基因的表达调控.doc

09硕二基础学习小组第十三章 基因表达调控一基因表达是指基因转录及翻译的过程。 1.基因是负载特定遗传信息的DNA片段。cDNA习惯上也称为基因，无内含子 遗传学：遗传的基本单位，含有编码一种RNA（多数也指多肽）的信息单位； 分子生物学：负载遗传信息的DNA片段。结构包括：内含子、外显子和调控序列。 2.基因组是一个生物体的整套遗传信息；即一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。 3.基因表达是基因转录及翻译的过程；即在一定调控机制下，基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或产生RNA的过程。二基因表达具有时间特异性及空间特异性。 1.按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。 2.多细胞生物从受精卵到个体，有不同的发育阶段。在每一个阶段都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启和关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。 3.在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。 4.基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。三.基因表达的方式及调节存在很大差异。 1.基因表达调控：细胞或生物体在接受环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达、诱导或阻遏表达。 2.基本（或组成性）表达：（只受RNA聚合酶和启动子相互影响，不受其他机制调节） 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达。3.诱导和阻遏表达（适应性表达）：（除受RNA聚合酶和启动子相互影响，还受其他机制调节） 与管家基因不同，大多数基因表达受环境信号影响。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。4.生物体内不同基因的表达受到协调调节。 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。四基因表达调控为生物体生长、发育所必需。 1.以适应环境、维持生长和增殖。 2.以维持细胞分化与个体发育。五基因表达调控呈现多层次和复杂性。 基因表达的多级调控：基因激活（扩增、重排和甲基化），转录起始（转录后加工mRNA降解），蛋白质翻译（翻译后加工修饰、蛋白质降解等）。六基因转录激活调节基本要素及相互作用。 1特异的DNA序列；2调节蛋白；3DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用；4RNA聚合酶。七特异的DNA序列。 1.原核生物-操纵子：启动序列（含共有序列，-10区的Pribnow盒、-35区）、操纵序列（结合阻遏蛋白或激活蛋白）。 2.启动序列：是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 3.共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。 4.操纵序列-阻遏蛋白(repressor)的结合位点：当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。 5.激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。 6.真核生物-顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子）。 7.顺式作用元件(cis-acting element)：可影响自身基因表达活性的DNA序列。 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。八调节蛋白。 1.原核生物：特异因子（决定RNA聚合酶对启动区的识别和结合力）、阻遏蛋白（与操纵区结合，阻遏基因转录）、激活蛋白（促进RNA聚合酶与启动区结合，增强酶活性）。 2.真核生物-反式作用因子(trans-acting factor)：由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。九DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用。 反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体。十RNA聚合酶。1.原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性：RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。2.调节蛋白与RNA聚合酶活性：一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。十一.原核基因转录调节特点:主要环节在转录起始。1. 因子决定RNA聚合酶识别特异性: 在转录起始阶段，因子识别特异启动序列；不同的因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。2. 操纵子模型的普遍性:原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位操纵子（operon）。一个操纵子只含一个启动序列（promoter）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。3. 原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节:原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。十二.操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性。1. 乳糖操纵子(lac operon)的结构：调控区（CAP结合位点、P-启动序列、O-操纵序列），结构基因（Z-半乳糖苷酶、Y-透酶、A-乙酰基转移酶）。2. 乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节：阻遏蛋白的负性调节，CAP的正性调节。3. 协调调节：当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。十三.原核生物具有不同的转录终止调节机制.1. 不依赖Rho因子的转录终止:终止子结构特点-两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。2. 依赖Rho因子的转录终止:常见于噬菌体中，结构特点不清楚。十四.原核生物在翻译水平受到多个环节的调节。1. 蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节。调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称自我控制。2. 反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节。可调节基因表达的RNA称为调节RNA；细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制。十五.真核基因组结构特点。1. 真核基因组结构庞大，分编码基因与重复基因。2. 单顺反子(monocistron)：即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链；真核细胞蛋白往往是由多亚基构成的结合蛋白，各亚基存在协调表达。3. 重复序列：重复序列与基因组大小和种属特异性有关，与物种的进化相关；调控区的重复序列与基因表达调控相关。4. 基因不连续性：真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区；在编码基因内部尚有内含子（intron）、外显子（exon）之分，因此真核基因是不连续的。十六.真核基因表达调控特点。1. 有多种RNA聚合酶：RNA pol I、 RNA pol II、 RNA pol III的转录产物均与蛋白质的生物合成有关。构成亚基有多个，有些亚基是相同的，如TATA盒结合蛋白（TBP）。TBP还能通过与TFIID上的TAF作用介导RNA pol II与TFIID的相互作用。2. 活性染色体结构变化：转录时基因激活，染色质相应区域发生结构和性质变化，具有转录活性的蛋白质称为活性染色质。 对核酸酶敏感：基因活化后对核酸酶极度敏感；活化基因常有DNase超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。 DNA拓扑结构变化：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后负超螺旋有利于核小体再形成；正超螺旋阻碍核小体形成，促进核小体中组蛋白释放，促进RNA聚合酶的向前移动。 DNA碱基的甲基化修饰变化：真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，常分布在基因的5侧翼区的CpG（CpG岛）。甲基化范围与基因表达程度呈反比。基因组印记是DNA碱基甲基化调控基因表达调控的例证。 组蛋白变化：富含Lys组蛋白水平降低（H1样组蛋白减少）、H2A, H2B二聚体不稳定性增加、组蛋白H3、H4的修饰（乙酰化、磷酸化和泛素化等）导致核小体结构不稳定，易于转录。（组蛋白尾巴是发生组蛋白修饰的位点，包括对组蛋白中富含的赖氨酸、精氨酸、组氨酸等带正电荷的碱性氨基酸进行乙酰化、磷酸化和甲基化修饰。乙酰化能中和碱性氨基酸的正电荷，减弱组蛋白与带负电荷的DNA结合，变得松散，有利于转录。甲基化能增加组蛋白的疏水性，增强组蛋白与DNA的亲和力。组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构；化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋白密码”的假说）3. 在真核基因表达调控中以正性调节占主导。 采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。 采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。4. 在真核细胞中转录与翻译分隔进行：真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。5. 转录后修饰、加工更为复杂。十七. RNA Pol I和Pol III转录体系的调节相对简单。1. RNA Pol I转录体系。 RNA Pol I的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S rRNA外的各种rRNA。 启动子元件包括：核心元件或核心启动子和上游控制元件（UCE)。 RNA Pol I需要上游结合因子I和选择性因子I 帮助起始转录。2. RNA pol III 转录体系的控制。 转录产物有多种，主要为tRNA、5sRNA。其启动子位于转录起始点下游的转录区内（内部控制区，ICR）。tRNA基因的ICR由A盒和B盒构成，TFIIIC和TFIIIB分别结合ICR和A盒上游，共同调节tRNA基因的转录。TFIIIC是辅助因子， TFIIIB是转录起始因子。5s RNA基因的ICR也由A盒和B盒构成，需要三种转录因子：TFIIIC、 TFIIIA和TFIIIB，其作用方式与tRNA基因转录调节相似， TFIIIC、 TFIIIA是辅助因子， TFIIIB是转录起始因子。十八.RNA Pol II转录起始的调节非常复杂。十九.真核基因顺式作用元件影响基因转录活性。1. 启动子：真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒）。2. 增强子（enhancer）：指远离转录起始点、能增强启动子转录活性的DNA序列，是转录活化因子结合部位。其作用与方向无关，颠倒仍可以发挥作用；基因的增强子与启动子分布和功能上密切相关。3. 沉默子（silencer）：某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用；其功能取决于结合的因子。二十.反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白。1. 转录调节因子分类（功能）： 基本转录因子(general transcription factors)：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。具有RNA聚合酶特异性，其中TFIID是三者共有，其他基本转录因子各不相同。 特异转录因子(special transcription factors)：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。具有基因的特异性。分转录激活因子（与启动子近端元件或增强子结合）与转录抑制因子（与沉默子结合；蛋白质-蛋白质作用降低转录激活因子的浓度，间接抑制转录）。2. 转录调节因子（IF）结构。 DNA结合域：锌指(zinc finger)-常结合GC盒，-螺旋-常结合CAAT盒，亮氨酸拉链。 转录激活域：酸性激活域、谷氨酰胺富含域、脯氨酸富含域。 蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）：起二聚化作用，如亮氨酸拉链。二十一.mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成。1. 真核RNA聚合酶在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。2. 真核基因转录调节是复杂的、多样的: 不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件；转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。二十二. RNA pol II 转录终止的调节机制尚不清楚：真核细胞RNA pol II转录终止于poly-A下游（3端）位点，不是想象中的上游。感染真核细胞的病毒基因可以靠抗终止的方式调节其转录水平。1. HIV基因组转录终止调节：HIV的有效表达需要病毒Tat蛋白，是一种抗终止蛋白，可使RNA pol II通过转录终止点，并阻止HIV基因组转录过程的提早终止。2. 热休克蛋白基因的转录终止调节：真核细胞具有与原核细胞类似的热休克反应，能及时的终止大多数基因的转录，而启动一套能提高细胞生存能力的热休克蛋白基因的转录。二十三.转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节。1. hnRNA加工成熟的调节：其中，hnRNA剪接和RNA编辑对基因表达调节有一定意义。2. mRNA运输、胞浆内稳定性调节：mRNA是寿命最短的RNA，其稳定性是由合成速率与分解速率共同决定的，调节mRNA的稳定性可调控蛋白质表达。二十四. 铁对铁转运蛋白受体（TfR）表达的调节。1.TfR mRNA稳定性的调节取决于其分子中特定的重复序列，为铁反应元件（IRE），结构特征：30bp长，形成柄-环结构，环上有5个特异性氨基酸，富含A-U。 2.铁浓度的改变对其稳定性的调节。二十五.基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节。1. 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行：蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eIF-2）的活性对起始阶段有重要的控制作用。2. RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节：RNA结合蛋白（RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。铁反应元件结合蛋白（IRE-BP）能稳定TfR的mRNA；同时也可以结合铁蛋白和ALA合酶的mRNA，调节其表达；这取决于细胞内铁浓度。细胞内铁浓度低，IRE-BP能与mRNA的IRE结合，导致TfR的mRNA稳定，TfR表达稳定，运铁增加；同时，与铁蛋白和ALA合酶的mRNA的IRE结合，阻碍了40s小亚基与mRNA 5端起始部位结合，抑制翻译起始，减少相关蛋白的表达，减少对细胞内铁的利用。3. 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达：新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素；因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控