生化第13章基因表達(dá)調(diào)控

1、第13章基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression濱州醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本規(guī)律Basic Principles of Gene Expression Regulation一、基因表達(dá)具有時(shí)空特異性根據(jù)生長(zhǎng)、分化和發(fā)育等功能的需要，隨著環(huán)境的變化，按照一定的時(shí)間順序先后表達(dá)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporal specificity)或階段特異性(stage specificity) 。 在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性(spatial specificity)或細(xì)胞或

2、組織特異性（cell or tissue specificity)。同一個(gè)體內(nèi)的不同器官、組織、細(xì)胞的差異性的基礎(chǔ)是特異的基因表達(dá)或稱(chēng)為差異基因表達(dá)（differential gene expression） 。 基因表達(dá)的種類(lèi)和強(qiáng)度決定了細(xì)胞的分化狀態(tài)和功能，既細(xì)胞的基因表達(dá)譜（gene expression profile）。換言之，在個(gè)體內(nèi)決定細(xì)胞類(lèi)型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式（gene expression pattern）。二、誘導(dǎo)表達(dá)和阻遏表達(dá)是基因表達(dá)調(diào)控的普遍模式按對(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)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)

3、表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因(housekeeping gene)。無(wú)論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類(lèi)基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)。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，這種基因稱(chēng)為可誘導(dǎo)基因(inducible gene)?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressible gene)?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱(chēng)為

4、阻遏(repression)。三、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-acting element)可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列反式作用因子(cis-acting element)由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過(guò)與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)四、蛋白質(zhì)DAN以及蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的相互作用是基因表達(dá)調(diào)控的分子基礎(chǔ)作為反式作用因子的調(diào)節(jié)蛋白具有特定的空間結(jié)構(gòu)，通過(guò)特異性地識(shí)別某些DAN序列與順式作用元件發(fā)生相互作用。五、基因表達(dá)調(diào)控是多層次的復(fù)雜調(diào)節(jié)基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活拷貝數(shù)重排甲基化程度轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后

5、加工修飾蛋白質(zhì)降解等轉(zhuǎn)錄起始第二節(jié)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控Gene Expression Regulation in prokaryote 一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是原核生物基因表達(dá)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 操縱子(operon)：原核生物基因組結(jié)構(gòu)的基本單位，也是基本轉(zhuǎn)錄單位。由串聯(lián)的結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控序列組成。調(diào)控序列包括：?jiǎn)?dòng)子、操縱序列以及一定距離外的調(diào)節(jié)基因。（一）操縱子是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的基本單位原核生物 蛋白質(zhì)因子 操縱子(operon) 機(jī)制特異DNA序列編碼序列 啟動(dòng)序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)調(diào)節(jié)基因（regulatory gene）:編碼能夠與操作序列結(jié)

6、合的調(diào)控蛋白。一般來(lái)講，調(diào)節(jié)基因編碼的蛋白可以阻遏結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，因此又稱(chēng)阻遏蛋白（repressor）.調(diào)控蛋白與操縱序列結(jié)合后能夠減弱或阻止基因轉(zhuǎn)錄，其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱(chēng)為負(fù)調(diào)控（negative regulation）。如果調(diào)控蛋白與操縱序列結(jié)合后能增強(qiáng)或啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄，則稱(chēng)為正調(diào)控（positive regulation）。（二）、乳糖操縱子模型詮釋了原核生物轉(zhuǎn)錄起始誘導(dǎo)的基本機(jī)制乳糖操縱子(lac operon)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： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí) 乳糖操縱

7、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乳糖半乳糖-半乳糖苷酶圖13-4 lac 操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)+ + + + 轉(zhuǎn)錄無(wú)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)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3、協(xié)調(diào)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(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。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(chēng)分

8、解代謝阻遏(catabolic repression)。 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色氨酸操縱子其結(jié)構(gòu)基因表達(dá)產(chǎn)物一般是參與某種物質(zhì)合成代謝的酶類(lèi)。 如trp操縱子，兩種情況：1細(xì)胞中色氨酸豐富時(shí)（阻遏）：色氨酸作為（輔）阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合，使后者有活性，能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因則處于關(guān)閉狀態(tài)而不表達(dá)。色氨酸稱(chēng)為輔阻遏劑或輔阻遏物。二、翻譯水平的調(diào)控是對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補(bǔ)充（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)控提高了基因表達(dá)調(diào)控的有效性前導(dǎo)序列L的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）它可以生成一段長(zhǎng)162bp，內(nèi)含4個(gè)特殊短序列的前導(dǎo)mRNA（2）序列

9、1有獨(dú)立的起始和終止密碼子，可翻譯成為一個(gè)有14個(gè)氨基酸殘基的前導(dǎo)肽，它的第10位和第11位都是色氨酸殘基（3）序列1和序列2、序列2和序列3、序列3和序列4之間存在一些互補(bǔ)序列，分別可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。（4）序列4下游有一個(gè)連續(xù)的U序列，是一個(gè)不依賴(lài)p因子的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)導(dǎo)致衰減子的形成色氨酸操縱子的mRNA序列1中有兩個(gè)色氨酸密碼子，翻譯時(shí)如果色氨酸濃度很高，則核蛋白體很容易通過(guò)序列1，并且封閉序列2。色氨酸操縱子的mRNA序列3和序列4形成衰減子結(jié)構(gòu)，使前方的RNA聚合酶脫落，轉(zhuǎn)錄終止。反之，如果色氨酸缺乏，則核蛋白體停止于序列1的色氨酸密碼子前，序列2和序列3

10、形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止了序列3和4形成衰減子結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶繼續(xù)向前轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制34 1 UGGUGG253UUUU 1 UGGUGG253UUUU34色氨酸充足時(shí)前導(dǎo)肽 1 UGGUGG5432衰減子轉(zhuǎn)錄終止色氨酸不足時(shí)SD序列，又稱(chēng)核糖體結(jié)合位點(diǎn)。SD序列的特征、SD序列與起始密碼子之間的距離，以及mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)SD序列的屏蔽等都會(huì)影響到翻譯起始的效率。（二）、SD序列影響翻譯起始速度編碼區(qū)的起始點(diǎn)可與調(diào)節(jié)分子直接或間接地結(jié)合起來(lái)決定翻譯起始。在此調(diào)控過(guò)程中，調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結(jié)合。（三）、翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實(shí)現(xiàn)翻譯起始的調(diào)控mRNA

11、的密碼子是常用密碼子時(shí)，mRNA的翻譯速度較快，反之，mRNA的翻譯速度較慢。（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(dá)調(diào)控Gene Expression Regulation in eukaryotes 真核生物比原核生物復(fù)雜的原因（1）真核比原核基因組大（2）真核只有10的編碼序列，90功能不清（3）真核編碼蛋白質(zhì)的基因不連續(xù)（4）真核生物是單順?lè)醋樱?）真核生物DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成染色質(zhì)（6）真核生物還有線粒體DNA，既相互獨(dú)立，又相互協(xié)調(diào)。一、真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)直接影響基因轉(zhuǎn)錄以染色質(zhì)形式組裝在細(xì)胞核內(nèi)的DNA所攜帶的遺傳信息表達(dá)直接受到染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的制約。

12、染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)和轉(zhuǎn)錄非活化狀態(tài)在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有很大的差別。1 轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感轉(zhuǎn)錄活化區(qū)域是缺乏或沒(méi)有核小體結(jié)合的“裸露”DNA，從而出現(xiàn)了對(duì)核酸酶高度敏感的位點(diǎn)，稱(chēng)之為超敏位點(diǎn)。2轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變（1）富含賴(lài)氨酸的H1組蛋白含量降低（2）H2A-H2B的不穩(wěn)定性增加（3）核心組蛋白可以被甲基化、磷酸化、乙?；头核鼗揎棥＝M蛋白乙?；福℉AT）使組蛋白發(fā)生乙?；?，促染色體結(jié)構(gòu)松弛，利于轉(zhuǎn)錄，稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄輔激活因子，而組蛋白去乙酰化酶（HDAC），稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄輔抑制因子。3 RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)的上游和下游具有不同的超螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)后，RNA聚合酶沿DNA模板向

13、下游滑動(dòng)，使得下游的DAN呈現(xiàn)正超螺旋結(jié)構(gòu)，有利于核小體的解體，而RNA聚合酶上游的DNA結(jié)構(gòu)則以負(fù)超螺旋為主，有利于核小體結(jié)構(gòu)的再形成。4 CpG島甲基化水平降低轉(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)的染色質(zhì)中， CpG島甲基化程度降低。表觀遺傳（epigenetic inheritance）：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。二、轉(zhuǎn)錄速度決定RNA合成效率1 真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)較原核生物復(fù)雜 真核生物啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游的約100200bp序列，

14、包含有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件長(zhǎng)約730bp.（一）順式作用元件可以直接影響基因表達(dá)活性2 增強(qiáng)子(enhancer) 是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件（1）增強(qiáng)子與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。（2）增強(qiáng)子是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位。（3）增強(qiáng)子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。（4）增強(qiáng)子的作用與序列方向性無(wú)關(guān)。（5）增強(qiáng)子需要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用。3 沉默子(silencer) 能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄 沉默子是一類(lèi)負(fù)性調(diào)控元件，與增強(qiáng)子類(lèi)似，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用。（二）、轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子轉(zhuǎn)錄因子一般含有三個(gè)

15、不同的功能結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA binding domain）轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（activation domain）其它蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)域（protein binding domain）1、轉(zhuǎn)錄因子利于特定的蛋白質(zhì)模體與DNA結(jié)合（1）鋅指（zinc finger）結(jié)構(gòu) 大約有23個(gè)氨基酸殘基，形成1個(gè)螺旋和2個(gè)反向平行折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)。鋅指(zinc finger)C CysH His常結(jié)合GC盒ZnCysHis圖13-8 鋅指結(jié)構(gòu)（2）堿性螺旋環(huán)螺旋（basic helix-loop-helix）這類(lèi)結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)螺旋，有一個(gè)短肽段形成的環(huán)所連接。通常以二聚體形式存在。（3）堿性亮

16、氨酸拉鏈（basic leucine zipper） 在蛋白質(zhì)C末端的氨基酸序列中，每隔6個(gè)氨基酸是一個(gè)疏水性的亮氨酸殘基。其N(xiāo)末端富含堿性氨基酸區(qū)域，可以借助其正電荷與DNA骨架上的磷酸基團(tuán)結(jié)合。2 轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域可增強(qiáng)基因的轉(zhuǎn)錄活性（1）酸性激活結(jié)構(gòu)域（acidic activation domain）（2）谷氨酰胺富含結(jié)構(gòu)域（glutamine-rich domain）（3）脯氨酸富含結(jié)構(gòu)域（proline-rich domain）3 轉(zhuǎn)錄因子在功能上有基本轉(zhuǎn)錄因子和組織特異轉(zhuǎn)錄因子之分通用轉(zhuǎn)錄因子（general transcription factors） 有些轉(zhuǎn)錄因子為RNA聚合酶啟動(dòng)子所必須，是轉(zhuǎn)錄起始所需要的最基本的蛋白組分。組織特異轉(zhuǎn)錄因子（special transcriptin factors） 不同的組織細(xì)胞則都有其在特定