第十八章基因表達調控RegulationofGeneExpression第一節

基因表達與基因表達調控的基本概念與特點BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation一、基因表達是基因轉錄和翻譯的過程是基因轉錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現為表型的過程，包括基因轉錄成互補的RNA序列，對于蛋白質編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質產物。基因表達(geneexpression)基因表達是受調控的。二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性是指基因表達按一定的時間順序發生按功能需要，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)。（二）空間特異性是指多細胞生物個體在特定生長發育階段，同一基因在不同的組織器官表達不同在個體生長、發育過程中，一種基因產物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現，這就是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)。三、基因表達的方式存在多樣性基因表達調控（regulationofgeneexpression）就是指細胞或生物體在接受內外環境信號刺激時或適應環境變化的過程中在基因表達水平上做出應答的分子機制，即位于基因組內的基因如何被表達成為有功能的蛋白質（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等。

按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達，不易受環境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達水平受環境因素影響較小，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)。基本的基因表達水平并非絕對“一成不變”，所謂“不變”是相對的。（二）有些基因的表達受到環境變化的誘導和阻遏在特定環境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，即這種基因表達是可誘導的。可誘導基因(induciblegene)在一定的環境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。

如果基因對環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)。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，即為協同表達(coordinateexpression)，這種調節稱為協同調節(coordinateregulation)。（三）生物體內不同基因的表達受到協調調節四、基因表達調控受順式作用元件和反式作用因子共同調節一般說來，調節序列與被調控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。調節序列遠離被調控的編碼序列，實際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達產物來發揮作用，這些蛋白質分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。五、基因表達調控呈現多層次和復雜性首先，遺傳信息以基因的形式貯存于DNA中。其次，遺傳信息經轉錄由DNA傳向RNA過程中的許多環節。(最重要、最復雜)最后，蛋白質生物合成即翻譯與翻譯后加工。六、基因表達調控為生物體生長、發育的基礎（一）生物體調節基因表達以適應環境、維持生長和增殖生物體所處的內、外環境是在不斷變化的。通過一定的程序調控基因的表達，可使生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好地適應環境，維持其生長和增殖。（二）生物體調節基因表達以維持細胞分化與個體發育在多細胞個體生長、發育的不同階段，或同一生長發育階段，不同組織器官內蛋白質分子分布、種類和含量存在很大差異，這些差異是調節細胞表型的關鍵。第二節

原核基因表達調控RegulationofGeneExpressioninProkaryote原核生物基因組結構特點①基因組中很少有重復序列；②編碼蛋白質的結構基因為連續編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；③結構基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠遠大于真核基因組；④許多結構基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物大多數基因表達調控是通過操縱子機制實現一、操縱子是原核基因轉錄調控的基本單位

蛋白質因子特異DNA序列編碼序列

啟動子

操縱元件

其他調節基因(promoter)(operator)操縱子結構基因：功能上有關聯的數個基因串聯排列調控序列啟動子操縱元件調節基因是RNA聚合酶和各種調控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區域內，在轉錄起始點上游-10區域存在TATAAT，-35區域存在TTGACA的相似序列，稱為共有序列。共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。

1、啟動子不同啟動子因序列差異而與RNA聚合酶的親和力不同，啟動轉錄的頻率有高有低，即起動基因轉錄的強弱不同。2、操縱元件能被特異的阻遏蛋白識別和結合的DNA序列；操縱序列與啟動序列毗鄰或接近，其DNA序列常與啟動子交錯、重疊；當操縱序列與阻遏蛋白結合，介導負性調節；許多操縱子都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質的結合相關。3、結合激活蛋白的特異DNA序列

與激活蛋白結合后，使RNA酶活性增強，轉錄激活，介導正性調節。編碼能夠與操縱序列結合的調控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。4、調節基因（regulatorygene）②阻遏蛋白可以識別、結合操縱序列，抑制基因轉錄，介導負調節（negativeregulation）;③激活蛋白可結合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結合能力，增強RNA聚合酶的轉錄活性，介導正調控（positiveregulation）。①特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力；Jacob和Monod等人對E.coli利用乳糖的適應現象進行研究，1961年提出乳糖操縱子(lacoperon)學說二、乳糖操縱子是典型的誘導型調控Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶

結構基因CAP結合位點CAP:分解（代謝）物基因激活蛋白（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調節mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調節加入誘導物使lacmRNA迅速產生，酶的合成則有一個短暫的延遲，除去誘導物則立刻使合成停止異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)是很強的非代謝性誘導劑當環境中無葡萄糖時，細胞內cAMP含量升高。當環境中有葡萄糖時，細胞內cAMP含量降低。2.CAP的正性調節cAMP可與細菌中的受體蛋白CRP（cAMPReceptorProtein，CRP；也稱為降解物基因活化蛋白，Catabolitegeneactivatorprotein,CAP）特異結合，使CRP構象改變而活化。被cAMP活化的CRP能與1ac操縱子的啟動子上游CRP位點特異結合。有利于形成轉錄起始復合物，并增強了RNA聚合酶的活性，使lacoperon表達。3.協同調節當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用。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。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，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導劑對lac操縱子的調節葡萄糖與半乳糖之間的關系第三節

真核基因表達調控RegulationofGeneExpressioninEukaryote①真核基因組比原核基因組大得多DNA約3×109bp基因約有2-2.5萬個基因一、真核細胞基因表達的特點②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復序列功能至今還不清楚，可能參與調控③真核生物編碼蛋白質的基因是不連續的，轉錄后需要剪接去除內含子，這就增加了基因表達調控的層次CABD編碼區A、B、C、D非編碼區非編碼序列編碼序列PPPmG-53蛋白質④真核生物的一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協調表達⑤真核生物DNA在細胞核內與多種蛋白質結合構成染色質，這種復雜的結構直接影響著基因表達；原核生物真核生物⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內基因與線粒體基因的表達調控既相互獨立而又需要協調。

圖18-5真核生物基因表達的多層次復雜調控二、染色質結構與真核基因表達密切相關（一）.對核酸酶敏感當染色質活化后，常出現一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點位于調節蛋白結合位點附近。（二）轉錄活化染色質的組蛋白發生改變組蛋白結構及其化學修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化裝配H4Lys-12乙酰化裝配H4Lys-16乙酰化核小體裝配H4Lys-16乙酰化FlyX激活組蛋白修飾對染色質結構與功能的影響組蛋白乙酰化模式圖組蛋白修飾對于基因表達影響的機制也包括兩種相互包容的理論。即：組蛋白的修飾直接影響染色質或核小體的結構，以及化學修飾征集了其他調控基因轉錄的蛋白質，為其他功能分子與組蛋白結合搭建了一個平臺。這些理論構成了“組蛋白密碼”的假說。（三）

CpG島甲基化水平降低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的區段DNA甲基化模式圖處于轉錄活躍狀態的染色質中，CpG島的甲基化程度下降；CpG島的高甲基化促進染色質形成致密結構，不利于基因表達表觀遺傳（epigeneticinheritance)

：染色質結構對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉移酶，可以在DNA復制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發生甲基化與原核基因表達調節一樣，某些小分子RNA也可調節真核基因表達。這些RNA都是非編碼RNA（noncodingRNA,ncRNA）。如：具有催化活性的RNA（核酶）、細胞核小分子RNA（snRNA）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人們廣泛關注的非編碼RNA有miRNA和siRNA。三一些非編碼小分子RNA可引起轉錄后基因沉默是一大家族小分子非編碼單鏈RNA，長度約20~25個堿基，由一段具有發夾環結構的前體(pre-miRNA)加工后形成。

1．微小RNA(microRNA,miRNA)miRNAProcessingPathway.（1）miRNAsareexpressedinthenucleusaspartsoflongPrimarymiRNAtranscripts(Pri-miRNA)thathave5’capsand3’poly(A)tails.(2)ThehairpinstructurethatlikelyformsaroundthemiRNAsequenceofthepri-miRNAactsasasignalfordigestionbyadouble-stranded(ds)ribonuclease(Drosha)toproducetheprecursormiRNA(Pre-miRNA).(3)Exportin-5mediatesnuclearexportofpre-miRNAs.(4)AcytoplasmicdsRNAnuclease(Dicer)cleavesthepre-miRNAleaving1–4nt3'overhangs.Thesingle-strandedmaturemiRNAassociateswithacomplexthatissimilar,ifnotidentical,totheRNAInducedSilencingComplex(RISC).(5)ThemiRNA/RISCcomplexrepressesproteintranslationbybindingtosequencesinthe3'untranslatedregionofspecificmRNAs.其長度一般為20~25個堿基；在不同生物體中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明顯的表達階段特異性和組織特異性；miRNA基因以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中，大多位于基因間隔區。miRNA的特點：是細胞內一類雙鏈RNA(double-strandedRNA，dsRNA)在特定情況下通過一定酶切機制，轉變為具有特定長度(21－23個堿基)和特定序列的小片段RNA。雙鏈siRNA參與RISC組成，與特異的靶mRNA完全互補結合，導致靶mRNA降解，阻斷翻譯過程。2．小干擾RNA(smallinterfering