第18章基因表达调控

第十八章基因表达调控第一节

基因表达与基因表达调控的基本概念与特点一、基因表达是指基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的。二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性按功能需要，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(temporalspecificity)。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。（二）空间特异性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(cellortissuespecificity)。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(spatialspecificity)。三、基因表达的方式存在多样性按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达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(housekeepinggene)。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(constitutivegeneexpression)。（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏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(induciblegene)。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(repressiblegene)。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。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(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。（一）特异DNA序列决定基因的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性调节基因产物不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控，而且还能对不在一条DNA链上的结构基因的表达起到同样的作用，这些蛋白质因子称为反式作用因子。调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上，被称为顺式作用元件。

顺式作用元件（cis-actingelement)与反式作用因子(trans-actingfactor)

指的是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(dimer)或多聚体(polymer)。转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节五、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拷贝数重排甲基化程度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转录起始六、基因表达调控为生物体生长和发育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。第二节

原核基因表达调控

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列

其他调节序列(promoter)(operator)一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位调节的主要环节在转录起始σ因子决定RNA聚合酶识别特异性

在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列

五种E.coli启动序列的共有序列共有序列(consensussequence)

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。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。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。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白其他调节序列、调节蛋白例如：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。二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因1、阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶图13-4lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2、CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP3、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(catabolicrepression)。

mRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO原核生物转录、翻译偶联三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制（一）不依赖Rho因子的转录终止（二）依赖Rho因子的转录终止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。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。终止子结构特点：五、原核生物在翻译水平的多个环节受到精细调控

（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性（二）蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控（四）反义RNA结合mRNA翻译起始部位互补序列以调节翻译起始（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度第三节

真核基因表达调控一、真核细胞基因表达特点真核基因组比原核基因组大得多

哺乳类动物基因组DNA约3×109碱基对。

人编码基因约4万个，编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复基因约占5%~10%。

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。③真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性②真核基因组含有大量的非编码序列④真核基因转录产物为单顺反子单顺反子(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。二、染色质结构与真核基因表达密切相关（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。（二）转录活化染色质的组蛋白发生改变组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2A·H2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰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，以及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。组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功能H3Lys-4甲基化激