第18章 基因表達(dá)調(diào)控

RegulationofGeneExpression基因表達(dá)調(diào)控第18章PutianUniversity15級醫(yī)檢1BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation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)PutianUniversity15級醫(yī)檢2基因表達(dá)調(diào)控(controlofgeneexpression)：指發(fā)生在基因表達(dá)過程中的各種各樣調(diào)節(jié)方式，包括DNA水平的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平的調(diào)控。基因表達(dá)（geneexpression）：指基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)產(chǎn)物或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物。(如tRNA，

rRNA)的過程。其中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是調(diào)控的最有效最經(jīng)濟(jì)的,轉(zhuǎn)錄起始是基本控制點(diǎn)。一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的概念PutianUniversity15級醫(yī)檢3二、基因表達(dá)的特點(diǎn)（一）時(shí)間特異性(temporalspecificity)：與細(xì)胞或個(gè)體的特定分化、發(fā)育階段相適應(yīng)，即某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生。又稱階段特異性(stagespecificity)

。（二）空間特異性(spatialspecificity)

：由細(xì)胞在各組織器官的分布差異所決定，即某種基因在個(gè)體不同組織（空間）表達(dá)的差異。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性(cellortissuespecificity)

。（一）時(shí)間特異性(temporalspecificity)：（二）空間特異性(spatialspecificity)

：PutianUniversity15級醫(yī)檢4管家基因可調(diào)節(jié)基因（基因表達(dá)調(diào)控的對象）→表達(dá)很少受環(huán)境因素影響?！墉h(huán)境因素的誘導(dǎo)或阻遏。指特定時(shí)空條件下特異性表達(dá)的基因。編碼基因可誘導(dǎo)表達(dá)可阻遏表達(dá)基因表達(dá)的方式(1).組成性表達(dá)(2).誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)(3).協(xié)同表達(dá)三、基因表達(dá)的方式PutianUniversity15級醫(yī)檢5（一）、組成性表達(dá)或基本表達(dá)(constitutivegeneexpression管家基因(housekeepinggene)：在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，其表達(dá)產(chǎn)物對生命全過程都是必需的或必不可少的基因。組成性基因表達(dá)（基本的基因表達(dá)）只受啟動(dòng)子與

RNA聚合酶相互作用的影響。組成性基因表達(dá)：基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。如管家基因。PutianUniversity15級醫(yī)檢6（二）、誘導(dǎo)(induction)和阻遏(repression)表達(dá)誘導(dǎo)：指可調(diào)節(jié)基因在對環(huán)境信號應(yīng)答時(shí)被激活，基因表達(dá)增加的過程稱為誘導(dǎo)。被誘導(dǎo)才表達(dá)的基因稱為可誘導(dǎo)基因（induciblegenes），阻遏：指可調(diào)節(jié)基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時(shí)被抑制，基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低，這種基因表達(dá)方式稱為阻遏，這類基因稱作可阻遏基因。某些基因表達(dá)產(chǎn)物數(shù)量隨著外界環(huán)境信號變化而變化，這類基因稱為可調(diào)節(jié)基因。可調(diào)節(jié)基因除受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響外，還受其它機(jī)制調(diào)節(jié)（如：增強(qiáng)子）PutianUniversity15級醫(yī)檢7順式作用元件（cis-actingelement）:不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问剑≧NA或蛋白質(zhì)）而是以DNA形式在原來位置起作用的DNA序列。包括啟動(dòng)子、終止子、增強(qiáng)子、衰減子等。起作用的過程稱順式作用。四、參與基因表達(dá)調(diào)控的基本要素順式作用元件只能作用同一條DNARNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)mRNAPutianUniversity15級醫(yī)檢8b反式作用因子（trans-actingfactor）:一個(gè)基因的產(chǎn)物對另一個(gè)基因的表達(dá)具有調(diào)控作用，則這個(gè)基因產(chǎn)物(如蛋白質(zhì)或RNA)稱為反式作用因子。包括轉(zhuǎn)錄因子、阻遏蛋白(負(fù)調(diào)控)和激活蛋白(正調(diào)控)等。這種起作用的過程稱反式作用。aDNA反式調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)AAmRNAAA四、參與基因表達(dá)調(diào)控的基本要素PutianUniversity15級醫(yī)檢9結(jié)構(gòu)基因活化轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后加工及載運(yùn)翻譯及翻譯后加工基因表達(dá)的多級調(diào)控五、基因表達(dá)調(diào)控的多樣性其中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是調(diào)控的最有效最經(jīng)濟(jì)的,轉(zhuǎn)錄起始是基本控制點(diǎn)。PutianUniversity15級醫(yī)檢10(一)適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖六、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義(二)維持個(gè)體發(fā)育與分化生物體適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)代謝的能力與蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能有關(guān)。而蛋白質(zhì)的水平又受基因表達(dá)的調(diào)控。當(dāng)某種基因缺陷或表達(dá)異常時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)組織或器官的發(fā)育異常。PutianUniversity15級醫(yī)檢11第二節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控ControlofgeneexpressioninprokaryotePutianUniversity15級醫(yī)檢12(1)RNA聚合酶的σ因子識別結(jié)合啟動(dòng)序列(2)普遍存在阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控機(jī)制(3)以操縱子模式調(diào)控普遍存在原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的特點(diǎn)原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控，其次是翻譯水平。PutianUniversity15級醫(yī)檢13一、原核生物基因轉(zhuǎn)錄的基本單位

1.原核生物基因轉(zhuǎn)錄以操縱子為基本單位操縱子:指原核生物中由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因(編碼序列,2個(gè)以上)和控制這些基因表達(dá)的調(diào)控序列(包括操縱序列、啟動(dòng)序列和調(diào)節(jié)序列)所構(gòu)成的一個(gè)完整的連續(xù)的轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列其他調(diào)節(jié)序列POIPutianUniversity15級醫(yī)檢14編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列其他調(diào)節(jié)序列POI操縱序列:阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn),當(dāng)操縱序列與阻遏蛋白結(jié)合時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。pol阻遏蛋白啟動(dòng)序列:是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域。不同原核基因具有共有序列，決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)弱。阻遏蛋白:是一類由調(diào)節(jié)基因編碼，在轉(zhuǎn)錄水平對基因表達(dá)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用(關(guān)閉基因表達(dá)活性)的蛋白質(zhì)。PutianUniversity15級醫(yī)檢15(一)、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子是調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子，由調(diào)節(jié)基因I、啟動(dòng)基因P、操縱基因O和3個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。如圖：二、原核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控

(以乳糖操縱子為例)LacZ：編碼β-半乳糖苷酶LacY：編碼β-半乳糖苷透性酶LacA：編碼β-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶PutianUniversity15級醫(yī)檢16mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)（二）、乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制阻遏基因1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)（1）無乳糖存在時(shí)，阻遏蛋白結(jié)合在操縱基因上，阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，此時(shí)基因關(guān)閉不表達(dá)。PutianUniversity15級醫(yī)檢17mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)(無葡萄糖)，乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖，異乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，導(dǎo)致阻遏蛋白變構(gòu)，不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，此時(shí)基因開放表達(dá)。PutianUniversity15級醫(yī)檢18CAP是一種分解代謝基因激活蛋白，又稱cAMP受體蛋白,具有與cAMP和DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。它與cAMP結(jié)合成為CAP-cAMP二元復(fù)合物后可增強(qiáng)與DNA結(jié)合的能力。當(dāng)它結(jié)合到CAP結(jié)合位點(diǎn)后，可直接與RNA聚合酶作用并改變啟動(dòng)序列的DNA結(jié)構(gòu)而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。2、CAP的正性調(diào)節(jié)PutianUniversity15級醫(yī)檢19++++

轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)CAPCAPCAPCAPcAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓葡萄糖↓，cAMP↑CAPCAPCAPCAPCAPPutianUniversity15級醫(yī)檢203.協(xié)同調(diào)節(jié)PutianUniversity15級醫(yī)檢211、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子是調(diào)節(jié)合成代謝的操縱子，由啟動(dòng)基因P、操縱基因O、前導(dǎo)序列L和5個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。如圖：trpE，trpD:編碼鄰氨基苯甲酸合成酶trpA，trpB：編碼色氨酸合成酶trpC：編碼吲哚甘油磷酸合成酶三、原核生物轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控——衰減作用(以色氨酸操縱子為例)PutianUniversity15級醫(yī)檢22PO調(diào)節(jié)區(qū)trpR結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNA

RNA聚合酶?(1)、阻遏蛋白粗調(diào)控作用色氨酸操縱子2、色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子有阻遏因子粗調(diào)節(jié)和衰減作用細(xì)調(diào)節(jié)阻遏蛋白只有與輔阻遏物（色氨酸）結(jié)合才具有活性。其活性受色氨酸水平控制，色氨酸與阻遏蛋白結(jié)合激活阻遏蛋白，激活的阻遏蛋白可與操縱區(qū)DNA結(jié)合，關(guān)閉trp操縱子的表達(dá)。PutianUniversity15級醫(yī)檢23衰減子區(qū)域（attenuatorregion)，由前導(dǎo)序列構(gòu)成。這段序列能夠編碼14個(gè)氨基酸的短肽，其中有2個(gè)色氨酸相連，在此編碼區(qū)前有核糖體識別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）序列，提示這段短序列在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。研究證明當(dāng)色氨酸有一定濃度時(shí)，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會(huì)終止在這里。(2)色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的衰減調(diào)節(jié)PutianUniversity15級醫(yī)檢24

衰減子區(qū)域（attenuatorregion)，由前導(dǎo)序列構(gòu)成。,位于操縱子中第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前，是一段能減弱轉(zhuǎn)錄作用的DNA序列。一段類似于終止子結(jié)構(gòu)的DNA序列,它可使操縱子的轉(zhuǎn)錄開始后還未進(jìn)入第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因時(shí)便終止。(2)色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的衰減調(diào)節(jié)PutianUniversity15級醫(yī)檢25衰減子DNA能被轉(zhuǎn)錄生成的mRNA具有4段特殊序列(序列1、2、3和4)，序列1和2、2和3、3和4能配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，且發(fā)夾形成能力為1和2>2和3>3和4。如果序列1和2形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，序列2、3就不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，有利于序列3和4生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；而序列4后面緊跟一串U，所以由3、4形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)不依賴ρ因子的終止子結(jié)構(gòu)，能使RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄而從mRNA上脫離下來。PutianUniversity15級醫(yī)檢26UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……前導(dǎo)RNA的結(jié)構(gòu)PutianUniversity15級醫(yī)檢27UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’

trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止PutianUniversity15級醫(yī)檢28UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)PutianUniversity15級醫(yī)檢29RegulationofGeneExpressioninEukaryote第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控PutianUniversity15級醫(yī)檢30一、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)1、多層次：染色質(zhì)水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯水平、翻譯后加工。2、正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)3、轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進(jìn)行。PutianUniversity15級醫(yī)檢31二、染色質(zhì)水平的調(diào)控真核生物基因組DNA與組蛋白結(jié)合形成核小體，核小體再壓縮組裝形成染色質(zhì)深藏于細(xì)胞核內(nèi)。所以染色質(zhì)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)直接影響基因的表達(dá)。體現(xiàn)在以下幾方面：(2)、非活性染色質(zhì)狀態(tài)：指結(jié)構(gòu)緊密的異染色質(zhì)，

不具有轉(zhuǎn)錄活性。（1）、活性染色質(zhì)狀態(tài)：指結(jié)構(gòu)松散的常染色質(zhì)，

具有轉(zhuǎn)錄活性。易于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式作用元件結(jié)合和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng)。（一）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄PutianUniversity15級醫(yī)檢32活性染色質(zhì)特點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)伸展、蓬松。(2)染色質(zhì)DNA構(gòu)型發(fā)生改變:右旋轉(zhuǎn)變左旋。(3)對DNaseⅠ超敏感：研究表明轉(zhuǎn)錄活性區(qū)對

DNaseⅠ敏感。(4)核心組蛋白發(fā)生化學(xué)修飾:乙?；揎棧谆?磷酸化修飾。PutianUniversity15級醫(yī)檢33（二）組蛋白的修飾作用真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側(cè)區(qū)的CpG序列中，實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。（三）DNA甲基化水平影響轉(zhuǎn)錄缺乏DNA甲基化酶時(shí)抑制消失，許多應(yīng)被抑制的基因(如原病毒基因、原癌基因或其它潛在的有害序列)被轉(zhuǎn)錄，影響正常的發(fā)育進(jìn)程。即甲基化抑制轉(zhuǎn)錄。PutianUniversity15級醫(yī)檢34CpG島：三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控真核生物RNA聚合酶有三種(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。真核生物基因組中無操縱子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要是通過順式作用