生物化學(xué) 第十八章基因表達(dá)調(diào)控

第十八章基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression第一節(jié)

基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與特點(diǎn)BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation一、基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的RNA序列，對于蛋白質(zhì)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(zhì)產(chǎn)物?；虮磉_(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的。（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特定生長發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同在個(gè)體生長、發(fā)育過程中，一種基因產(chǎn)物在個(gè)體的不同組織或器官表達(dá)，即在個(gè)體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)又稱細(xì)胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。二、基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性（一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按一定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。

多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。三、基因表達(dá)的方式存在多樣性基因表達(dá)調(diào)控（regulationofgeneexpression）就是指細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)或適應(yīng)環(huán)境變化的過程中在基因表達(dá)水平上做出應(yīng)答的分子機(jī)制。即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。

按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：基本（或組成性）表達(dá)誘導(dǎo)或阻遏表達(dá)（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在生物體各個(gè)生長階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)被視為基本（或組成性）基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)?；镜幕虮磉_(dá)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(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏可誘導(dǎo)基因(induciblegene)在一定的環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的基因。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)。在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)同表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)四、基因表達(dá)調(diào)控受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)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(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達(dá)產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。五、基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)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(jīng)轉(zhuǎn)錄由DNA傳向RNA過程中的許多環(huán)節(jié)(最重要、最復(fù)雜)。轉(zhuǎn)錄起始是基因表達(dá)的基本控制點(diǎn)。最后，蛋白質(zhì)生物合成即翻譯與翻譯后加工。六、基因表達(dá)調(diào)控為生物體生長、發(fā)育的基礎(chǔ)（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育第二節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①基因組中很少有重復(fù)序列；②編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因連續(xù)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(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組；④許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子

操縱子（operon）：在原核生物中，若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，這些基因的表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，這種基因的組織形式稱為操縱子。

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列ZYAOPDNA結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

乳糖操縱子(Lacoperon)原核生物大多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控是通過操縱子機(jī)制實(shí)現(xiàn)一、操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位基因表達(dá)有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)原核生物基因表達(dá)的效應(yīng)蛋白可分：阻遏蛋白----負(fù)調(diào)控因素激活蛋白----正調(diào)控因素調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調(diào)控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力；②阻遏蛋白可以識(shí)別、結(jié)合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）。阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，是一種正調(diào)控（positiveregulation）。二、乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP（代謝物基因激活蛋白）結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAPII調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)分解代謝基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP）

cAMP-CAP復(fù)合物與CAP位點(diǎn)結(jié)合是乳糖操縱子基因起始轉(zhuǎn)錄的必要條件，結(jié)合后才能促使RNApol與啟動(dòng)子結(jié)合，可刺激轉(zhuǎn)錄活性，提高轉(zhuǎn)錄效率。

這樣一個(gè)操縱子中的一組基因就有兩道開關(guān)，只有兩道開關(guān)同時(shí)打開時(shí)基因才能轉(zhuǎn)錄。2.CAP的正性調(diào)節(jié)++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3.協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)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)。

阻遏蛋白與cAMP-CAP對乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控示意圖

有葡萄糖無乳糖時(shí)，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，lac結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；cAMP處于低水平，CAP蛋白不能與啟動(dòng)子附近的CAP位點(diǎn)結(jié)合。

阻遏蛋白與cAMP-CAP對乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控示意圖

葡萄糖和乳糖均存在時(shí)，盡管有誘導(dǎo)物乳糖存在，但細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，不予理睬乳糖。阻遏蛋白與乳糖結(jié)合，空間構(gòu)象改變，不再與操縱基因結(jié)合；但cAMP處于低水平,CAP蛋白不與CAP位點(diǎn)結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因有少量表達(dá)。

無葡萄糖有乳糖時(shí)，阻遏蛋白不與操縱基因結(jié)合，cAMP處于高水平，形成cAMP-CAP復(fù)合物并與CAP位點(diǎn)結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因大量表達(dá)。阻遏蛋白與cAMP-CAP對乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控示意圖三、色氨酸操縱子通過轉(zhuǎn)錄衰減的方式阻遏基因表達(dá)色氨酸操縱子的作用原理TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶操縱子關(guān)閉四、原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機(jī)制（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：五、原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個(gè)環(huán)節(jié)受到精細(xì)調(diào)節(jié)（一）轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達(dá)調(diào)控的有效性衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控色氨酸操縱子（trpoperon）除了產(chǎn)物阻遏負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）調(diào)控方式。圖18-4色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其關(guān)閉機(jī)制（二）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動(dòng)序列或啟動(dòng)序列周圍進(jìn)行自我調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合mRNA靶位點(diǎn)，阻止核蛋白體識(shí)別翻譯起始區(qū)，從而阻斷翻譯。調(diào)節(jié)蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱自我控制(autogenouscontrol)。（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mRNA的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對翻譯起始的調(diào)控編碼區(qū)的起始點(diǎn)可與調(diào)節(jié)分子（蛋白質(zhì)或RNA）直接或間接地結(jié)合來決定翻譯起始調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到起始密碼子上，阻斷與核糖體的結(jié)合（四）反義RNA結(jié)合mRNA翻譯起始部位的互補(bǔ)序列對翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA稱為調(diào)節(jié)RNA。細(xì)菌中含有與特定mRNA翻譯起始部位互補(bǔ)的RNA，通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識(shí)別及與SD序列的結(jié)合，抑制翻譯起始。這種調(diào)節(jié)稱為反義控制(antisensecontrol)。（五）mRNA密碼子的編碼頻率影響翻譯速度當(dāng)基因中的密碼子是常用密碼子時(shí)，mRNA的翻譯速度快，反之，mRNA的翻譯速度慢。第三節(jié)

真核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninEukaryote基因組（genome）：一個(gè)生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因的編碼序列所占比例（1%）遠(yuǎn)小于非編碼序列。高等真核生物基因組含有大量的重復(fù)序列（人50%以上）。真核基因組中存在多基因家族和假基因。大多基因具有可變剪接，80%的可變剪接會(huì)使蛋白質(zhì)的序列發(fā)生改變?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞的基因組為二倍體。DNA序列相似，但功能不一定相關(guān)的若干個(gè)單拷貝基因或若干組基因家族總稱。超家族基因（superfamilygene）基因組中存在的一段與正?；蚍浅Ｏ嗨频荒鼙磉_(dá)的DNA序列。以

來表示。假基因（psuedogene）線粒體DNA結(jié)構(gòu)線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是核外遺傳物質(zhì)，能獨(dú)立編碼線粒體中的一些蛋白質(zhì)。mtDNA的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀分子，與原核生物的DNA類似，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也與原核生物相似。人的線粒體基因組線粒體基因組編碼37個(gè)基因，包括13個(gè)編碼呼吸鏈多酶體系的一些多肽的基因、22個(gè)編碼mt-tRNA的基因、2個(gè)編碼mt-rRNA（16S和12S）的基因。除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列。基因包括編碼序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）?；颍╣ene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。真核基因結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為斷裂基因（splitgene）。真核基因結(jié)構(gòu)一、真核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn)①真核基因組比原核基因組大得多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%的編碼序列。③真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子。④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，是多順反子；而真核生物則是單順反子（monocistron）。⑤真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因表達(dá)；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(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。

圖18-5真核生物基因表達(dá)的多層次復(fù)雜調(diào)控

原核生物主要是通過操縱子模型進(jìn)行調(diào)控；真核生物主要是通過順式作用元件進(jìn)行調(diào)控。啟動(dòng)子上游調(diào)控元件增強(qiáng)子加尾信號(hào)細(xì)胞信號(hào)反應(yīng)元件順式作用元件順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位增強(qiáng)子增強(qiáng)基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子是增強(qiáng)真核基因啟動(dòng)子工作效率的順式作用元件，是真核基因中最重要的調(diào)控序列，決定著每一個(gè)基因在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。增強(qiáng)子的功能及其作用特征如下：與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位。不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠(yuǎn)距離實(shí)施調(diào)節(jié)作用。作用與序列的方向性無關(guān)。需要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用。

基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的反式作用因子1、反式作用因子的定義

Trans-actingfactor：是能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式元件的核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組序列特異性的DNA結(jié)合蛋白。

2、反式作用因子的特點(diǎn)⑴具有三個(gè)功能域：DNA識(shí)別結(jié)合域，轉(zhuǎn)錄激活域，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。⑵具有識(shí)別啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的功能⑶對調(diào)節(jié)有正向和負(fù)向兩個(gè)方面DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域反式作用因子調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域2、反式作用因子的特點(diǎn)最常見的DNA結(jié)合域：鋅指模體(zincfinger)常結(jié)合GC盒C=半胱氨酸；H=組氨酸；F=苯丙氨酸；L=亮氨酸；Y=酪氨酸；Zn=鋅離子圖18-9鋅指結(jié)構(gòu)堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basichelix-loop-helix,bHLH)（a）獨(dú)立的堿性螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bLHL模體二聚體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個(gè)

-螺旋的堿性區(qū)分別嵌入DNA雙螺旋的大溝內(nèi)常結(jié)合CAAT盒常結(jié)合CAAT盒3.堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,Bzip)

（a）堿性亮氨酸拉鏈模體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）bZIP模體與DNA結(jié)合的示意圖。兩個(gè)-螺旋上的亮氨酸殘基彼此接近，形成了類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，而富含堿性氨基酸殘基的區(qū)域與DNA骨架上的磷酸基團(tuán)結(jié)合

⑵轉(zhuǎn)錄活化域(transcriptionalactivationdomain)

位于DNA結(jié)合域以外由80～100個(gè)aa組成的具有轉(zhuǎn)錄活化功能的區(qū)域。

①帶負(fù)電荷的-螺旋結(jié)構(gòu)含較多酸性氨基酸能形成親脂的-螺旋，稱酸性-螺旋結(jié)構(gòu)。如糖皮質(zhì)激素受體的轉(zhuǎn)錄活化域，Jun轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄活化域等。作用：對轉(zhuǎn)錄起始的特異誘導(dǎo)活性相對較低?？膳cTF-ⅡD復(fù)合物中某個(gè)通用因子或RNApol結(jié)合而發(fā)揮作用。

②富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)

如SP1是與啟動(dòng)子GCbox結(jié)合的一種轉(zhuǎn)錄因子，除有結(jié)合DNA的鋅指結(jié)構(gòu)外，SP1共有4個(gè)參與轉(zhuǎn)錄活化的區(qū)域，其中最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活化域之一很少有極性aa，卻富含谷氨酰胺，達(dá)該區(qū)aa總數(shù)的25%左右。Oct1/2，Jun,AP2,SRF均含此區(qū)域。

③富含脯氨酸結(jié)構(gòu)

如CTF-NF1轉(zhuǎn)錄因子的羧基端很難形成-螺旋，原因是此區(qū)域富含脯氨酸，占該區(qū)aa的20～30%，在Oct2，Jun，AP1，SRF等哺乳動(dòng)物因子中也有