1、基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控真核生物基因表達(dá)的調(diào)控1 基因表達(dá)調(diào)控是生命必需 基因：一段DNA分子，編碼一種多肽鏈或RNA?；蚪M(genome)：含有一個(gè)生物體生存、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸?；虮磉_(dá)(gene expression)：儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過程。第一 概述基因表達(dá)調(diào)控(gene regulation或gene control)：對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)?；虮磉_(dá)的組織特異性(tissue specificity)：不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類也各不相同。 基因表達(dá)的階段特異性(st

2、age specificity)：細(xì)胞分化發(fā)育的不同時(shí)期，基因表達(dá)的情況是不相同的。 組成型表達(dá)(constitutive expression)：指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。其產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因也稱為看家基因(housekeeping gene)；適應(yīng)型表達(dá)(adaptive expression)：指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。誘導(dǎo)(induction)：隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象，這類基因被稱為可誘導(dǎo)基因(inducible gene)；阻遏(repression)：隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象

3、，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏基因(repressible gene)。第二 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)；翻譯水平上的調(diào)控 (differential translation of mRNA ) 。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控-操縱子學(xué)說二 翻譯水平的調(diào)控在25種非調(diào)控蛋白中： AUU 37% Ile AUC 62% AUA 1%在dnaG中22個(gè)Ile codons AUU 36 Ile AUC 32 AUA 32%1）mRNA翻譯水平差異的調(diào)控表 在不同產(chǎn)物中密碼子使用頻率不同密碼子在25種非調(diào)控蛋白中(%)在引物酶中(%)在因子中(%)AU

4、U373626AUC623274AUA1320通過阻抑蛋白結(jié)合到mRNA的靶區(qū)域上阻止核糖體識(shí)別以達(dá)到阻遏的功能。自體調(diào)控：一種蛋白質(zhì)或者RNA調(diào)控自身的表達(dá)。特點(diǎn)：每個(gè)自體調(diào)控專一，調(diào)控蛋白只作用于負(fù)責(zé)指導(dǎo)自身合成的mRNA。2）阻抑蛋白對(duì)翻譯起始的調(diào)控表 與mRNA起始區(qū)結(jié)合抑制翻譯的阻遏蛋白阻遏蛋白靶基因作用位點(diǎn)R17 外殼蛋白R(shí)17復(fù)制酶核糖體結(jié)合位點(diǎn)的發(fā)夾結(jié)合T4 RegAT4早期mRNA含有起始密碼子的各種序列T4 DNA 聚合酶T4 DNA 聚合酶S-D序列T4 p32基因32單鏈5前導(dǎo)序列 3）小分子RNA調(diào)節(jié)翻譯 1884年Mizuno和Iwoue發(fā)現(xiàn)RNA可作為調(diào)節(jié)因子，

5、與調(diào)節(jié)蛋白一樣，RNA合成后，可擴(kuò)散到靶位點(diǎn)。RNA作為調(diào)節(jié)物質(zhì)的作用機(jī)制：(1) 和靶核苷酸序列形成雙鏈區(qū)，直接阻礙其翻譯的起始。(2) 在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，改變其構(gòu)象，直接影響其功能。干擾mRNA的互補(bǔ)RNA（mic-RNA, mRNA-interfering complementary RNA）。也稱為反義RNA( antisense RNA )。反義RNA作為RNA調(diào)節(jié)物的調(diào)節(jié)方式：可與mRNA結(jié)合，結(jié)合位點(diǎn)是S-D, AUG, 部分N端密碼子；與RNA形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，作為內(nèi)切酶底物；與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄提前終止。RNAi 技術(shù) 1998年2月，Andrew Fire等將單

6、鏈RNA純化后注射線蟲時(shí)發(fā)現(xiàn)，基因抑制效應(yīng)變得十分微弱，而經(jīng)過純化的雙鏈RNA卻正好相反，能夠高效特異性阻斷相應(yīng)基因的表達(dá)。將這一現(xiàn)象稱為RNA干擾1984年，抗病毒藥物的開發(fā)1988年, 轉(zhuǎn)基因番茄（PG 酶的反義RNA） 4）魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響-應(yīng)急調(diào)控嚴(yán)緊反應(yīng)(strigent response)：細(xì)菌在饑餓條件下，缺乏足夠的氨基酸使得蛋白質(zhì)合成受阻時(shí)，將關(guān)閉大量的代謝過程。抵御不良條件，保存自己的一種機(jī)制。當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，參與蛋白翻譯的RNA停止合成。ATP和GDP合成一種新的化合物，稱為鳥苷四磷酸ppGpp和pppGpp。在層析譜上檢出這兩種化合物的斑點(diǎn)，稱為魔斑。GTP+A

7、TPpppGpp+AMPppGpp 魔斑的主要作用：(1) ppGpp四磷酸鳥苷(魔斑I magic spot I) 調(diào)控一些反應(yīng)的效應(yīng)物，主要功能是： 抑制rRNA基因的啟動(dòng)子與RNA聚合酶與結(jié)合的專一性； 抑制多數(shù)或大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄的延伸。(2) pppGpp五磷酸鳥苷(魔斑II magic spot II)當(dāng)細(xì)胞缺乏氨基酸時(shí)產(chǎn)生ppGpp，可在很大范圍內(nèi)做出應(yīng)急反應(yīng)，如抑制核糖體和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操縱子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，抑制與氨基酸運(yùn)轉(zhuǎn)無關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，活化蛋白水解酶等。 空轉(zhuǎn)反應(yīng)（idling reaction）空載tRNA 松馳型突變（relaxed(rel)mutants）

8、應(yīng)急因子（stringent factor）：RelA 第三 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)真核基因表達(dá)調(diào)控的五個(gè)水平 DNA水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié) 翻譯水平調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié)一 DNA水平的調(diào)控（一）基因丟失（二）基因擴(kuò)增（三）基因重排（四） DNA的甲基化與去甲基化二 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 許多真核生物基因編碼關(guān)鍵代謝酶或細(xì)胞組成成分，這些基因常在所有細(xì)胞中都處于活躍狀態(tài)。這種組成型表達(dá)的基因稱為持家基因(house keepin

9、g gene)。另一些基因的表達(dá)則因細(xì)胞或組織不同而異，只在某些才高效表達(dá)。這類基因表達(dá)的調(diào)控通常發(fā)生在特定的發(fā)育時(shí)期或細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄水平。 （一） 順式作用元件（二） 反式作用因子轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 （一） 順式作用元件啟動(dòng)子增強(qiáng)子沉默子絕緣子2 增強(qiáng)子(transcriptional enhancer) 轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子 是另一種順式調(diào)控元件，通常位于啟動(dòng)子上游700-1000bp處，離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)較遠(yuǎn)。1 啟動(dòng)子增強(qiáng)子可以提高轉(zhuǎn)錄效率，在基因中的位置不定。位于基因的上游，下游，基因序列內(nèi)。增強(qiáng)子的作用沒有方向性，可以轉(zhuǎn)移到其它基因附近，加強(qiáng)該基因的轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子是轉(zhuǎn)錄起始和達(dá)到基礎(chǔ)水平所必須的，而增強(qiáng)子則

10、可以使轉(zhuǎn)錄達(dá)到最高水平。增強(qiáng)子的存在，使基因轉(zhuǎn)錄只能在有適宜的轉(zhuǎn)錄因子存在時(shí)才能進(jìn)行。許多增強(qiáng)子可對(duì)細(xì)胞內(nèi)外的信號(hào)作出反應(yīng)3 沉默子負(fù)調(diào)控元件- 對(duì)轉(zhuǎn)錄起阻遏作用4 絕緣子阻止激活或阻遏作用在染色質(zhì)上的傳遞（二）反式作用因子是識(shí)別、結(jié)合順式作用元件，并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白。 a -螺旋-轉(zhuǎn)角-a -螺旋(HTH) 有3個(gè)螺旋，螺旋3識(shí)別并和DNA結(jié)合，一般結(jié)合于大溝；螺旋1和2和其它蛋白質(zhì)結(jié)合 1 蛋白質(zhì)直接和DNA結(jié)合鋅指區(qū)域包括二個(gè)半胱氨酸(Cys)及二個(gè)組氨酸(His)族，其保守重復(fù)序列為Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His殘基與鋅離子(Zn+

11、)形成的配位鍵，使氨基酸折疊成環(huán)，形成類似手指的構(gòu)型。1 蛋白質(zhì)直接和DNA結(jié)合亮氨酸拉鏈具有可形成蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)二聚體的亮氨酸拉鏈區(qū)(leucine zipper，LP)。1 蛋白質(zhì)直接和DNA結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白先和配基結(jié)合被活化。甾類激素如雌激素、雄激素等可以誘導(dǎo)某些基因表達(dá)。甾類受體蛋白一般都具有3個(gè)功能區(qū)：N-端區(qū)是激活轉(zhuǎn)錄所需的區(qū)域；DNA結(jié)合及轉(zhuǎn)錄活化區(qū)；C-端的激素結(jié)合和二聚體形成區(qū)。2 蛋白質(zhì)和配基結(jié)合 真核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控還有mRNA選擇性加工、內(nèi)含子剪接等，這實(shí)際上是轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。三 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。 mRNA加工大多數(shù)真核生物的mRNA在轉(zhuǎn)錄后必須進(jìn)行下面三方面的加工后

12、，才能運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯 當(dāng)RNA鏈合成大概達(dá)到30個(gè)核苷酸后，就在其5端加上一個(gè)7甲基鳥嘌呤核苷的帽子，它含有二個(gè)甲基和稀有的55三磷酸鍵。其作用主要是在蛋白質(zhì)翻譯時(shí)幫助識(shí)別起始位置以及防止被RNA酶降解。（1） 5端加帽一般前體mRNA 的轉(zhuǎn)錄終止于加poly A尾巴的3末端的下游10002000個(gè)核苷酸處。然后由核酸內(nèi)切酶切除多余的核苷酸。一般在保守的共有序列AAUAAA的下游1130個(gè)核苷酸處停止切割。最后在poly A聚合酶的催化下加上大約200個(gè)聚腺苷酸poly A尾巴。增加mRNA的穩(wěn)定性以及從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)輸（2）3端尾不同剪接方式：在剪接內(nèi)切核酸酶(splici

13、ng endonuclease) 的催化下，非常精確地在內(nèi)含子與外顯子的交界處進(jìn)行切割，并在一種特殊的剪接連接酶(splicing ligase)的催化下重新連接起來。某些mRNA前體的內(nèi)含子是在RNA分子本身的催化下完成所以稱為RNA自剪接(self-splicing)，這種具有自動(dòng)催化活性的RNA有時(shí)也稱為核酶(ribozyme)。 在核酸蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)核酸剪接體(spliceosome)作用下完成。(3) 內(nèi)含子切除選擇性mRNA切割 同一初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在不同細(xì)胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子老鼠-淀粉酶的合成基因四 翻譯水平的調(diào)控 （一） mRNA運(yùn)輸（二）mRNA

14、翻譯的控制（三）mRNA的結(jié)構(gòu) （四）選擇性翻譯（五）反義RNA運(yùn)輸控制（transport control）是對(duì)轉(zhuǎn)錄本從細(xì)胞核運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。核膜是一個(gè)基因表達(dá)的控制點(diǎn)。幾乎只有一半的編碼蛋白基因的初始轉(zhuǎn)錄本一直留在核里面，然后被降解掉。（一） mRNA運(yùn)輸翻譯明顯地影響到基因的表達(dá)。例如mRNA儲(chǔ)存在動(dòng)物的未受精卵中，蛋白質(zhì)合成率很低；一旦受精蛋白質(zhì)合成立即增加。并沒有新的mRNA的合成，是一種翻譯控制。在細(xì)胞質(zhì)中mRNA分子的穩(wěn)定性很不一致，幾分鐘幾個(gè)月。mRNA的降解可能是一個(gè)重要控制點(diǎn)。降解速率和mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，如很多短壽命的mRNA 3 非翻譯區(qū)（UTR）中富含

15、AU的序列（UUAAUUUAU），作用機(jī)制還不清楚。（二）mRNA翻譯的控制多數(shù)mRNA的翻譯活性依賴于5 端“帽”結(jié)構(gòu)，只有“帽”被甲基化，方可有效翻譯。起始密碼子AUG的位置和其側(cè)翼的序列影響翻譯的效率。影響起始復(fù)合物的形成，進(jìn)而影響翻譯效率。5 UTR的長(zhǎng)度影響翻譯的效率和起始的精確性。當(dāng)1780bp之間時(shí)，體外翻譯效率與長(zhǎng)度成正比。5 UTR可能形成發(fā)夾或莖環(huán)二級(jí)結(jié)構(gòu)，阻止核糖體40S亞基的遷移，對(duì)翻譯起始有順式抑制作用。但若二極結(jié)構(gòu)位于AUG的近下游（最佳距離為14 bp），會(huì)使40亞基?？吭贏UG位點(diǎn)，增強(qiáng)起始反應(yīng)(翻譯起始因子使二極結(jié)構(gòu)解鏈，翻譯復(fù)合體順利通過)。（三）mRNA的

16、結(jié)構(gòu) 3端的poly A 影響mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率。有poly A的mRNA其翻譯效率明顯高；隨著翻譯次數(shù)的增加，poly A在逐步縮短，也就是說poly A越長(zhǎng)，半衰期越長(zhǎng)。Poly A對(duì)翻譯的促進(jìn)作用需要PABP（ poly A結(jié)合蛋白），PAPB結(jié)合poly A最短長(zhǎng)度為12bp，當(dāng)缺乏PAPB的結(jié)合時(shí)，裸露mRNA 3端易降解。PAPB遷移到AU序列時(shí)，導(dǎo)致poly A的暴露，促進(jìn)mRNA的降解。（三）mRNA的結(jié)構(gòu) 珠蛋白是由兩條鏈和兩條鏈組成的。在二倍體細(xì)胞中有4個(gè)-珠蛋白基因，如果它們相同轉(zhuǎn)錄和翻譯的話，應(yīng)是:=2:1，而實(shí)際上是1:1。是轉(zhuǎn)錄調(diào)控還是翻譯調(diào)控？體外實(shí)驗(yàn)：在

17、無細(xì)胞系統(tǒng)中加入等量-mRNA、-mRNA、少量起始因子，合成的-珠蛋白僅占3%，說明-mRNA和起始因子的親和性遠(yuǎn)大于-mRNA。當(dāng)加入過量的起始因子時(shí)，:=1.4:1 ，接近1:1。表明是在翻譯水平上存在的差異，即和翻譯起始因子的親和性不同。（四）選擇性翻譯來自骨髓細(xì)胞瘤病毒的癌基因myc三個(gè)外顯子中的第1，2兩個(gè)外顯之間有部分互補(bǔ)。在有的細(xì)胞中，當(dāng)失去外顯子1時(shí)，myc基因過量表達(dá)，推測(cè)外顯子1可能通過互補(bǔ)來抑制myc的表達(dá)。（五）反義RNA1. 蛋白質(zhì)折疊 蛋白質(zhì)在一定的條件下(如在伴蛋白chaperones存在時(shí))，才能折疊成一定的空間構(gòu)型，并具有生物學(xué)功能。在細(xì)胞中，許多真核生物的伴蛋白對(duì)蛋白質(zhì)形成有功能的空間構(gòu)型具有重要的作用。五 翻譯后水平的調(diào)控 翻譯后經(jīng)蛋白酶(protease)加工切割的主要作用是切除氨基端或羧基端的序列，以便形成有功能的空間構(gòu)型。同時(shí)將多聚蛋白質(zhì)分子切割產(chǎn)生小分子片段，使每一個(gè)片段形成一個(gè)有功能的蛋白質(zhì)。2. 蛋白酶切割最簡(jiǎn)單的化學(xué)修飾就是將一些小化學(xué)基團(tuán)，如乙?；?、甲基、磷酸基加到氨基酸側(cè)鏈、或蛋白質(zhì)的氨基端或羧基端。這種修飾的方式是特異的，同一蛋白質(zhì)的不同拷貝具有完全相同的修飾。例如，核小體的H3的乙?；谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響基因表達(dá)。復(fù)雜的修飾是蛋白質(zhì)的糖基化，