1、第六章 基因表達(dá)的調(diào)控 基因表達(dá)調(diào)控（gene expression regulation）是指生物體通過特定蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用來控制基因是否表達(dá)，或調(diào)節(jié)表達(dá)產(chǎn)物的多少以滿足生物體自身需求以及適應(yīng)環(huán)境變化的過程。第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本規(guī)律（一）基因表達(dá)具有時(shí)空特異性時(shí)間特異性(temporal specificity)：某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，又稱階段特異性（stage specificity），空間特異性(special specificity）：在個(gè)體生長全過程，各基因在不同的組織器官中的表達(dá)種類和表達(dá)水平都不同，又稱組織特異性（tissu

2、e specificity）（二）誘導(dǎo)表達(dá)和阻遏表達(dá)是基因表達(dá)調(diào)控的主要方式管家基因（housekeeping gene）：有些基因參與生命的全過程，因此必須在一個(gè)生物體的所有細(xì)胞中持續(xù)的表達(dá)這，這些基因稱為管家基因。管家基因主要維持細(xì)胞基本生存需要：如細(xì)胞基本構(gòu)成蛋白，細(xì)胞基本代謝中的酶，DNA復(fù)制過程中必需的蛋白等。常見的管家基因：微管蛋白基因、糖酵解酶系基因，核糖體蛋白基因，甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）和-肌動(dòng)蛋白（-actin）。組成性基因表達(dá)（constitutive expression）：管家基因的表達(dá)只與啟動(dòng)子和RNA聚合酶有關(guān)，基本上不受環(huán)境因素和其它因素的影響，這樣

3、的表達(dá)方式稱為組成性基因表達(dá)。n 可調(diào)控型表達(dá)：僅在特定細(xì)胞或特定條件下才表達(dá)，編碼具有特殊功能的蛋白產(chǎn)物的這類基因稱為奢侈基因或可調(diào)控基因（regulated genes），如表皮的角蛋白基因、肌肉細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白基因、紅細(xì)胞的血紅蛋白基因等。這類基因的表達(dá)稱為可調(diào)控型表達(dá)（regulated expression）。n 可調(diào)控型表達(dá)分為誘導(dǎo)和阻遏。n 在特定環(huán)境因素刺激下，相應(yīng)的基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加的過程，稱為誘導(dǎo)(induction) ，這類基因稱為可誘導(dǎo)基因(inducible gene) 。n 能夠誘導(dǎo)基因表達(dá)的分子稱為誘導(dǎo)劑。n 在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而

4、使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少的過程稱為阻遏(repression)，這類基因稱為可阻遏基因(repressible gene) 。n 能夠阻遏基因表達(dá)的分子成為阻遏劑。n 乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制即是典型的外環(huán)境因素誘導(dǎo)/阻遏基因表達(dá)的典型例子，也是原核生物轉(zhuǎn)錄水平基因表達(dá)調(diào)控的代表例子。n 乳糖操縱子的組成：n 結(jié)構(gòu)基因lac Z、 lac Y、 lac A，分別編碼-半乳糖苷酶、通透酶、半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶；共用1個(gè)啟動(dòng)子Placn 操縱基因lac O，阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)n 阻遏蛋白基因lac I，具獨(dú)立的啟動(dòng)子等調(diào)控序列，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)n 分解代謝基因激活蛋白CAP結(jié)合位點(diǎn)，位于Plac的上游；CAP蛋白

5、由位于遠(yuǎn)離操縱子的Crp基因編碼乳糖操縱子的調(diào)控方式：阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄介質(zhì)中缺乏乳糖阻遏蛋白與操縱元件（O）結(jié)合誘導(dǎo)表達(dá)：環(huán)境中別位乳糖或IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）濃度增高與阻遏蛋白結(jié)合并誘導(dǎo)其構(gòu)象改變阻遏蛋白不能與操縱元件（O）結(jié)合結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄n 葡萄糖乳糖同時(shí)存在：阻遏調(diào)控 Plac為弱啟動(dòng)子，操縱子開放表達(dá)，但效率不高 有乳糖時(shí)，表達(dá)效率的提高也需要cAMP-CAP二聚體的作用cAMP與CAPn cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)n 當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解釋放能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；n 當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。n 能與cAMP特異結(jié)合的c

6、AMP受體蛋白為CRP（cAMP receptor protein）n CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒有活性的n cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP。（CRP-cAMP activated protein），能與CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合阻遏表達(dá)（三）順式作用元件和反式作用因子的共同調(diào)節(jié)（四）蛋白質(zhì)-DNA、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用是分子基礎(chǔ)1、蛋白質(zhì)-DNA相互作用DNA螺旋的外側(cè)可被蛋白質(zhì)識(shí)別:氫鍵供體受體關(guān)系是識(shí)別的基礎(chǔ)不同堿基對在DNA雙螺旋外部點(diǎn)綴有序列信息對于4種堿基對排列在大溝比較暴露蛋白質(zhì)一般結(jié)合到大溝上反式作用因子含有能夠閱讀DNA序列的結(jié)

7、構(gòu)基序模序2、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用n 真核生物基因調(diào)節(jié)蛋白大多是復(fù)合體n 這些復(fù)合體在合適的DNA序列存在時(shí)組裝起來n 自身不結(jié)合DNA但參與基因調(diào)節(jié)蛋白組裝的蛋白質(zhì)稱為共激活蛋白或共阻遏蛋白（五）基因表達(dá)調(diào)控是多層次的復(fù)雜調(diào)節(jié)第二節(jié) 原核生物基因表達(dá)調(diào)控n 原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)：n 操縱子是主要調(diào)節(jié)機(jī)制n 多順反子mRNAn 轉(zhuǎn)錄與翻譯偶聯(lián)，即邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯n 阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)為主n 轉(zhuǎn)錄起始是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵第三節(jié) 真核生物的基因表達(dá)調(diào)控真核生物基因表達(dá)調(diào)控很復(fù)雜一、真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)直接影響基因轉(zhuǎn)錄高致密度的染色質(zhì)不能轉(zhuǎn)錄，這可以保護(hù)DNA免受損傷，維持基因的穩(wěn)定，抑制基因的表達(dá)。染

8、色質(zhì)的致密程度依賴于：DNA的甲基化，組蛋白的乙酰化，與其它蛋白的相互作用n DNA甲基化（DNA methylation）是真核生物在染色質(zhì)水平控制基因轉(zhuǎn)錄的重要機(jī)制，在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，DNA的CG兩個(gè)核苷酸的胞嘧啶被選擇性地添加甲基，形成5甲基胞嘧啶n DNA甲基化主要發(fā)生在某些基因5端富含CG序列的調(diào)控序列（CpG島）這些序列常位于啟動(dòng)子附近甲基化在基因表達(dá)調(diào)控中的作用n CpG島的高甲基化促進(jìn)染色質(zhì)形成致密結(jié)構(gòu)，抑制基因表達(dá)n DNA甲基化甲基基團(tuán)位點(diǎn)阻礙、甲基化CpG結(jié)合蛋白與其他蛋白共同作用改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA作用抑制基因表達(dá)n DNA去甲基化基因表達(dá)n 甲基化可

9、以使遺傳形成，也可以后天獲得且具有可逆性n 組蛋白乙酰化的作用n 組蛋白乙酰化DNA與組蛋白結(jié)合松散轉(zhuǎn)錄活躍n 去乙酰化DNA與組蛋白結(jié)合緊密轉(zhuǎn)錄抑制表觀遺傳染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的影響可以遺傳給子代細(xì)胞，其機(jī)制是：細(xì)胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置，催化子鏈DNA在相同位置上發(fā)生甲基化。這種現(xiàn)象稱為表觀遺傳，遺傳信息不是蘊(yùn)藏在DNA序列中，而是通過對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響及基因表達(dá)變化而實(shí)現(xiàn)的。表表觀遺傳學(xué)是研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)了可遺傳的變化的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳學(xué)研究意義n 表觀遺傳的現(xiàn)象:DNA甲

10、基化，組蛋白乙酰化，X染色體失活，基因組印記，核仁顯性，RNA編輯等n 表觀遺傳與腫瘤n 表觀遺傳與環(huán)境· 轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的特點(diǎn)n 核小體結(jié)構(gòu)松弛、缺失n 對核酸酶敏感、超敏位點(diǎn)hypersensitive siten 組蛋白乙酰化、H1缺失n RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游和下游超螺旋構(gòu)象不同n CpG島低甲基化n 這些改變便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合和RNA 聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng)二、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控n 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控的真核生物基因表達(dá)調(diào)控最重要的方式，一般通過順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)。n （一）順式作用元件直接影響基因表達(dá)活性n 順式作用元件（cis-actin

11、g element）？。n 真核生物中常見的順式作用元件包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、反應(yīng)元件、poly(A)信號(hào)等。 （二）轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子n 反式作用因子（trans-acting factor）？n 常見的反式作用因子包括RNA聚合酶、基礎(chǔ)(普通)轉(zhuǎn)錄因子、特異轉(zhuǎn)錄因子(轉(zhuǎn)錄激活/阻遏因子)等n 轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor，TF)：指直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的反式作用因子。RNA聚合酶需要轉(zhuǎn)錄因子的作用才能與啟動(dòng)子結(jié)合 n 反式作用因子的DNA結(jié)合功能域具有一些帶共性的模體結(jié)構(gòu)特征，如螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體、鋅指模體、螺旋-環(huán)-螺旋模體、堿性亮氨酸拉鏈模

12、體等。 同源異型結(jié)構(gòu)域（homoedomain）：n 由三段保守的a-螺旋，環(huán)繞一個(gè)疏水核心折疊而成，又稱螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體。 鋅指（zinc finger）：n 典型的鋅指結(jié)構(gòu)由約30個(gè)氨基酸殘基組成，由12個(gè)殘基構(gòu)成的a-螺旋，靠Zn2+與相對的b-折疊結(jié)構(gòu)相連，形成手指結(jié)構(gòu)。 亮氨酸拉鏈（basic leucine zipper）：n 通常以同二聚體或異二聚體的形式存在，兩條多肽鏈的C-末端重復(fù)序列形成左手卷曲螺旋，每間隔7個(gè)殘基出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸，其側(cè)鏈基團(tuán)相互嵌合，故稱之為亮氨酸拉鏈。 螺旋-環(huán)-螺旋模體（helix-loop-helix）：n 通常以二聚體的形式存在，每條多肽鏈由兩段

13、a-螺旋構(gòu)成，其間由一段環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連接。三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)是基因表達(dá)調(diào)控的補(bǔ)充n 原核生物mRNA不需要加工修飾即可作為模板翻譯蛋白質(zhì)，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。n 真核生物mRNA作須經(jīng)復(fù)雜的加工修飾，其主要的加工修飾方式包括加帽、加尾、剪接、編輯等。參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的部分機(jī)制n 1、mRNA修飾（加帽，加尾）調(diào)節(jié) ： n 5´-端帽子和3´-端尾部可以提高mRNA的穩(wěn)定性，防止mRNA被核酸酶迅速降解；n 5´-端帽子也可提高翻譯的效率并有利于mRNA向胞漿中轉(zhuǎn)運(yùn) 2、選擇性剪接使同一基因產(chǎn)生不同形式蛋白質(zhì) 3、轉(zhuǎn)錄后沉默使已轉(zhuǎn)錄基因失活RNA干涉作用（RNA inter

14、ference, RNAi）是正常生物體內(nèi)抑制特定基因表達(dá)的一種現(xiàn)象，通過引起特異性的mRNA模板的降解來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄后沉默。這種現(xiàn)象發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默。n RNAi利用一種特異性的雙鏈RNA（dsRNA）來干涉內(nèi)源性基因的表達(dá)。dsRNA特異性的酶降解小片段RNA（siRNA）RISC識(shí)別并結(jié)合siRNA在siRNA指引下識(shí)別其的同源RNA并降解RNA四、翻譯水平的調(diào)控n 翻譯水平的調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控中決定蛋白質(zhì)合成速度的環(huán)節(jié)。n 1、mRNA非翻譯區(qū)的二級(jí)結(jié)構(gòu)對翻譯的影響n 真核生物：mRNA 5 帽子處如存在穩(wěn)定的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，起始因子就不能有效地與帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合，從而影響到起始效率。n 原核生物：起始密碼子如果存在著較穩(wěn)定的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，翻譯的起始效率會(huì)急劇