第八章基因表達(dá)的調(diào)控

一些事實基因表達(dá)的調(diào)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(xì)胞間的分工協(xié)調(diào)，相互依賴和信息通連。管家基因（housekeepinggene）屬于一類組成性表達(dá)基因（constitutivegeneexpression);在真核生物相對較少?？烧{(diào)節(jié)基因（induciblegene）包括誘導(dǎo)表達(dá)（inductionexpression)和阻遏表達(dá)(repressionexpression)兩種方式。當(dāng)前第1頁\共有40頁\編于星期五\9點原核生物染色質(zhì)裸露，并且僅有少量基因需調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)錄調(diào)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(dāng)前第2頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第3頁\共有40頁\編于星期五\9點第一節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控一、轉(zhuǎn)錄調(diào)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(diào)控蛋白（positivecontrolprotein)CAP(catabolicgeneactivatorprotein)氮調(diào)節(jié)蛋白（NTRC）衰減子（attenuator)嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)（stringentresponse)當(dāng)前第4頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第5頁\共有40頁\編于星期五\9點一、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(xì)菌生長停止，但在幾分鐘細(xì)菌會重新正常生長分析表明，此時細(xì)菌中出現(xiàn)了三種和乳糖代謝有關(guān)的酶類，包括半乳糖苷酶、滲透酶和轉(zhuǎn)乙酰基酶，三種酶的量相同，說明乳糖能夠誘導(dǎo)它們的表達(dá)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(dá)的第一個控制模型當(dāng)前第6頁\共有40頁\編于星期五\9點三個結(jié)構(gòu)基因是線形排列的（Z,Y,A），在一個共同的基因調(diào)控區(qū)的控制之下上游的（ｉ）基因合成阻遏蛋白，結(jié)合于調(diào)控區(qū)的操縱基因（O,operator)，只有當(dāng)阻遏蛋白脫離O基因時，結(jié)構(gòu)基因才能被轉(zhuǎn)錄乳糖是阻遏蛋白的配體，結(jié)合后可引起蛋白的購象變化，失去結(jié)合操縱基因的能力當(dāng)前第7頁\共有40頁\編于星期五\9點現(xiàn)代版的乳糖操縱子－結(jié)合DNA序列啟動子核心序列由-10的TATA盒和-35的TTGACA組成CAP結(jié)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(jié)合位點在轉(zhuǎn)錄起始位置當(dāng)前第8頁\共有40頁\編于星期五\9點CAP蛋白正調(diào)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(jié)合位點CAP只有在和cAMP結(jié)合后才能和其結(jié)合位點結(jié)合葡萄糖的代謝產(chǎn)物可促使細(xì)胞內(nèi)的cAMP含量降低，無葡萄糖的存在可提高乳糖操縱子的表達(dá)效率５０倍左右結(jié)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(dá)當(dāng)前第9頁\共有40頁\編于星期五\9點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(jié)合及識別位點，-10的TATATT是聚合酶的結(jié)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(zhuǎn)錄的起始位置-10h和-35的序列在一定范圍內(nèi)可變，決定聚合酶結(jié)合的親和力，從而決定轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)差異，這種差異是不同啟動子效率差異的基礎(chǔ)原核生物所有的啟動子具有非常相似的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第10頁\共有40頁\編于星期五\9點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(zhuǎn)錄起始位置和其結(jié)合的蛋白質(zhì)為阻遏蛋白（repressor)，結(jié)合后阻斷基因的轉(zhuǎn)錄過程，這種阻斷在原核生物是“默認(rèn)”（default)的方式，阻遏蛋白由其它操縱子調(diào)控表達(dá)，一般位于被調(diào)控的操縱子上游阻遏蛋白上有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（domine)和因子結(jié)合結(jié)構(gòu)域，乳糖作為誘導(dǎo)物（inducer)和其結(jié)合，使其不能和操縱基因結(jié)合而開放基因表達(dá)；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(jié)合，關(guān)閉基因表達(dá)當(dāng)前第11頁\共有40頁\編于星期五\9點乳糖操縱子中的元件和因子－正調(diào)控因子（positivecontrolprotein)在乳糖操縱子中，啟動子為弱啟動子，只起到開關(guān)的作用基因的有效轉(zhuǎn)錄依靠cAMP-CAP復(fù)合物和其結(jié)合位點的結(jié)合，是一個典型的正調(diào)控因子大多數(shù)和能量利用的調(diào)節(jié)有關(guān)的操縱子都有CAP的參與其蛋白質(zhì)為同形二聚體，C端為alpha－螺旋構(gòu)像，識別序列為反向重復(fù)序列，在DNA結(jié)合蛋白中非常多見當(dāng)前第12頁\共有40頁\編于星期五\9點二、色氨酸操縱子（TrpOperon)共阻遏（corepressor)的代表當(dāng)前第13頁\共有40頁\編于星期五\9點色氨酸衰減子當(dāng)前第14頁\共有40頁\編于星期五\9點色氨酸操縱子是典型的阻遏表達(dá)衰減子（attenuator)和共阻遏調(diào)節(jié)雙重抑制色氨酸合成基因的表達(dá)衰減子的調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是轉(zhuǎn)錄和翻譯機(jī)器的偶聯(lián)，無蛋白因子參與轉(zhuǎn)錄過程的自動終止是調(diào)節(jié)的位點核糖體在先導(dǎo)肽合成mRNA上的位置決定mRNA能否形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，某種構(gòu)像的形成可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止當(dāng)前第15頁\共有40頁\編于星期五\9點二、翻譯水平的調(diào)控SD序列（核糖體結(jié)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(jié)構(gòu)及其其它調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的影響mRNA的穩(wěn)定性翻譯產(chǎn)物的調(diào)控核糖核蛋白體的協(xié)調(diào)RF2翻譯的自身調(diào)節(jié)當(dāng)前第16頁\共有40頁\編于星期五\9點第二節(jié)真核生物的基因表達(dá)調(diào)控特點：龐大的基因組復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)具有核及核膜對特定細(xì)胞，只有極少數(shù)基因可表達(dá)細(xì)胞類型繁多當(dāng)前第17頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第18頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第19頁\共有40頁\編于星期五\9點調(diào)控水平A染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：包裝在染色質(zhì)內(nèi)的DNA的物理結(jié)構(gòu)，可影響轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白和RNA聚合酶對特定基因的結(jié)合。B轉(zhuǎn)錄調(diào)控：最重要的調(diào)控方式CRNA加工和修飾：加帽、加尾、去除內(nèi)含子，剪接有組織特異性。DRNA轉(zhuǎn)運：從核內(nèi)運送出核。E轉(zhuǎn)錄本（transcript）的穩(wěn)定性：細(xì)菌1-5分鐘，真核生物從幾秒到很長，可維持幾千次轉(zhuǎn)錄。F翻譯起始：起始密碼子的識別。G轉(zhuǎn)錄后修飾：糖基化、乙?；?、酯?；?。當(dāng)前第20頁\共有40頁\編于星期五\9點一、DNA水平的調(diào)控染色質(zhì)丟失：極端的例子-Celegans和哺乳類的紅細(xì)胞，在異常情況下，如體外培養(yǎng)的細(xì)胞，普遍發(fā)生?；驍U(kuò)增（amplification）：通常發(fā)生在體外培養(yǎng)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞，體內(nèi)的基因擴(kuò)增極少發(fā)生，所以不是正?；蛘{(diào)控的范圍。基因重排（generearrangement）：現(xiàn)僅發(fā)現(xiàn)于免疫球蛋白基因，是分子多樣性的基礎(chǔ)。在基因調(diào)控中的意義有限。當(dāng)前第21頁\共有40頁\編于星期五\9點DNA甲基化在細(xì)菌中，甲基化是細(xì)菌間“限制”的基礎(chǔ)。在真核生物，甲基化和基因表達(dá)有關(guān)。高甲基化和基因表達(dá)抑制相關(guān)。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(dāng)前第22頁\共有40頁\編于星期五\9點親本印記（parentalimprinting）和甲基化有密切關(guān)系：指子代中，某些基因只有一個親本的可以表達(dá)，和通常的遺傳學(xué)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(dá)父本，而Igf2受體基因僅表達(dá)母本，如雙親本的Igf2表達(dá)，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(dāng)前第23頁\共有40頁\編于星期五\9點染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響常染色質(zhì)（euchromatin）異染色質(zhì)（heterochromatin）染色小體（nucleosome）和DNA雙螺旋組成基本結(jié)構(gòu)組蛋白（histone）的構(gòu)成對DNA的穩(wěn)定性影響巨大，一般轉(zhuǎn)錄時組蛋白不存在于DNA上DNA酶I高敏位點（DnaseIhypersensitivesite）代表高表達(dá)的區(qū)域組蛋白的乙酰化（Acetylation）可解開組蛋白封閉，某些反式因子可激活乙?；?dāng)前第24頁\共有40頁\編于星期五\9點Thisschematicdrawingshowssomeoftheordersofchromatinpackingthoughttogiverisetothehighlycondensedmitoticchromosome.ThefoldingofnakedDNAintonucleosomesisthebestunderstoodlevelofpacking.Thestructurescorrespondingtotheadditionallayersofchromosomepackingaremorespeculative.當(dāng)前第25頁\共有40頁\編于星期五\9點二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(一）轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物真核生物的RNA聚合酶有三種，mRNA的轉(zhuǎn)錄由RNA聚合酶II所完成轉(zhuǎn)錄起使復(fù)合物(transcriptioninitiationcomplex)是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主控位點位于轉(zhuǎn)錄開始位點之前-20-30bp的TATA序列是聚合酶結(jié)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(zhuǎn)錄的基本要素,本身不能對轉(zhuǎn)錄效率進(jìn)行調(diào)節(jié),被稱為基本轉(zhuǎn)錄因子或普通轉(zhuǎn)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(dāng)前第26頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第27頁\共有40頁\編于星期五\9點(二)反式作用因子（trans-actingelement）是能和特異性的的DNA調(diào)控序列結(jié)合的一類蛋白質(zhì),其功能是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的效率,在有些文獻(xiàn)中稱為調(diào)控性轉(zhuǎn)錄因子(regulatoryTF,RTF),一般所指的轉(zhuǎn)錄因子研究即指此類因子基本轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的促轉(zhuǎn)錄水平很低,只有有了RTF,才能提高效率這些因子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)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(xì)胞中的濃度非常低，種類很多這些反式因子在轉(zhuǎn)錄起始點的集中,是因為在啟動子的上游有這些因子的結(jié)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(jié)合,因而一般有DNA結(jié)合（DNAbinding）、轉(zhuǎn)錄激活（transcriptionactivator）和蛋白質(zhì)（proteinbinding）結(jié)合三個結(jié)構(gòu)域（domain）當(dāng)前第28頁\共有40頁\編于星期五\9點（三）順式反應(yīng)元件（cis-actionelement）指mRNA基因上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始的DNA序列包括啟動子、增強(qiáng)子（enhancer）、沉寂子（silencer）和絕緣子（insulator）啟動子位于轉(zhuǎn)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(jié)合相應(yīng)的反式因子，可提高轉(zhuǎn)錄速度，稱調(diào)控性啟動子元件（regulatorypromoterelement）增強(qiáng)子和沉寂子距離起始點較遠(yuǎn)，并可以在上、下游或內(nèi)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(dá)的隔絕作用當(dāng)前第29頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第30頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第31頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第32頁\共有40頁\編于星期五\9點當(dāng)前第33頁\共有40頁\編于星期五\9點（四）組合式調(diào)控作用（combinatorialregulationoftranscription）每個基因的調(diào)控都有多數(shù)元件和因子參與，之間大多都是相互協(xié)調(diào)，提高基因表達(dá)效率同一元件可能由于結(jié)合因子的不同或配合不同產(chǎn)生不同的調(diào)節(jié)效果反式因子由基因編碼，因此由上一級調(diào)控產(chǎn)生，組成一個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)最終的細(xì)胞內(nèi)因子的差異由發(fā)育過程中基因在不同細(xì)胞內(nèi)是否關(guān)閉所決定可誘導(dǎo)或阻遏基因的表達(dá)，是由胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)決定的幾個例子當(dāng)前第34頁\共有40頁\編于星期五\9點三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控Ineucaryoticcells,theinitialRNAmoleculeproducedbytranscription(theprimarytranscript)containsbothintronandexonsequences.Itstwoendsaremodified,and