第八章基因表達的調控

一些事實基因表達的調控在原核和真核生物各有不同原核生物：能量需要和供給不足的矛盾真核生物：重要的是不同器官、組織和細胞間的分工協(xié)調，相互依賴和信息通連。管家基因（housekeepinggene）屬于一類組成性表達基因（constitutivegeneexpression);在真核生物相對較少?？烧{節(jié)基因（induciblegene）包括誘導表達（inductionexpression)和阻遏表達(repressionexpression)兩種方式。當前1頁，總共40頁。原核生物染色質裸露，并且僅有少量基因需調節(jié)。轉錄調節(jié)比重很大，其次是翻譯水平。真核生物存在更多環(huán)節(jié)：基因活化轉錄轉錄后加工翻譯譯和翻譯后加工其中前兩個是最重要的階段當前2頁，總共40頁。當前3頁，總共40頁。第一節(jié)原核生物基因表達調控一、轉錄調控反式因子（trans-factor）和順式元件（cis-element）啟動子（promoter）和sigma因子阻遏蛋白（repressor）正調控蛋白（positivecontrolprotein)CAP(catabolicgeneactivatorprotein)氮調節(jié)蛋白（NTRC）衰減子（attenuator)嚴謹反應（stringentresponse)當前4頁，總共40頁。當前5頁，總共40頁。一、乳糖操縱子（LacOperon，Monad&Jacob,1961)大腸桿菌的正常培養(yǎng)基無乳糖如將培養(yǎng)基中的葡萄糖用乳糖取代，則細菌生長停止，但在幾分鐘細菌會重新正常生長分析表明，此時細菌中出現(xiàn)了三種和乳糖代謝有關的酶類，包括半乳糖苷酶、滲透酶和轉乙酰基酶，三種酶的量相同，說明乳糖能夠誘導它們的表達培養(yǎng)基中含有葡萄糖時，無此三種酶出現(xiàn)由此，Monad和Jacob提出了基因表達的第一個控制模型當前6頁，總共40頁。三個結構基因是線形排列的（Z,Y,A），在一個共同的基因調控區(qū)的控制之下上游的（ｉ）基因合成阻遏蛋白，結合于調控區(qū)的操縱基因（O,operator)，只有當阻遏蛋白脫離O基因時，結構基因才能被轉錄乳糖是阻遏蛋白的配體，結合后可引起蛋白的購象變化，失去結合操縱基因的能力當前7頁，總共40頁?，F(xiàn)代版的乳糖操縱子－結合DNA序列啟動子核心序列由-10的TATA盒和-35的TTGACA組成CAP結合位點緊靠啟動子上游阻遏蛋白基因在Lac操縱子上游，其結合位點在轉錄起始位置當前8頁，總共40頁。CAP蛋白正調控的乳糖操縱子在乳糖操縱子啟動基因的上游有一個代謝基因活化蛋白（CAP)的結合位點CAP只有在和cAMP結合后才能和其結合位點結合葡萄糖的代謝產物可促使細胞內的cAMP含量降低，無葡萄糖的存在可提高乳糖操縱子的表達效率５０倍左右結合阻遏蛋白和CAP兩者因素，Lac操縱子只有在無葡萄糖和有乳糖的情況下才能充分表達當前9頁，總共40頁。乳糖操縱子中的元件和因子－啟動子啟動子是RNA聚合酶的結合及識別位點，-10的TATATT是聚合酶的結合位點，-35的TTGACA是sigma因子的識別位點，-10和-35之間的序列的特性對啟動子無影響啟動子序列具有方向性啟動子決定轉錄的起始位置-10h和-35的序列在一定范圍內可變，決定聚合酶結合的親和力，從而決定轉錄效率。乳糖操縱子的啟動子是弱啟動子sigma因子有較大的結構差異，這種差異是不同啟動子效率差異的基礎原核生物所有的啟動子具有非常相似的結構當前10頁，總共40頁。乳糖操縱子中的元件和因子－操縱基因操縱基因（operatorgene)位于啟動子下游,一般在基因轉錄起始位置和其結合的蛋白質為阻遏蛋白（repressor)，結合后阻斷基因的轉錄過程，這種阻斷在原核生物是“默認”（default)的方式，阻遏蛋白由其它操縱子調控表達，一般位于被調控的操縱子上游阻遏蛋白上有DNA結合結構域（domine)和因子結合結構域，乳糖作為誘導物（inducer)和其結合，使其不能和操縱基因結合而開放基因表達；在色氨酸操縱子，只有存在色氨酸作為共阻遏物（corepressor)時才能和操縱基因結合，關閉基因表達當前11頁，總共40頁。乳糖操縱子中的元件和因子－正調控因子（positivecontrolprotein)在乳糖操縱子中，啟動子為弱啟動子，只起到開關的作用基因的有效轉錄依靠cAMP-CAP復合物和其結合位點的結合，是一個典型的正調控因子大多數和能量利用的調節(jié)有關的操縱子都有CAP的參與其蛋白質為同形二聚體，C端為alpha－螺旋構像，識別序列為反向重復序列，在DNA結合蛋白中非常多見當前12頁，總共40頁。二、色氨酸操縱子（TrpOperon)共阻遏（corepressor)的代表當前13頁，總共40頁。色氨酸衰減子當前14頁，總共40頁。色氨酸操縱子是典型的阻遏表達衰減子（attenuator)和共阻遏調節(jié)雙重抑制色氨酸合成基因的表達衰減子的調節(jié)的基礎是轉錄和翻譯機器的偶聯(lián)，無蛋白因子參與轉錄過程的自動終止是調節(jié)的位點核糖體在先導肽合成mRNA上的位置決定mRNA能否形成莖環(huán)結構，某種構像的形成可導致轉錄終止當前15頁，總共40頁。二、翻譯水平的調控SD序列（核糖體結合序列）和起始密碼子AUG間的距離序列差異SD序列的二級結構及其其它調節(jié)蛋白結合的影響mRNA的穩(wěn)定性翻譯產物的調控核糖核蛋白體的協(xié)調RF2翻譯的自身調節(jié)當前16頁，總共40頁。第二節(jié)真核生物的基因表達調控特點：龐大的基因組復雜的染色體結構具有核及核膜對特定細胞，只有極少數基因可表達細胞類型繁多當前17頁，總共40頁。當前18頁，總共40頁。當前19頁，總共40頁。調控水平A染色質結構：包裝在染色質內的DNA的物理結構，可影響轉錄調控蛋白和RNA聚合酶對特定基因的結合。B轉錄調控：最重要的調控方式CRNA加工和修飾：加帽、加尾、去除內含子，剪接有組織特異性。DRNA轉運：從核內運送出核。E轉錄本（transcript）的穩(wěn)定性：細菌1-5分鐘，真核生物從幾秒到很長，可維持幾千次轉錄。F翻譯起始：起始密碼子的識別。G轉錄后修飾：糖基化、乙?；?、酯酰基化等。當前20頁，總共40頁。一、DNA水平的調控染色質丟失：極端的例子-Celegans和哺乳類的紅細胞，在異常情況下，如體外培養(yǎng)的細胞，普遍發(fā)生?；驍U增（amplification）：通常發(fā)生在體外培養(yǎng)細胞和腫瘤細胞，體內的基因擴增極少發(fā)生，所以不是正?；蛘{控的范圍?；蛑嘏牛╣enerearrangement）：現(xiàn)僅發(fā)現(xiàn)于免疫球蛋白基因，是分子多樣性的基礎。在基因調控中的意義有限。當前21頁，總共40頁。DNA甲基化在細菌中，甲基化是細菌間“限制”的基礎。在真核生物，甲基化和基因表達有關。高甲基化和基因表達抑制相關。甲基化發(fā)生于胞嘧啶的5`端，稱為5`甲基胞嘧啶，而且甲基化位點一般出現(xiàn)在-CG-，呈5`mCpG3`雙體。甲基化具有組織特異性。管家基因的上游-CG-含量極高，形成CpG島，占有CpG島的60%。當前22頁，總共40頁。親本印記（parentalimprinting）和甲基化有密切關系：指子代中，某些基因只有一個親本的可以表達，和通常的遺傳學原理不同，最近的統(tǒng)計有大約50個這樣的親本印記基因。所有的組織被印記的基因是相同的，對某一基因來說，父本或母本印記是確定的。如Igf2只表達父本，而Igf2受體基因僅表達母本，如雙親本的Igf2表達，則出現(xiàn)Wilms′tumor。親本印記之后甲基化可能不是確定性因素，但印記發(fā)生時，甲基化在兩親本間截然不同。當前23頁，總共40頁。染色質結構的影響常染色質（euchromatin）異染色質（heterochromatin）染色小體（nucleosome）和DNA雙螺旋組成基本結構組蛋白（histone）的構成對DNA的穩(wěn)定性影響巨大，一般轉錄時組蛋白不存在于DNA上DNA酶I高敏位點（DnaseIhypersensitivesite）代表高表達的區(qū)域組蛋白的乙?；ˋcetylation）可解開組蛋白封閉，某些反式因子可激活乙?；斍?4頁，總共40頁。Thisschematicdrawingshowssomeoftheordersofchromatinpackingthoughttogiverisetothehighlycondensedmitoticchromosome.ThefoldingofnakedDNAintonucleosomesisthebestunderstoodlevelofpacking.Thestructurescorrespondingtotheadditionallayersofchromosomepackingaremorespeculative.當前25頁，總共40頁。二、轉錄水平的調控(一）轉錄起始復合物真核生物的RNA聚合酶有三種，mRNA的轉錄由RNA聚合酶II所完成轉錄起使復合物(transcriptioninitiationcomplex)是轉錄調控的主控位點位于轉錄開始位點之前-20-30bp的TATA序列是聚合酶結合的特異位點聚合酶和TATA的拼裝需要多個蛋白因子的輔助,但這些因子僅作為轉錄的基本要素,本身不能對轉錄效率進行調節(jié),被稱為基本轉錄因子或普通轉錄因子(basaltranscriptionfactors,BTF;generalTF,GTF),TATA盒被稱為基本啟動子元件(basalpromoterelement),或最小啟動子元件(minimumpromoterelement)當前26頁，總共40頁。當前27頁，總共40頁。(二)反式作用因子（trans-actingelement）是能和特異性的的DNA調控序列結合的一類蛋白質,其功能是調節(jié)轉錄的效率,在有些文獻中稱為調控性轉錄因子(regulatoryTF,RTF),一般所指的轉錄因子研究即指此類因子基本轉錄起始復合物的促轉錄水平很低,只有有了RTF,才能提高效率這些因子對轉錄的調節(jié)是通過直接或間接的影響GTF來實現(xiàn)的反式因子在細胞中的濃度非常低，種類很多這些反式因子在轉錄起始點的集中,是因為在啟動子的上游有這些因子的結合位點,可以有效的募集反式因子大多因子可和其他因子結合,因而一般有DNA結合（DNAbinding）、轉錄激活（transcriptionactivator）和蛋白質（proteinbinding）結合三個結構域（domain）當前28頁，總共40頁。（三）順式反應元件（cis-actionelement）指mRNA基因上調節(jié)轉錄起始的DNA序列包括啟動子、增強子（enhancer）、沉寂子（silencer）和絕緣子（insulator）啟動子位于轉錄起始點上游不超過200bp的范圍，TATA是基本啟動子元件，另外一些元件可特異性的結合相應的反式因子，可提高轉錄速度，稱調控性啟動子元件（regulatorypromoterelement）增強子和沉寂子距離起始點較遠，并可以在上、下游或內含子中絕緣子位于兩個基因之間，起到對上游和下游基因表達的隔絕作用當前29頁，總共40頁。當前30頁，總共40頁。當前31頁，總共40頁。當前32頁，總共40頁。當前33頁，總共40頁。（四）組合式調控作用（combinatorialregulationoftranscription）每個基因的調控都有多數元件和因子參與，之間大多都是相互協(xié)調，提高基因表達效率同一元件可能由于結合因子的不同或配合不同產生不同的調節(jié)效果反式因子由基因編碼，因此由上一級調控產生，組成一個調控網絡最終的細胞內因子的差異由發(fā)育過程中基因在不同細胞內是否關閉所決定可誘導或阻遏基因的表達，是由胞內信號轉導決定的幾個例子當前34頁，總共40頁。三、轉錄后水平的調控Ineucaryoticcells,theinitialRNAmoleculeproducedbytranscription(theprimarytranscript)containsbothintronandexonsequences.Itstwoendsaremodified,andtheintronsareremovedbyanenzymaticallycatalyzedRNAsplicingreaction.TheresultingmRNAisthentransportedfromthenucleustothecytoplasm,whereitistranslatedintoprotein.（一）加帽和加尾-防止降解當前35頁，總共40頁。（二）mRNA的選擇剪接當前36頁，總共40頁。當前37頁，總共40頁。當前38頁，總共40頁。選擇性剪接（alter