第十七章基因表達調控

RegulationofGeneExpression主要內容一、基因表達調控的特點二、原核基因表達調控三、真核基因表達調控第一節(jié)基因表達調控的特點一、基因表達

基因表達（geneexpression）就是轉錄及翻譯的過程，即生成具有生物學功能的產物的過程。

產物：蛋白質、rRNA、tRNA、其他小分子RNA并非所有基因表達過程都產生蛋白質按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。如甲胎蛋白AFP的表達。在胎兒肝細胞活躍表達，成年肝細胞表達水平低，肝癌細胞表達水平高，可作為肝癌診斷重要指標。（一）基因表達具有時間特異性

血紅蛋白基因的表達α鏈（16號染色體）β鏈（11號染色體）珠蛋白基因的順序表達GA1

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21二、基因表達具有空間特異性在個體生長全過程，各種基因表達產物在個體按不同組織或細胞空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。

基因表達伴隨時間或階段順序所表現出的這種空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布所決定的，因此基因表達的空間特異性又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。如：組成機體的結構蛋白；三羧酸循環(huán)中的代謝酶等基因的表達。管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個生長階段的大多數、或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。這類基因表達被視為基本（或組成性）基因表達(constitutivegeneexpression)。（二）基因的適應性表達誘導和阻遏

在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這些基因是可誘導基因(induciblegene)；可誘導基因表達產物水平增加的過程，稱為誘導(induction)。

如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)；可阻遏基因表達產物水平降低的過程，稱為阻遏(repression)。協同性表達

在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調性表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協調調節(jié)(coordinateregulation)。第二節(jié)原核基因表達調控一、轉錄水平的調控-----操縱子學說操縱子的概念及結構

除個別基因外，原核生物絕大多數基因按功能相關性成簇地串聯、密集于染色體上，共同組成的一個轉錄單位，稱為操縱子。（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性在轉錄起始階段，σ因子識別特異啟動序列；不同的σ因子決定特異基因的轉錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉錄。乳糖操縱子的結構CAP：分解物基因激活蛋白

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAI基因（二）乳糖操縱子結構

編碼序列

啟動子

操縱元件其他調節(jié)元件(promoter)(operator)調節(jié)基因調節(jié)蛋白操縱子的結構操縱子基本序列特殊序列啟動子編碼序列（結構基因）終止子操縱元件其他調控元件（如CAP位點、衰減子，等等）乳糖操縱子調控機制1.阻遏蛋白的負性調節(jié)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因無葡萄糖，cAMP濃度高，CAP被cAMP激活可結合CAP位點乳糖操縱子調控機制2.CAP的正性調節(jié)++++轉錄ZYAOPDNACAPCAP有葡萄糖，cAMP濃度低，CAP未被激活，不能結合CAP位點CAPCAP激活RNA聚合酶示意圖

沒有CAP結合CAP位點，RNA聚合酶僅具有低轉錄起始活性；但CAP結合CAP后，能顯著提高RNA聚合酶的轉錄起始活性。乳糖操縱子調控機制3.協調調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發(fā)揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。乳糖操縱子調控表達的結果單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖作碳源，是最節(jié)省能量的。

葡萄糖對乳糖操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏（catabolicrepression）。

lac操縱子強的誘導作用：既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。色氨酸操縱子攜帶了細菌合成所需的關鍵酶基因。

通常情況下這個基因是開放表達的，有利于細菌在環(huán)境缺乏色氨酸的環(huán)境下色氨酸的合成。

但如果環(huán)境有豐富色氨酸時，這個基因關閉不表達。故該基因屬于負性調控基因。色氨酸操縱子如何實現其負性調控？（三）色氨酸操縱子3.衰減子的作用UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

14aa前導肽編碼區(qū)包含序列1:第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……3.衰減子的作用高色氨酸濃度時形成衰減子，轉錄提前終止。低色氨酸濃度時衰減子不能形成，轉錄繼續(xù)進行。色氨酸操縱子調控機制（總結）1.有色氨酸存在時，阻遏蛋白激活，關閉基因表達2.阻遏蛋白關閉基因失敗，可形成衰減子結構，關閉基因二、轉錄后水平的調控（一）mRNA穩(wěn)定性加工過程包括加帽、加尾、剪接、堿基修飾和編輯等。mRNA平均壽命不同（二）SD序列

多順反子中通常存在多個SD序列，不同SD序列，翻譯起始效率不一樣（三）反義RNA（micRNA）的調節(jié)

反義RNA是指與mRNA互補的RNA分子,也包括與其它RNA互補的RNA分子。由于核糖體不能翻譯雙鏈的RNA，所以反義RNA與mRNA特異性的互補結合,即抑制了該mRNA的翻譯。通過反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達調控的一種方式。通過反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達調控的一種方式。反義核酸作用機理示意圖主要內容一、基因表達與基因表達調控的概念二、原核基因表達調控三、真核基因表達調控第三節(jié)真核基因表達調控一、真核基因表達調控特點①真核基因組比原核基因組大得多②真核哺乳動物基因組中的編碼序列一般不超過10%，存在大量的重復序列③真核生物的基因是斷裂基因④真核生物mRNA是單順反子⑤染色質結構影響基因表達活性⑥含線粒體DNA，核內基因與線粒體基因的表達調控既相互獨立而又需要相互協調真核生物基因表達的多層次復雜調控（一）染色體結構對轉錄激活的調控1.轉錄活化的染色質對核酸酶極為敏感2.轉錄活化時染色質的組蛋白發(fā)生改變結構基因含有很多CpG結構,胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化,?；蚪M中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地組成CpG島,位于結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始點。CpG島（CpGisland)：甲基化胞嘧啶在基因組中并不是均勻分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整個基因組中，人們將這些GC含量可達60%，長度為300-3000bp的區(qū)段稱為CpG島。（二）DNA甲基化

啟動子CpG序列中的胞嘧啶的甲基化，可以阻止某些基因的轉錄；而已甲基化的CpG脫甲基后，基因又可以被激活。有兩類DNA甲基化酶:1.構建性甲基化酶，負責無甲基化CpG位點DNA雙鏈上進行甲基化和發(fā)育需要的重新DNA甲基化，同時還參與異常甲基化的形成；2.維持性甲基化酶:

主要參與復制后的半甲基化，即DNA分子中未甲基化的一條子鏈甲基化，以保持子鏈與親鏈有完全相同的甲基化形式哺乳動物一生中DNA甲基化水平經歷了2次顯著變化:①在受精卵最初幾次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上幾乎所有從親代遺傳來的甲基化標志；②在胚胎植入子宮時，構建性甲基化酶使DNA重新建立一個新的甲基化模式。細胞內新的甲基化模式一旦建成，即可通過甲基化以“甲基化維持”的形式將新的DNA甲基化傳遞給所有子細胞DNA分子。（三）基因擴增與重排三、轉錄水平的調控（一）順式作用元件

順式作用元件是指可影響自身基因表達活性的DNA序列，在轉錄起始調控中起重要作用。

如啟動子、終止子、沉默子、調節(jié)元件等等。順式作用：順式作用元件調控同一染色體上其他鄰近基因的表達。順式作用元件RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉錄起始點mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉錄起始點mRNA真核生物基因中的一些調控序列（1）啟動子（2）增強子（3）沉默子（4）終止子（5）絕緣子等等

（1）啟動子：可與RNA聚合酶特異性結合而使轉錄開始的一段DNA序列。但啟動子本身并不被轉錄,屬于基因上游對轉錄起調控作用的5′

端非編碼區(qū)。真核生物基因中的一些調控序列（2）增強子（enhancer）

是一段能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列。增強子作用特點增強效應十分明顯，能使轉錄效率提高10-200倍增強效應與增強子的位置和取向無關增強子有組織和細胞特異性，但沒有基因專一性增強子的作用還可能受到其他外部信號的調控RNA聚合酶與啟動子、增強子的作用（2）終止子：在轉錄過程中，提供轉錄終止信號的DNA序列。

注意：終止子和啟動子不同，啟動子由DNA序列來提供信號，但真正起終止作用的不是DNA序列本身，而是轉錄生成的RNA。注意：終止子和啟動子不同，啟動子由DNA序列來提供信號，但轉錄終止真正起作用的不是DNA序列本身，而是轉錄生成的RNA。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG轉錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA······3mRNA轉錄終止和轉錄后修飾密切相關

DNA讀碼框架下游的一組AATAAA和GT共同序列,參與轉錄終止過程。真核生物基因中的一些調控序列（4）沉默子（silencer）

是一段能使和它連鎖的基因轉錄頻率明顯下降的DNA序列。（5）絕緣子（Insulator）

能夠阻止鄰近的增強子或沉默子對其界定的基因的啟動子發(fā)揮調控作用的一段DNA序列。（二）反式作用因子

轉錄因子：指能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。

大多數真核轉錄調節(jié)因子由某一基因表達后，可通過另一基因的特異的順式作用元件相互作用，從而激活另一基因的轉錄。這種調節(jié)蛋白稱反式作用因子。轉錄因子的分類通用轉錄因子是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉錄的類別。特異轉錄因子為個別基因轉錄所必需，決定該基因表達的時間、空間特異性。又分為：轉錄激活因子轉錄抑制因子（三）轉錄因子的結構

轉錄因子常含有三類結構域，即DNA結合域、轉錄激活域、蛋白質-蛋白質結合域。轉錄因子（TF）的結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域亮氨酸拉鏈鋅指結構螺旋-轉角-螺旋螺旋-環(huán)-螺旋（螺旋-轉角-螺旋）C——CysH——His鋅指(zincfinger)結構及其功能

鋅指結構常結合GC盒鋅指(zincfinger)結構及其功能

鋅指結構常結合GC盒常結合CAAT盒堿性螺旋-環(huán)-螺旋堿性亮氨酸拉鏈

亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper）富含谷氨酰胺激活域（四）RNA聚合酶順式作用元件和反式作用因子對基因轉錄活性的調節(jié)最終是由RNA聚合酶活性來體現。RNAPolI的轉錄產物只有rRNA前體，經剪接修飾生成除5SrRNA外的各種rRNA。RNAPolIII的轉錄產物：多種小分子RNA，包括tRNA、5SrRNA和一部分小核RNA。RNA聚合酶II轉錄產物為hnRNA和snRNA（五）轉錄激活與調節(jié)順式作用元件與反式作用因子、反式作用因子與反式作用因子間的相互識別、相互