基因表達調(diào)控

RegulationofGeneExpression基因表達調(diào)控一、基因表達的概念基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程?；虮磉_是受調(diào)控的基因表達調(diào)控的基本規(guī)律

基因表達具有時空特異性

誘導(dǎo)表達和阻遏表達是基因表達調(diào)控的普遍方式基因表達受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)

蛋白質(zhì)-DNA以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用是基因表達調(diào)控的分子基礎(chǔ)基因表達調(diào)控是多層次的復(fù)雜調(diào)節(jié)二、基因表達的時間性及空間性特異性1.時間特異性同一生物體的各種細胞含有完全相同的基因組，但是它們在細胞內(nèi)的表達是根據(jù)機體生長、分化和發(fā)育等功能的需要，隨著環(huán)境的變化，按照一定的時間順序先后表達。胚胎發(fā)育早期的Hb：

2

2,

2

2

和2

2妊娠8周后胎兒的HbF：2

2成人型HbA：2

2和

2

2

(3%)

2

1

珠蛋白基因簇位于第16號染色體；

,2,

1和

基因為功能基因，

和

為假基因。

G

A

珠蛋白基因簇位于第11號染色體；

,G

,A

,

和為功能基因，

為假基因。

2.空間特異性同一基因在不同的組織或器官中的表達也不一樣，不僅基因表達的種類不同，而且基因表達的水平也不相同。LDH同工酶亞基組成血清心肌肺腎肝脾LDH1H4431227.10731443210LDH2H3M444934.70243444425LDH3H2M3123320.95335121110LDH4HM31611.7160512720LDH5M4005.7790120565H(心肌型)；M(骨骼肌型)骨骼肌紅細胞白細胞3.差異基因表達

多細胞生物不同組織細胞中基因組相同不同細胞表達不同的基因同一細胞不同發(fā)育階段，表達不同基因同一種細胞中不同基因表達水平不同基因差異表達是多細胞生物進化的結(jié)果是細胞活動分工的基礎(chǔ)4.基因表達譜特定細胞中基因表達的種類和強度，決定著細胞的分化狀態(tài)和功能。在個體內(nèi)決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式。果蠅三、基因表達的方式（一）組成性表達有些基因參與生命的全過程，因此必須在一個生物體的所有細胞中持續(xù)地表達，這樣的基因被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因的表達與啟動子和RNA聚合酶有關(guān)，基本上不受環(huán)境因素和其他因素的影響。（二）誘導(dǎo)和阻遏表達在特定信號刺激下，有些基因表現(xiàn)出開放性或增強性的表達，稱其為誘導(dǎo)(induction)。另一些則表現(xiàn)出關(guān)閉性或抑制性的表達，稱其為阻遏(repression)。

一些調(diào)節(jié)序列（基因）遠離被調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因，只能通過其表達產(chǎn)物來發(fā)揮作用的。這樣的調(diào)節(jié)基因不僅能對處于同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達進行控制，而且還能對不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達起到同樣的作用。順式作用元件調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因位于同一條DNA鏈上。反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）四、參與基因表達調(diào)控的因素特異DNA序列

DNA元件順式作用元件原核生物：啟動子、操縱序列真核生物：啟動子、增強子、抑制子蛋白質(zhì)分子

轉(zhuǎn)錄因子

反式作用元件原核生物：RNA聚合酶特異因子、阻遏蛋白、激活蛋白真核生物：轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子增強結(jié)合因子

抑制子結(jié)合因子五、基因表達調(diào)控的基本原理（一）基因表達的多級調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄起始原核生物基因表達調(diào)控原核生物基因表達特點轉(zhuǎn)錄與翻譯緊密偶聯(lián)

操縱子是主要調(diào)節(jié)機制多順反子mRNA

阻遏蛋白介導(dǎo)的負性調(diào)節(jié)為主

轉(zhuǎn)錄起始是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵

1960年法國科學(xué)家Jacob-Monod提出操縱元模型-乳糖操縱元（LactoseOperon)

大腸桿菌可以利用許多糖作為碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等。但是大腸桿菌優(yōu)先利用葡萄糖。當(dāng)環(huán)境中的葡萄糖缺乏時，開始利用乳糖或其它糖。

乳糖操縱子組成

結(jié)構(gòu)基因（Z、Y、A）

調(diào)控元件（啟動子、操縱基因）調(diào)控方式

葡萄糖充足時，阻遏物與操縱基因結(jié)合，阻礙RNA聚合酶對下游三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。葡萄糖不足時，利用乳糖去阻遏物，允許RNA聚合酶對下游三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPTrp

Trp

高時Trp

低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?（一）轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子Trp阻遏蛋白UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密碼子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制

125’

trp

密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’

trp

密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)

翻譯調(diào)節(jié)稀有密碼子對翻譯影響主要影響翻譯的速度翻譯阻遏反義RNA(antisenceRNA)

阻礙核糖體與靶mRNA結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白競爭mRNA的核糖體結(jié)合位點mRNA穩(wěn)定性對翻譯的影響

mRNA的5‘端或3’端形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，可防止被外切酶水解，延長其壽命。真核生物基因表達真核基因結(jié)構(gòu)特點單順反子大量重復(fù)序列斷裂基因真核基因轉(zhuǎn)錄特點染色體結(jié)構(gòu)變化正向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)錄后修飾剪接加帽、加尾出核轉(zhuǎn)運真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控特點

調(diào)控元件多而復(fù)雜，不同的基因調(diào)控元件組合不同，構(gòu)成特有的組合模式；不同的基因轉(zhuǎn)錄除需要普通轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶作用外，還需要特異轉(zhuǎn)錄因子。特異轉(zhuǎn)錄因子與增強子、沉默子等結(jié)合，決定基因表達的特異性?；蜣D(zhuǎn)錄調(diào)控中始終體現(xiàn)DNA與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用。DNAmRNAmRNARNA轉(zhuǎn)錄失活的mRNA蛋白質(zhì)失活的蛋白質(zhì)細胞核細胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控RNA加工調(diào)控RNA轉(zhuǎn)運調(diào)控mRNA降解調(diào)控翻譯調(diào)控蛋白質(zhì)活性調(diào)控一、真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)直接影響基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的特點核小體結(jié)構(gòu)松弛、缺失對核酸酶敏感

CpG島低甲基化組蛋白乙?；℉1缺失）轉(zhuǎn)錄前調(diào)控的方式轉(zhuǎn)錄復(fù)合物不能進入致密染色質(zhì)高致密的染色質(zhì)（heterochromatin)

不能轉(zhuǎn)錄染色質(zhì)的致密程度依賴于

組蛋白的乙酰化和甲基化

DNA的甲基化與其他蛋白的相互作用核小體核心結(jié)構(gòu)與RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄3.DNA堿基的修飾

CpG

島

(CpGisland)

常出現(xiàn)在管家基因及其它常表達基因的啟動子序列中。

C的甲基化范圍與基因表達程度呈反比關(guān)系。Cytosine5-methyl-cytosine4.組蛋白的修飾

組蛋白發(fā)生乙?；?、磷酸化、甲基化及泛素化等修飾，使核小體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定或松弛。組蛋白的乙?；茐牧撕诵◇w的結(jié)構(gòu)，便于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子與DNA結(jié)合而進行轉(zhuǎn)錄。組蛋白的乙?；淖饔脤俜g后修飾

Acetylgroup(CH3COO)共價與組蛋白的堿性氨基酸結(jié)合中和正電荷消除組蛋白與DNA的離子鍵結(jié)合松弛染色質(zhì)活化轉(zhuǎn)錄DNA甲基化

DNA甲基化（DNAmethylation)

是真核生物在染色質(zhì)水平控制基因轉(zhuǎn)錄的重要機制。CpG島真核生物基因組中約有5%的胞嘧啶在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下被甲基化為5’-甲基胞嘧啶，并且以序列CG（稱為CpG島）中的胞嘧啶甲基化最為常見。

DNA甲基化的效應(yīng)

CpG島的高甲基化促進染色質(zhì)形成致密結(jié)構(gòu)，因而不利于基因表達。表觀遺傳學(xué)（epigeneticinheritance)

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內(nèi)存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，可以在DNA復(fù)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(fā)生甲基化。

這種遺傳信息不是蘊藏在DNA序列中，而是通過對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響及基因表達變化而實現(xiàn)的。二、轉(zhuǎn)錄速度決定RNA合成效率順式作用元件反式作用因子順式作用元件和反式作用因子的相互作用決定基因是否轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(一)順式作用元件(cis-actingelements)1.啟動子(promoter)2.增強子(enhancer)：增強基因表達的調(diào)控元件。3.沉默子或沉默基因(silencer)：結(jié)合阻遏物的調(diào)控序列；阻遏物與沉默子的結(jié)合導(dǎo)致其附近的啟動子失活，靶基因不被轉(zhuǎn)錄。

(二)反式作用因子(trans-actingfactors)

直接或間接與靶基因的順式作用元件結(jié)合，調(diào)控RNA轉(zhuǎn)錄的酶和蛋白質(zhì)

(轉(zhuǎn)錄因子)。增強子（enhancer)

位于轉(zhuǎn)錄起始上下游的DNA元件，與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后增強啟動子活性，決定基因表達時空性。（1）增強子與被調(diào)控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件（2）增強子是組織特異性轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合部位（3）增強子不僅能夠在基因的上游或下游其作用，而且還可以遠距離實施調(diào)節(jié)作用。（4）增強子作用與序列的方向性無關(guān)。（5）增強子需要由啟動子才能發(fā)揮作用。

沉默子（silencer)

結(jié)合特異轉(zhuǎn)錄因子后抑制啟動子的活性，一般屬于負調(diào)控元件。主要取決于特異轉(zhuǎn)錄因子的作用。

反式作用因子（

trans–actingfactor)

也稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors,TF),

是一類細胞核內(nèi)蛋白質(zhì)因子，通過與順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活性。反式作用因子的結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域

DNAbindingdomain

轉(zhuǎn)錄激活域

activationdomain蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域

proteinbindingdomainDNA結(jié)合域的四種模體螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix,HLH)

鋅指（zincfinger)

亮氨酸拉鏈（leucinezipper)

螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix,HLH)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）識別螺旋DNA大溝DNA小溝螺旋1N－端DNA大溝螺旋3

鋅指結(jié)構(gòu)是一類含鋅的DNA結(jié)合蛋白質(zhì)模體C2H2型鋅指（Zincfinger）LeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuLeuDNA大溝DNA大溝亮氨酸拉鏈（leucinezipper）螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)bHLH雙體DNA大溝螺旋螺旋環(huán)反式作用因子中的轉(zhuǎn)錄激活域富含酸性氨基酸

脯氨酸

谷氨酰胺

轉(zhuǎn)錄因子的分類基本轉(zhuǎn)錄因子不具有組織特異性。是RNA聚合酶結(jié)合啟動子必需的一組蛋白質(zhì)分子，是所有基因轉(zhuǎn)錄起始都需要的。組織細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子具有組織細胞特異性。與增強子、沉默子結(jié)合后決定該基因表達的時空性。組織細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子的類別轉(zhuǎn)錄因子組成型可調(diào)控型發(fā)育相關(guān)信號依賴固醇類受體超家族細