第八章基因表達(dá)的調(diào)控

一些事實(shí)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(duì)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(gè)是最重要的階段當(dāng)前第2頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第3頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(dòng)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第5頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)一、乳糖操縱子（LacOperon，Monad&Jacob,1961)大腸桿菌的正常培養(yǎng)基無(wú)乳糖如將培養(yǎng)基中的葡萄糖用乳糖取代，則細(xì)菌生長(zhǎng)停止，但在幾分鐘細(xì)菌會(huì)重新正常生長(zhǎng)分析表明，此時(shí)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?；?，三種酶的量相同，說(shuō)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(shí)，無(wú)此三種酶出現(xiàn)由此，Monad和Jacob提出了基因表達(dá)的第一個(gè)控制模型當(dāng)前第6頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)三個(gè)結(jié)構(gòu)基因是線形排列的（Z,Y,A），在一個(gè)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(shí)，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(gòu)象變化，失去結(jié)合操縱基因的能力當(dāng)前第7頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)現(xiàn)代版的乳糖操縱子－結(jié)合DNA序列啟動(dòng)子核心序列由-10的TATA盒和-35的TTGACA組成CAP結(jié)合位點(diǎn)緊靠啟動(dòng)子上游阻遏蛋白基因在Lac操縱子上游，其結(jié)合位點(diǎn)在轉(zhuǎn)錄起始位置當(dāng)前第8頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)CAP蛋白正調(diào)控的乳糖操縱子在乳糖操縱子啟動(dòng)基因的上游有一個(gè)代謝基因活化蛋白（CAP)的結(jié)合位點(diǎn)CAP只有在和cAMP結(jié)合后才能和其結(jié)合位點(diǎn)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(wú)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(wú)葡萄糖和有乳糖的情況下才能充分表達(dá)當(dāng)前第9頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)乳糖操縱子中的元件和因子－啟動(dòng)子啟動(dòng)子是RNA聚合酶的結(jié)合及識(shí)別位點(diǎn)，-10的TATATT是聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，-35的TTGACA是sigma因子的識(shí)別位點(diǎn)，-10和-35之間的序列的特性對(duì)啟動(dòng)子無(wú)影響啟動(dòng)子序列具有方向性啟動(dòng)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(dòng)子是弱啟動(dòng)子sigma因子有較大的結(jié)構(gòu)差異，這種差異是不同啟動(dòng)子效率差異的基礎(chǔ)原核生物所有的啟動(dòng)子具有非常相似的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第10頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(dòng)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(guò)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(kāi)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(shí)才能和操縱基因結(jié)合，關(guān)閉基因表達(dá)當(dāng)前第11頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(dòng)子為弱啟動(dòng)子，只起到開(kāi)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(diǎn)的結(jié)合，是一個(gè)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(shí)別序列為反向重復(fù)序列，在DNA結(jié)合蛋白中非常多見(jiàn)當(dāng)前第12頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)二、色氨酸操縱子（TrpOperon)共阻遏（corepressor)的代表當(dāng)前第13頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)色氨酸衰減子當(dāng)前第14頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(wú)蛋白因子參與轉(zhuǎn)錄過(guò)程的自動(dòng)終止是調(diào)節(jié)的位點(diǎn)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(jí)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)第二節(jié)真核生物的基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)：龐大的基因組復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)具有核及核膜對(duì)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第18頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第19頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(duì)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(yùn)：從核內(nèi)運(yùn)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(zhǎng)，可維持幾千次轉(zhuǎn)錄。F翻譯起始：起始密碼子的識(shí)別。G轉(zhuǎn)錄后修飾：糖基化、乙酰基化、酯?；取．?dāng)前第20頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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?；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(chǔ)。在基因調(diào)控中的意義有限。當(dāng)前第21頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(diǎn)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(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(gè)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(jì)有大約50個(gè)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(duì)某一基因來(lái)說(shuō)，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(shí)，甲基化在兩親本間截然不同。當(dāng)前第23頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(duì)DNA的穩(wěn)定性影響巨大，一般轉(zhuǎn)錄時(shí)組蛋白不存在于DNA上DNA酶I高敏位點(diǎn)（DnaseIhypersensitivesite）代表高表達(dá)的區(qū)域組蛋白的乙酰化（Acetylation）可解開(kāi)組蛋白封閉，某些反式因子可激活乙?；?dāng)前第24頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)Thisschematicdrawingshowssomeoftheordersofchromatinpackingthoughttogiverisetothehighlycondensedmitoticchromosome.ThefoldingofnakedDNAintonucleosomesisthebestunderstoodlevelofpacking.Thestructurescorrespondingtotheadditionallayersofchromosomepackingaremorespeculative.當(dāng)前第25頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)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(diǎn)位于轉(zhuǎn)錄開(kāi)始位點(diǎn)之前-20-30bp的TATA序列是聚合酶結(jié)合的特異位點(diǎn)聚合酶和TATA的拼裝需要多個(gè)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(duì)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(dòng)子元件(basalpromoterelement),或最小啟動(dòng)子元件(minimumpromoterelement)當(dāng)前第26頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第27頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)(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(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)是通過(guò)直接或間接的影響GTF來(lái)實(shí)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(diǎn)的集中,是因?yàn)樵趩?dòng)子的上游有這些因子的結(jié)合位點(diǎn),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(gè)結(jié)構(gòu)域（domain）當(dāng)前第28頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)（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(dòng)子、增強(qiáng)子（enhancer）、沉寂子（silencer）和絕緣子（insulator）啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游不超過(guò)200bp的范圍，TATA是基本啟動(dòng)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(dòng)子元件（regulatorypromoterelement）增強(qiáng)子和沉寂子距離起始點(diǎn)較遠(yuǎn)，并可以在上、下游或內(nèi)含子中絕緣子位于兩個(gè)基因之間，起到對(duì)上游和下游基因表達(dá)的隔絕作用當(dāng)前第29頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第30頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第31頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第32頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)當(dāng)前第33頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)（四）組合式調(diào)控作用（combinatorialregulationoftranscription）每個(gè)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(jí)調(diào)控產(chǎn)生，組成一個(gè)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(guò)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)決定的幾個(gè)例子當(dāng)前第34頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控Ineucaryoticcells,theinitialRNAmoleculeproducedbytranscription(theprimarytranscript)containsbothintronandexonsequences.Itstwoendsaremodified,and