1、Gene Expression Regulation 基因表達失控會導(dǎo)致嚴重后果影響蛋白質(zhì)濃度的 七 個環(huán)節(jié)基因表達調(diào)控的一般原理DNA-Protein的相互作用模式原核生物基因的表達調(diào)控真核生物基因的表達調(diào)控基因表達的概念 基因表達（gene expression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合成的過程。 人類基因組DNA中約含5萬個基因，但在某一特定時期，只有少數(shù)的基因處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)，其余大多數(shù)基因則處于靜息狀態(tài)。一般來說，在大部分情況下，處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。 通過基因表達以合成特異性蛋白質(zhì)，從而賦予

2、細胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的改變。 基因表達的時間性基因表達的時間特異性(temporal specificity) ，是指特定基因的表達嚴格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應(yīng)細胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性?；虮磉_的空間性基因表達的空間特異性（spatial specificity），是指多細胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性?；虮磉_的方式組成型（性）基因表達（constitutive gene expression），是指在個體發(fā)育

3、的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeeping gene）。誘導(dǎo)表達（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。 阻遏表達（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因?；蛘{(diào)控主要在三個水平上進行:. DNA水平. 轉(zhuǎn)錄水平. 翻譯水平四種轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的模式enhancercis element在DNA上trans acting fact

4、or為蛋白(enhancer)典型的原核操縱子(operon)結(jié)構(gòu)Enhancer和operator的位置Operon: 操縱子Operator: 操縱基因與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用的堿基上的基團 (用紅色標識)DNA-蛋白質(zhì)相互作用范例1. HTH型(Helix-turn-helix )Lac repressor（阻抑物、阻遏物、阻抑蛋白） 與DNA的結(jié)合Typical HTH-protein: Homeodomain（HD）Homeodomain：同源（異型）域同源域(homeodomain)：同源框基因又稱同源異型盒基因(homeobox genes)，是一類調(diào)節(jié)細胞正常分化、發(fā)育的主控基因。

5、同源框基因的共同點是都具有183個核苷酸長度的同源區(qū)，即同源框(homeobox)。同源框基因編碼的蛋白質(zhì)是一類轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，都具有由相應(yīng)同源框序列編碼的61個氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域，通過與特異的DNA序列結(jié)合，調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄活性。 2. Zinc-finger 蛋白3. Leucine-zipper4. Helix-loop-helix原核和真核mRNA結(jié)構(gòu)的比較核糖體可以不從mRNA上解離連續(xù)合成三個蛋白質(zhì)lac operon的正與負調(diào)控ara operon - 由同一個蛋白質(zhì)進行正和負的調(diào)控trp operon中的attenuator SOS 應(yīng)急反應(yīng)中的repressorStringe

6、nt response DNA重組進行的基因調(diào)控乳糖操縱子乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn): 大腸肝菌能夠利用乳糖：環(huán)境中乳糖作為唯一碳源 表達并合成一系列與乳糖代謝相關(guān)的酶類。環(huán)境中沒有乳糖 編碼上述乳糖代謝酶的基因則被關(guān)閉。乳糖代謝酶結(jié)構(gòu)基因半乳糖苷酶Lac Z 半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶Lac A 半乳糖苷透性酶Lac Y當誘導(dǎo)物不存在時，操縱子以極低的基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄。誘導(dǎo)物的加入激活轉(zhuǎn)錄，使lac mRNA水平迅速上升。誘導(dǎo)物一旦除去，轉(zhuǎn)錄立刻停止，lac mRNA極不穩(wěn)定很快降解，細胞內(nèi)lac mRNA含量恢復(fù)到誘導(dǎo)前的基礎(chǔ)水平。誘導(dǎo)后蛋白質(zhì)含量的上升相對于mRNA水平的變化存在一個滯后期。誘導(dǎo)物除去后，酶

7、的合成立即停止，但由于蛋白質(zhì)較穩(wěn)定，酶活性可長時間保持在誘導(dǎo)水平。Structure of lac operonDNA sequence around lac promotor該mRNA分子的啟動子（P）位于調(diào)節(jié)基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透性酶基因的高效表達。操縱區(qū)是阻遏蛋白的結(jié)合位點。操縱區(qū)位于mRNA -5至21這段區(qū)域，和啟動子的右側(cè)末端重疊。 當阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。 活性阻遏蛋白是由4個相同亞基組成的同源四聚體 阻遏蛋白具有兩個結(jié)合位點：操縱基因結(jié)合位點和誘導(dǎo)物結(jié)合位點 阻遏蛋白和DNA的結(jié)合能增強RNA聚合酶結(jié)合DN

8、A的能力，只是結(jié)合的RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。-galactosidase is needed for hydrolysis of lactoseIPTG可以和repressor結(jié)合又不會被-半乳糖苷酶酶解LacYLacZBinding of Lac repressor (阻遏蛋白) to DNAlac operon上共有三個 repressor 結(jié)合位點由N端DNA結(jié)合域、鉸鏈區(qū)和核心區(qū)三部分組成。DNA結(jié)合域包含兩個螺旋，由一個轉(zhuǎn)角分開；鉸鏈區(qū)連接DNA結(jié)合域和核心區(qū)；核心區(qū)由核心結(jié)構(gòu)域1和核心結(jié)構(gòu)域2組成。誘導(dǎo)物結(jié)合在兩個結(jié)構(gòu)域之間的裂隙中。C端負責亞基間的寡聚化。 HTH型的CRP蛋白

9、的結(jié)構(gòu)(cAMP receptor protein， 或稱CAP，catabolite gene activator protein)。環(huán)境中葡萄糖濃度較高時，cAMP濃度低，CRP不結(jié)合cAMP，無法激活 lac promoter. 這是葡萄糖優(yōu)先使用的普遍調(diào)控機制。誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，從而激活lac mRNA的轉(zhuǎn)錄。為什么glucose濃度高就cAMP濃度低？阿拉伯糖操縱子具有三個操縱子：ara BAD:編碼阿拉伯糖代謝相關(guān)酶 ara E, ara FG:編碼膜蛋白，與阿拉伯糖結(jié)合、轉(zhuǎn)運有關(guān)。調(diào)節(jié)蛋白：C蛋白 C蛋白具有雙重調(diào)節(jié)功能 C蛋白在阿拉伯

10、糖操縱子上有3個不同結(jié)合部位:ara I、araO1和araO2Structure of ara operon 調(diào)控過程:沒有C蛋白:轉(zhuǎn)錄C mRNA有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量低: 一個C蛋白與ara I和ara O2結(jié)合，DNA成環(huán)狀，c 基因與BAD 基因阻遏有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量高: cAMP-CAP改變C蛋白活性，C蛋白放出ara O2,不再成環(huán)，C蛋白再與阿拉伯糖結(jié)合，能激活RNA聚合酶，BAD啟動子活化。ara operon的調(diào)控機制大腸桿菌色氨酸操縱子的負調(diào)控色氨酸操縱子控制5種酶的合成，由trp E, D, C, B, A編碼。當色氨酸缺乏時，調(diào)節(jié)基因（trpR

11、）編碼無活性的aporepressor阻遏蛋白。當細胞中色氨酸濃度較高時，色氨酸和aporepressor結(jié)合，形成有活性的色氨酸操縱子阻遏蛋白。Structure of trp operon大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用Trp mRNA的5端有139個核苷酸組成的前導(dǎo)序列，前導(dǎo)序列有4個區(qū)域彼此互補：12，23，34，34發(fā)夾結(jié)構(gòu)隨后為8個連續(xù)U。Trp mRNA的5編碼14個氨基酸組成的前導(dǎo)肽，前導(dǎo)肽特點是含有兩個連續(xù)Trp。細菌中，轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)，RNA聚合酶剛轉(zhuǎn)錄出部分前導(dǎo)序列，核糖體就開始翻譯。調(diào)控過程: Trp饑餓:核糖體停頓在兩個Trp密碼子上，核糖體占據(jù)1區(qū)，留下完整的2區(qū)和3

12、區(qū)配對，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這樣4區(qū)轉(zhuǎn)錄出來后仍是單鏈狀態(tài)，終止子不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行。 有充分的色氨酸: 核糖體順利完成前導(dǎo)序列的合成，到達并占據(jù)1區(qū)和2區(qū)，使2區(qū)不能與3區(qū)有效配對，從而3區(qū)和4區(qū)配對產(chǎn)生終止子的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。 其他氨基酸饑餓: 核糖體在到達序列前即停頓，1區(qū)和2區(qū)配對，然后3區(qū)和4區(qū)配對形成終止子的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。色氨酸饑餓色氨酸豐富SOS responseSOS反應(yīng)是指細胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，細胞為求生存而產(chǎn)生的一種應(yīng)急措施。SOS反應(yīng)包括誘導(dǎo)DNA損傷修復(fù)、誘變效應(yīng)、細胞分裂的抑制以及溶源性細菌釋放噬菌體等，細胞癌變也與SOS有關(guān)。SO

13、S反應(yīng)廣泛存在于原核和真核生物中，主要包括兩個方面：DNA的修復(fù)和產(chǎn)生變異。前者利于細胞的存活，具有重要意義，而后者可能產(chǎn)生不利的后果，如導(dǎo)致細胞的癌變。SOS response一個repressor控制多個基因當DNA受到嚴重損傷后，由于細胞內(nèi)的切除修復(fù)和重組修復(fù)致使DNA單鏈部分在細胞中積累。RecA蛋白因與單鏈DNA結(jié)合而被活化，活化后的RecA蛋白再與LexA結(jié)合，引起LexA的自切，解除LexA對SOS基因的阻遏作用。嚴緊反應(yīng)(stringent response) 細菌在缺乏合成蛋白質(zhì)所必須的氨基酸時，停止合成核糖體RNA的反應(yīng)。當細菌發(fā)現(xiàn)它們生長在饑餓的條件下，缺乏維持蛋白質(zhì)合成

14、的氨基酸時，它們將大部分活性區(qū)域都關(guān)閉掉-嚴緊反應(yīng)，這是它們抵御不良條件，保存自己的一種機制。細菌通過僅僅維持最低量的活性來節(jié)約其資源，直到條件改善時，它們又恢復(fù)活動，所有代謝區(qū)域也都活躍起來。嚴緊反應(yīng)導(dǎo)致rRNA和tRNA合成大量減少（10-20倍），使RNA的總量下降到正常水平的5-10%，部分種類的mRNA的減少，導(dǎo)致mRNA總合成量減少約3倍。而蛋白質(zhì)除解的速度增加，很多代謝進行調(diào)整，顯然核苷酸、碳水化合物、肽類等的合成都隨之減少。 嚴緊反應(yīng)導(dǎo)致兩種特殊核苷酸積聚：(1)ppGpp-四磷酸鳥苷（在G的5和3位點各附著兩個磷酸）;(2) pppGpp-五磷酸鳥苷（鳥苷5-三磷酸-3-二磷

15、酸）。 人們最初發(fā)現(xiàn)細菌在氨基酸饑餓時，出現(xiàn)兩種特殊的核苷酸，其電泳的遷移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就稱之為“魔斑”和“魔斑”，后來發(fā)現(xiàn)魔斑便是ppGpp，魔斑是pppGpp。 這些鳥苷是典型的小分子效應(yīng)物，預(yù)期它們的功能是和靶蛋白結(jié)合改變它們的活性，有時它們被稱為(p)ppGpp。(p)ppGpp的功能是調(diào)節(jié)細胞活性大分子的協(xié)調(diào)性。它們的產(chǎn)物是由兩種途徑來控制的。在嚴峻的條件下嚴緊反應(yīng)可以觸發(fā)(p)ppGpp的增加。一些未知因素的調(diào)節(jié)也會出現(xiàn)(p)ppGpp水平與細菌生長速度之間的反向協(xié)調(diào)。 Stringent response ppGpp分子可以與RNA polymerase的亞基結(jié)

16、合，改變轉(zhuǎn)錄特性，總體上降低轉(zhuǎn)錄水平 。DNA重排對基因表達的調(diào)節(jié) 在沙門氏菌（S. typhimrium）的鞭毛合成中，通過啟動子方向的改變來調(diào)節(jié)不同鞭毛蛋白的合成。 負責合成兩種鞭毛的基因位于不同的染色體座位。 含有hin基因的DNA片段在IRL（左反向重復(fù)序列）和IRR（右反向重復(fù)序列）之間，其產(chǎn)物Hin（H segment inversion）蛋白通過反向重復(fù)序列之間的交互重組來介導(dǎo)整個片段的倒位。沙門氏菌鞭毛基因的表達調(diào)控真核基因表達調(diào)控一般論酵母半乳糖代謝相關(guān)基因的調(diào)控DNA-binding trans-activator的結(jié)構(gòu)特征真核生物基因表達的調(diào)控作用真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基

17、因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp（人）、染色質(zhì)、染色體、核膜；單順反子(monocistron)；含有大量重復(fù)序列； 基因不連續(xù)性 斷裂基因（interrupted gene）、內(nèi)含子(intron)、 外顯子(exon)；非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1)；真核生物：分化調(diào)控 (原核生物：生長調(diào)控)。RNA聚合酶 TATA盒結(jié)合蛋白;活性染色體結(jié)構(gòu)變化;正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo);轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進行;轉(zhuǎn)錄后修飾、加工。真核基因表達調(diào)控特點多層次調(diào)控原核生物真核生物操縱元調(diào)控多樣化調(diào)控，更為復(fù)雜 基因組小，大腸桿菌：總長4.6106bp, 編碼4288個基因, 每個基因約1100bp基因組大，人類基因組全長3

18、109 bp，編碼10萬個基因，其余為重復(fù)序列?；蚍植荚谕蝗旧w上，操縱元控制。DNA與組蛋白結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的變化調(diào)控基因表達；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調(diào)控問題。適應(yīng)外界環(huán)境，操縱元調(diào)控表達。基因差別表達是細胞分化和功能的核心。轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進行，大部分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上均不同，從DNA到蛋白質(zhì)的各層次上都有調(diào)控，但多數(shù)為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。1、處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的基因上游1000bp以內(nèi)往往存在100-200bp對DNase I 的Hypersensitive site；2、處于轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域的核小體和H1 蛋白都較少，有時完全沒有；3、轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)

19、C上的5-甲基化減少；4、真核基因的多數(shù)受正調(diào)控，因為 RNA聚合酶對啟動子的親和力極弱，一般情況下需要復(fù)數(shù)個activator來穩(wěn)定.因核小體的存在使得RNA聚合酶無法識別啟動子，一定需要別的因子的幫助，因此負調(diào)控就顯得多余了。這個調(diào)控機制適合巨大基因組中只有少量基因需要轉(zhuǎn)錄的情況。核小體是天然的repressor4、原核細胞的基因表達一般在幾分鐘內(nèi)就發(fā)生變化，而真核生物的基因表達一般需要數(shù)個小時，最快也要30 min；5、Histone acetylation是真核細胞基因表達的前提；histone deacetylase活性高就意味著長壽(why?)6、為了滿足同一個基因 在不同時期不同

20、組織 中的表達，一個基因 往往有多個啟動子，通過alternative splicing 來調(diào)控。Histone acetyl-transferasehistone deacetylases組蛋白乙?；瘜θ旧|(zhì)結(jié)構(gòu)有重要影響, 與特定位點的基因活化有直接聯(lián)系, 是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的重要方式, 在細胞生長、分化、衰老過程中起重要作用。 組蛋白乙?；磻?yīng)多發(fā)生在核心組蛋白N端堿性氨基酸集中區(qū)的特定Lys 殘基，將乙酰輔酶A 的乙酰基轉(zhuǎn)移到Lys 的-NH3+ ,中和掉一個正電荷，這樣可減弱DNA 與組蛋白的相互作用。 高乙?；M蛋白特異地聚集于活性染色質(zhì)功能區(qū); 低乙酰化組蛋白聚集在無轉(zhuǎn)錄活性的非功能區(qū)。 乙?；饔靡鸬募毎芷阪i定，一些染色質(zhì)功能區(qū)的組蛋白乙?；稍斐缮L抑制。 乙?；烧T導(dǎo)細胞分化，影響胚胎發(fā)育。 在肝細胞核中, HAT 活性與年齡有關(guān)，不同年齡大鼠正常肝細胞和再生肝細胞中HAT 活性隨增齡而下降。Human Progesterone Receptor: A and B Forms From single gene by alternative