基因表达调控《生物化学》复习提要.docx

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基因表达调控《生物化学》复习提要

基因表达调控

第一节基因表达调控基本概念与原理

一、基因表达的概念

1、基因：

负载特定遗传信息的DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的DNA区域。

2、基因组：

指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。

在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列。

3、基因表达：

基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。

但对于rRNA、tRNA编码基因，表达仅是转录成RNA的过程。

4、基因表达调控：

基因表达是在一定调节机制控制下进行的，生物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环境、维持生长和发育的需要。

人类基因组含3～4万个基因。

在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。

在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特定生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。

但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。

rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

二、基因表达的特异性

无论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。

生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要及适应。

基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。

（一）时间特异性

概念：

指按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。

又称阶段特异性。

在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。

（二）空间特异性

概念：

在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间或顺序出现。

基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，又称细胞特异性或组织特异性。

在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。

三、基因表达的方式

不同的基因对内、外环境信号刺激的反应性不同。

按对刺激的反应性，基因表达的方式或调节类型存在很大差异。

（一）基本表达

管家基因：

某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称之为管家基因。

管家基因较少受环境因素的影响，被视为基本的或组成性基因表达。

只受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。

例如，三羧酸循环是一枢纽性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。

（二）诱导和阻遏

有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境信号变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象。

1、可诱导基因：

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的。

2、诱导：

可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。

3、可阻遏基因：

在特定环境信号刺激下，如果相应的基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏的。

4、阻遏：

可阻遏基因表达产物水平降低的过程。

可诱导或可阻遏基因除受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制调节。

这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。

例：

乳糖操纵子、色氨酸操纵子；这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。

诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。

乳糖操纵子机制是认识诱导和阻遏表达的典型模型。

5、协调表达：

在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即协调调节。

四、基因表达调控的生物学意义

（一）适应环境、维持生长和增殖

生物体赖以生存的外环境是在不断变化的。

所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以使生物体能更好地适应变化着的外环境。

细胞内某种功能的蛋白质分子有或无、多或少等数量变化则是由这些蛋白质分子的编码基因表达与否、表达水平高低等状况决定的。

（二）维持个体发育与分化

在多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大；即使在同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。

第二节基因表达调控的基本原理

一、基因表达调控的多层次和复杂性

目前已有证据表明，基因结构活化、转录起始、转录后加工及转运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点。

转录起始是基因表达的基本控制点。

二、基因转录激活调节基本要素

（一）特异DNA序列

原核生物：

——操纵子调控机制。

操纵子——编码序列+启动序列+操纵序列+其他调节序列

1、启动序列——RNA聚合酶结合并起动转录。

共有序列：

一10区——TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnowbox）；

一35区域——TTGACA

共有序列决定启动序列的转录活性大小。

2、操纵序列：

与启动序列毗邻，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点——介导负性凋节。

3、其他调节序列：

结合激活蛋白——介导正性调节。

真核生物：

调控机制——编码基因两侧的DNA序列——顺式作用元件

顺式作用元件：

是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。

A、B分别代表同一DNA分子中的两段特异DNA序列。

B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因转录起始的准确性及频率。

A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件。

不同基因具有各自特异的顺式作用元件。

共有序列——TATA盒、CCAAT盒等是顺式作用元件的核心序列，是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

顺式作用元件通常是非编码序列。

顺式作用元件并非都位于转录起始点上游（5’端）。

根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉默子等。

（二）调节蛋白

原核生物：

分为三类：

特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。

1、特异因子：

决定RNA聚合酶对启动序列的特异性识别和结合能力。

2、阻遏蛋白：

可结合特异DNA序列——操纵序列，阻遏基因转录——介导负性调节机制。

3、激活蛋白：

可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性——如：

分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）某些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或全然不能结合启动序列。

原核调节蛋白都是一些DNA结合蛋白。

真核生物：

基因调节蛋白又称转录因子（transcriptionfactor）。

1、反式作用因子：

转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录。

2、顺式作用蛋白：

有些基因产物可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，这就是顺式作用。

具有这种调节方式的调节蛋白称之。

大多数反式作用因子是DNA结合蛋白；还有一些真核基因调节蛋白不能直接结合DNA，需通过蛋白质－蛋白质相互作用参与DNA一蛋白质复合物的形成、调节基因转录。

（三）DNA一蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用

1、DNA-蛋白质相互作用：

指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别结合（非共价结合）

2、二聚化：

是指两分子单体通过一定结构域结合成二聚体，它是调节蛋白结合DNA时最常见的形式。

只要具有适当的结构，两个相同或不同的分子均可形成二聚体。

3、有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质－蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录，真核生物很常见。

因为不同的真核细胞中所存在的转录调节因子种类不同，即使有相同的因子但其浓度不同，所以同一基因在不同细胞中的表达状态不同。

（四）RNA聚合酶

DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。

启动序列／启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚合酶活性影响很大。

（1）启动序列／启动子与RNA聚合酶活性：

原核启动序列或真核启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。

对真核RNA聚合酶活性来说，除启动子序列，还与所存在的转录调节因子有关。

（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性：

许多基因与管家基因不同，它们的基因产物浓度随环境信号而变化。

这些基因都有一个由启动序列或启动子决定的基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质。

蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。

诱导剂、阻遏剂等引起的基因表达都是通过使调节蛋白分子构象改变，直接（DNA-蛋白质相互作用）或间接（蛋白质－蛋白质相互作用）调节RNA聚合酶转录起动过程。

原核生物特异因子σ可以改变RNA聚合酶识别启动序列的特异性，这是调节蛋白调节RNA聚合酶活性的实例。

当细菌发生热应激时，全酶中通常的σ70被σ32所取代，这时RNA聚合酶就会改变其对常规启动序列的识别而结合另一套启动序列，起动一套基因表达。

这就是所谓的热休克反应（heatshockresponse）。

第三节原核基因转录调节

一、原核基因转录调节特点

原核特异基因的表达也受多级调控，如转录起始、转录终止、翻译调控以及RNA、蛋白质的稳定性等，但主要发生在转录起始。

概括原核基因转录调节有以下特点。

（－）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性

原核生物细胞仅含有一种RNA聚合酶，在转录起始阶段，σ亚基识别特异启动序列，不同的σ亚基决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。

（二）操纵子模型的普遍性

原核：

几个功能相关的结构基因排列一起—→共同组成一个转录单位——操纵子，转录出一段mRNA—→翻译几种蛋白质。

在同一启动序列控制下，可转录出多顺反子mRNA（polycistronicmRNA）。

原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的

（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

原核操纵子系统，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。

原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。

二、原核生物转录起始调节

（一）操纵子：

（operon）——原核生物的转录单位

概念：

由一组原核生物结构基因加上其上游的启动子（promoter，P）和操纵基因（operator，O）组成。

结构基因+调控区（启动子、操纵基因）——→称之操纵子

（二）启动子：

1、概念：

启动子是结构基因上游的能够结合RNApol的DNA序列。

2、结构特点：

是DNA序列

原核：

1）长约60bp

2）-35区bp序列TTGACA

3）-10区：

TATA盒

3、功能作用

RNApol的结合位点：

启动转录作用。

强启动子（-35区、-10区）——转录能力强，常用于基因工程（人工组合强启动子）。

（三）操纵基因

1、概念：

是位于启动子与结构基因之间，能与阻遏物结合，能抑制转录的DNA序列。

2、结构特点：

1）位于启动子与结构基因之间

2）不存在特殊序列，在不同的操纵子中，操纵基因的bp序列不同，能与不同阻遏物结合。

3、作用：

结合阻遏物，阻止转录进行

阻遏物基因

启动子

操纵基因

结构基因

RNApol阻遏物

1）阻遏物：

能与操纵基因结合，阻止RNApol进行转录的分子。

2）阻遏物基因：

能产生阻遏物的基因，有（i、R）。

位于调控区上游较远的部位，远离结构基因，实际上为另一个操纵子控制。

当有阻遏物————基因关闭

负调控方式

当无阻遏物————基因开放

4、负调控方式：

阻遏物受代谢物的作用

可分为：

1）可诱导（Lac）代谢物可与阻遏物结合，能解除抑制——基因转录开放。

2）可阻遏（Trp）代谢物可与阻遏物结合，能促进抑制——基因转录关闭。

乳糖操纵子调节机制

（一）乳糖操纵子的结构

1、结构：

i基因PO

阻遏基因

CAP

启动子

操纵基因

结构基因

1）结构基因：

分解乳糖的三种酶，使乳糖分解，产生能量。

2）操纵基因

3）启动子

4）CAP

5）i基因：

上游，产生阻遏物。

（二）阻遏蛋白的负性调节：

（分解代谢）——可诱导调控

1、无乳糖存在时，阻遏物可以结合在操纵基因上—→阻止转录过程—→基因关闭

2、有乳糖存在时，乳糖与阻遏物结合—→阻遏物变构—→阻遏物不能结合操纵基因—→转录进行—→基因开放

可诱导调控的操纵子，其基因表达产物都是利用某种营养物的酶体系（分解代谢）

无营养物————相应基因开放

有营养物———细胞就没必要产生相应的酶。

（三）CAP的正性调节

1、调控机理：

i基因

CAP

启动子

操纵基因

结构基因

CAP：

使分解代谢基因活化蛋白结合在启动子上游的CAP位点上。

CAP+cAMP—→复合物—→结合在CAP的结合位点上—→促进RNApol向前移动

促转录

2、调控意义

葡萄糖、乳糖同时存在时，葡萄糖先利用

1）有葡萄糖存在时，cAMP↓—→cAMP+CAP形成复合物↓，不能结合CAP位点上，

—→正调控作用↓—→乳糖操纵子不能表达。

（虽然有乳糖存在，乳糖操纵子不开放基因）

2）无葡萄糖存在时，cAMP↑—→cAMP—CAP形成复合物↑—→正调控作用—→基因表达。

当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此lac操纵子表达下降。

可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。

两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节lac操纵子的表达。

lac操纵子的负性调节能很好地解释：

单纯乳糖存在时细菌是如何利用乳糖作碳源的。

然而，细菌生长环境是复杂的，倘若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖才是最节能的。

这时，葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。

第三节真核基因表达调节

环境信号传导——染色质活化——基因转录激活偶联网络途径是特定条件下（如刺激或应激）某种基因产物表达调控过程的核心途径。

—、真核基因组结构特点

（－）真核基因组结构庞大

哺乳类动物基因组DNA由约3×l09bp（碱基对）的核苷酸组成。

大约有十多万个基因，其余80％～90％的哺乳类基因组可能没有直接的遗传学功能，这是真核基因组与原核截然不同的。

（二）单顺反子

由操纵子机制控制转录生成的mRNA是多顺反子。

真核基因转录产物为单顺反子，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。

（三）重复序列

重复序列及基因重组均与生物进化有关。

某些重复序列发生在调控区，如转录终止区、衰减调控区及某些酶或蛋白因子结合位点，则可能对DNA复制、转录调控具有重要意义。

（四）基因不连续性

真核结构基因两侧存在不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。

在编码基因内部尚有一些不为蛋白质编码的间隔序列，称内含子，而编码序列称外显子，因此真核基因是不连续的。

不同剪接方式可形成不同的mRNA，翻译出不同的多肽链，因此转录后的剪接过程是真核基因表达调控的另一重要环节。

二、真核基因表达调控特点

转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。

但在下述方面与原核存在明显差别。

（－）RNA聚合酶

RNA聚合酶有三种，即RNAPolI、Ⅱ及Ⅲ。

每种RNA聚合酶由大约10个亚基组成，其中有些亚基是相同的，有些为特有的。

例如，TATA盒结合蛋白（TBP）就为三种聚合酶所共有；对PolII催化的mRNA转录来说，转录因子D（TFIID）起核心作用。

（二）活性染色体结构变化

当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。

1、对核酸酶敏感：

活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感，具体出现在调节蛋白结合位点附近。

2、DNA拓扑结构变化：

几乎所有天然状态的双链DNA均以负性超螺旋构象存在。

当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。

3、DNA碱基修饰变化：

处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。

4、组蛋白变化：

其中包括①富含Lys组蛋白水平降低；②H2A·H2B二聚体不稳定性增加；易于从核心组蛋白中被置换出来。

③组蛋白修饰：

修饰后使核小体结构变得不稳定。

④H3组蛋白巯基暴露：

系核小体结构变化引起。

（三）正性调节占主导

较大真核基因组广泛存在正性调节机制，其原因有二：

1、采用正性调节机制更有效：

真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，使DNA-蛋白质相互作用特异性降低。

2、采用负性调节不经济：

在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。

（四）转录与翻译分隔进行

真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构中进行。

（五）转录后修饰、加工

鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。

三、RNApolⅡ转录起始的调节

（一）顺式作用元件

顺式作用元件——DNA序列，分子内相互作用，是DNA与DNA作用。

反式作用因子——蛋白质因子，蛋白质对DNA的作用，是不同分子间作用。

概念：

1、顺式作用元件：

指调控区特有的参与基因调控的DNA序列。

2、反式作用因子：

指能与顺式作用元件结合，影响基因转录调控的蛋白质因子。

顺式作用元件：

真核——以正调控为主；原核——以负调控为主。

按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子。

真核：

以正调控为主，促进启动子增强子——使基因表达；默子——使基因不表达。

1、启动子：

1）概念：

指结构基因上游能结合RNApol的序列。

2）结构特点：

①200bp（原核生物60bp）

②核心启动子：

30区，TATA盒，7-10bp——控制转录起始的准确性及频率。

TATA盒是基本转录因子TFⅡD结合位点；由TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子。

③CAAT盒、GC盒（此两种序列不是必备，可缺1或2或顺序互换）可调节转录频率，提高转录频率。

④上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。

2、增强子：

决定基因的时间、空间特异性表达

1）概念：

指真核细胞中能增强启动子转录作用的远方顺式作用元件。

2）结构特点：

①约200bp；由若干功能组件——增强体组成

②2个串联（重复）序列：

72bp组成，核心：

TGTGGAATTAG

3）作用特点：

①远距离作用：

1-4kb（增强子可在启动子的上、下游或结构基因的内含子中），但必须与相应反式作用因子结合方可发挥增强作用。

②无严格专一性：

一种增强子可增强不同类型的启动子（包括原核生物）

③没有方向性：

从5’→3’或3’→5’插入均不影响作用，启动子虽也增强转录，但无上述三个特点。

从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。

3、沉默子：

1）概念：

指真核细胞中能阻遏启动子转录作用的远方顺式作用元件——负性调节元件。

2）作用特点：

其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

（二）反式作用因子

除少数顺式作用蛋白，大多数转录调节因子以反式作用调节基因转录。

1、转录调节因子（转录因子，TF）分类

按功能特性可将其分为两类：

①基本转录因子——是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA（tRNA、mRNA及rRNA）转录的类别。

视为RNA聚合酶的组成成分或亚基，故称基本转录因子。

对三种RNA聚合酶来说，除个别基本转录因子成分是通用的，如TFIID；而大多数成分是不同RNA聚合酶所特有的。

例如TFIID、TFIIA、TFIIB、TFIIE、TFⅡF及TFIIH为RNA聚合酶Ⅱ催化所有mRNA转录所必需。

②特异转录因子——为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。

特异因子有的起转录激活作用，有的起转录抑制作用。

前者称转录激活因子，后者称转录抑制因子。

转录激活因子通常是一些增强子结合蛋白；多数转录抑制因子是沉默子结合蛋白，因为在不同的组织或细胞中各种特异转录因子分布不同，所以基因表达状态、方式不同。

1、转录调节因子结构：

三个功能域：

（二级结构单位较集中区域）

2、DNA结合域：

（DNA识别结合域）——主要、其中某些区域的结构形式能结合DNA。

3、转录激活域：

4、结合其它蛋白质的结合域：

最常见的是二聚化结构域

①DNA结合域：

60-100氨基酸；最常见的DNA结合域结构形式——锌指结构（由30个氨基酸残基组成，其中有2个Cys和2个His，4个氨基酸残基分别位于正四面体的顶角，与四面体中心的锌离子配价结合，稳定锌指结构。

在Cys和His之间有12个氨基酸残基，其中数个为保守的碱性残基；）

类似的碱性DNA结合域还见于碱性亮氨酸拉链、碱性螺旋—环－螺旋结构的碱性氨基酸伸展。

②转录激活域——由30～100个氨基酸残基组成。

③二聚化结构域——二聚化作用与亮氨酸拉链、bHLH的螺旋-环-螺旋结构有关。

上面介绍的各种功能结构形式都是最典型、最常见的，此外尚有一些独特的结构形式。

（三）mRNA转录激活及其调节

如：

转录因子TF-2配合RNApolⅡ，转录mRNA。

TF-Ⅱ：

分ⅡA、ⅡB、ⅡD、ⅡE、ⅡF、ⅡI——协助RNApol结合启动子。

ⅡDⅡAⅡBpolⅡⅡFⅡE

TATA盒---—→-—-----→-—---→-—---→----—--→---------—→PIC

识别稳定结合促进结合解旋、解链ATP酶提供能量

（TF-Ⅱ——相当于原核，σ因子）

真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子TFIID组成成分TBP识别TATA盒或启动元件，并有TAF参与结合，形成TFIID启动子复合物；TFIID是唯一具有位点特异的DNA结合能力的因子，在上述有序的组装过程起关键性指导作用。

TBP相关因子也是细胞特异的，与转录激活因子共同决定组织特异性转录。

真核基因转录激活调节是复杂的、多样的。

不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。

在结合DNA前，特异转录因子常需通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体复合物。

所形成的二聚体结合DNA的能力也不同，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。

这样，基因调节元件不同，存在于细胞内的因子种类、性质及浓度不同，所发生的DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用类型不同，产生协同、竞争或拮抗，调节基因的转录激活方式。