋白结合。 4. 真核生物基因表达调控范围更大。 5. 绝大多数真核生物是多细胞有机体，由一个受精卵开始，逐步分化产生各种细胞和组织类型，分化就是不同基因选择性表达的结果。 6. 真核生物在环境条件变化时，只有部分细胞的基因表达直接受到影响和控制，其它细胞的基因表达或间接受到影响或基本不受影响。 二、DNA水平的调节 （一）染色质丢失：某些低等动物的发育过程中，在细胞分化过程中，可以通过丢失某些基因而去除这些基因的活性 。 （二）基因扩增：细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的增加，是细胞为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。 （三）基因重排：免疫球蛋白 （四）染色体DNA的修饰和异染色质化:DNA的碱基可被甲基化，甲基化可以关闭某些基因的活性。凝缩状态的染色质为异染色质，为非活性转录区，真核生物可以通过异染色质化而关闭某些基因的表达。 三、转录水平的调控 （一）顺式作用元件 1. 启动子 真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。 2. 增强子(enhancer) 增强子是真核基因和有些病毒基因中发现的一段对真核基因的转录起增强作用的DNA序列。 3. 沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 （二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类 （1）基本转录因子:是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。 (2) 特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子. （3）诱导性转录因子:这些转录因子的活性可被特异的诱导因子所诱导。这种活性的诱导可以是新蛋白质的合成，也可以是已存在的蛋白质的翻译后修饰。 2. 转录调节因子结构 最常见的DNA结合域 （1）锌指(zinc finger) （2）螺旋-转折-螺旋 （3）亮氨酸拉链 （4）螺旋-环-螺旋 3. 转录因子的调控机制 ● 与其他转录因子相互作用调控基因的转录。 ● 竞争性排除组蛋白，序列特异性的转录因子与转录起始复合物稳定结合并阻断核小体的组装对转录的抑制。 ● 与核骨架蛋白特异性相互作用，将基因栓到核中具有较高浓度转录因子的区域，促进基因的转录。 ● DNA解旋作用，有些转录因子的功能是使转录起点的DNA双螺旋解链。 （三）mRNA 转录激活及其调节 真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形 成的转录起始复合物。 四、转录后水平的调控 通常将mRNA加工成熟过程（包括5’端加帽，3’端加尾，剪接）、输出核外、胞浆内定位和降解过程的调控称为转录后调控，其中每个环节均可构成基因表达调控的一种形式。其中可变剪接是一种调控形式。 mRNA前体通过不同方式的剪接，可由一个基因的转录产物产生出不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质的过程称为差异剪接或区别加工。 来自一个基因的mRNA前体因可变剪接产生多种成熟mRNA，翻译出不同的蛋白质，或形成一组相似的蛋白质家族，都可称为同工型蛋白质（isoform）。 五、翻译调控 1.    蛋白质合成起始调节：对真核生物翻译起始蛋白因子的磷酸化修饰是翻译起始调节的普遍机制之一。 2.mRNA寿命与翻译调节：真核生物mRNA的寿命与其二级结构与转录后的修饰有关。帽子结构与mRNA的蛋白质合成效率关系密切。帽子结构不仅可以增加mRNA的稳定性，而且可以促进翻译起始复合物的形成。mRNA的polyA尾对mRNA在细胞质中的稳定性是必要的，而且一般polyA短的mRNA半衰期短， polyA长的mRNA半衰期长。某些mRNA的寿命受不同生理条件的影响。有些mRNA的寿命与发育过程有关。一般在分化过程中起主要功能的蛋白质，其mRNA寿命要长于其他蛋白质的mRNA寿命。 原核、真核生物各种起始因子的生物功能 六、翻译后调控 真核生物中合成的大多数原始状态的蛋白没生物活性，必须经进一步加工才能变成生物活性蛋白，对蛋白质翻译后加工有影响的因素构成基因表达调控的一个环节。 1. 蛋白质产物的切割加工 2. 蛋白质的化学修饰 霍锐 编 问师西来意 排