細胞代謝與基因表達調控

第三十九章

基因表達調控概述(Introduction)基因表達(geneexpression)--基因轉錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達中心法則(thecentraldogma)：一、基因表達的時間性及適應性

(temporalandspatialspecificity)1、時間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生

Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎兒型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β22、適應性：

適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化基因表達調控的環(huán)節(jié)：基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工二、基因表達的方式1、管家基因與奢侈基因管家基因（housekeepinggene）--在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。組成性基因表達(constitutivegeneexpression)奢侈基因（luxurygene）—只在特定的細胞類型中表達的基因2、誘導和阻遏表達誘導（induction）--可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程。DNA損傷→修復酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達阻遏（repression）--可阻遏基因表達產物水平降低的過程色氨酸—色氨酸合成酶系三、原核基因表達的調控

1、操縱子

（1）操縱子(operon)的提出

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數式繁殖增長。乳糖對

－半乳糖苷酶的合成有誘導作用。葡萄糖對

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。

這種典型的誘導現象，是研究基因表達調控極好的模型。針對大腸桿菌利用乳糖的適應現象，法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學和生化學研究實驗，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學說。（2）操縱子的基本組成

下面就以乳糖操縱子為例子說明操縱子的最基本的組成元件（elements）。PS1S2S3啟動子OPromoter調控序列結構基因

操縱子（operon）

結合RNA聚合酶表達功能蛋白?11/50操縱子（operon）:原核生物的轉錄單位操縱基因OperatorA、結構基因群

操縱子中被調控的編碼蛋白質的基因可稱為結構基因(structuralgene,SG)。一個操縱子中含有2個以上的結構基因，多的可達十幾個。

乳糖操縱子含有ｚ、ｙ和ａ3個結構基因。

B、啟動子

啟動子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結構基因5＇側上游，控制整個結構基因群的轉錄。

C、操縱區(qū)

操縱區(qū)（operator）是指能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調控蛋白結合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉錄的強弱。

以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動子（p）與被調控的基因之間，部分序列與啟動子序列重疊。

D、調控基因

調控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結合的調控蛋白的基因。調控蛋白有：

阻遏蛋白(repressiveprotein)：與操縱區(qū)結合后能減弱或阻止其調控的基因轉錄，其介導的調控方式為負調控

激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)結合后能增強或起動其調控的基因轉錄，所介導的調控方式為正調控

例如在乳糖操縱子中，調控基因lacI位于Plac鄰近，編碼產生調控蛋白R。

在環(huán)境沒有乳糖存在的情況下，R能特異性與操縱區(qū)ｏ緊密結合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；

當環(huán)境中有足夠的乳糖時，乳糖與R結合，失去與操縱區(qū)特異性緊密結合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有轉錄的可能。在這過程中乳糖就是誘導劑，與R結合起到去阻遏作用，誘導了利用乳糖的酶類基因轉錄開放。

許多調控蛋白都是變構蛋白（allostericprotein），通過與上述類似的方式與效應物結合改變空間構像，從而改變活性，起到調節(jié)基因轉錄表達的作用。E、終止子

終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列。在一個操縱子中至少在結構基因群最后一個基因的后面有一個終止子。

以上5種元件是每一個操縱子必定含有的。其中啟動子、操縱區(qū)位于緊鄰結構基因群的上游，終止子在結構基因群之后。2、乳糖操縱子的表達調控

（1）阻遏蛋白的負調控

當大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。調節(jié)基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達產生阻遏蛋白R，R與操縱子ｏ結合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結合，阻止了基因的轉錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與ｏ偶爾解離，使細胞中還有極低水平的

－半乳糖苷酶及透過酶的生成。

當有乳糖存在時，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化轉變?yōu)閯e乳糖，與R結合，使R構象變化，失去與ｏ的親和力，與ｏ解離，基因轉錄開放，使

－半乳糖苷酶在細胞內的含量可增加1000倍。這就是乳糖對lac操縱子的誘導作用。（2）CAP的正調控

葡萄糖存在時，半乳糖-糖苷酶等的合成也受抑制。

CAP：能與cAMP特異結合的cAMP受體

在lac操縱子的啟動子Plac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結合，稱為CAP結合位點（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結合時，可增強RNA聚合酶的轉錄活性，使轉錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結構基因表達下降。

由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。lac操縱子的強誘導既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這機制，細菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。乳糖操縱子的誘導

3、色氨酸操縱子

色氨酸是構成蛋白質的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖通常需要自己經過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trpoperon）的調控。（1）色氨酸操縱子的結構

（2）阻遏蛋白的負調控

合成色氨酸所需要酶類的結構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子ｏ的調控，調控基因trpR的位置遠離P-ｏ-結構基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達其調控蛋白R，R并沒有與ｏ結合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結合，阻遏結構基因的轉錄。

因此色氨酸操縱子屬于一種負性調控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開放轉錄的，有效應物（色氨酸為阻遏劑）作用時則阻遏關閉轉錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調控可使細菌處在生存繁殖最經濟最節(jié)省的狀態(tài)。

四、真核生物基因表達的調控1、真核基因組結構特點真核基因組結構龐大

3×109bp單順反子含有大量重復序列

基因不連續(xù)性內含子外顯子非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)多層次調控失活DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控2、轉錄水平的調控最重要順式作用元件反式作用因子轉錄起始的調控（1）順式作用元件影響自身基因表達活性的DNA序列非編碼序列分啟動子、增強子、沉默子啟動子TATA盒，-25bp上游啟動子元件(upstreampromotorelements,UPE)，CAAT盒，-75bp；GC序列等順式作用元件增強子：遠離轉錄起始點（1~30kb），增強啟動子轉錄活性DNA序列，與方向、距離無關沉默子：負性調節(jié)元件，起阻遏作用順式作用元件增強子（2）反式作用因子(trans-actingfactor)概念：為DNA結合蛋白，核內蛋白，可使鄰近基因開放（正調控）或關閉（負調控）通用轉錄因子—結合在TATA盒上的蛋白質因子。TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等轉錄調控因子—結合在UPE上的蛋白質因子反式作用因子特點三個功能結構域：DNA識別結合域；轉錄活性域；結合其他蛋白的結合域能識別并結合順式作用元件(cis-actingelement)正調控與負調控功能

結構域反式作用因子結構域的模式DNA結合域(DNA-bandingdomain)鋅指結構(zincfingermotif)同源結構域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉鏈結構(leucinezipper)螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH)堿性α螺旋(alkalineα-helix)A、螺旋-轉角-螺旋LacrepressorB、