基因表达调控

第 一 节
基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle

一、基因表达的概念
* 基因组(genome)
一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
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的过程。
* 基因表达(gene expression)
基因表达是受调控的

二、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性

（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(cell or tissue specificity)。
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(spatial specificity)。

三、基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）组成性表达
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(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(constitutive gene expression)。

（二）诱导和阻遏表达
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)。

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、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
（二）维持个体发育与分化

五、基因表达调控的基本原理
（一）基因表达的多级调控
基因激活
转录起始
转录后加工
mRNA降解
转录起始

（二）基因转录激活调节基本要素
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。
1. 特异DNA序列和调节蛋白质

原核生物
—— 操纵子(operon) 机制

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。

2) 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。

3) 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。

真核生物
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。

2) 真核基因的调节蛋白
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。
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。
反式作用因子(trans-acting factor)
这种调节作用称为反式作用。

反式调节
顺式调节

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)。

3. RNA聚合酶
⑴ 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。
⑵ 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。

第 二 节
原核基因转录调节
Regulation of Prokaryotic
Gene Transcription

（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
（二）操纵子模型的普遍性
（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

二、乳糖操纵子调节机制
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
CAP结合位点

没有乳糖存在时
（二）阻遏蛋白的负性调节

有乳糖存在时

无葡萄糖，cAMP浓度高时
有葡萄糖，cAMP浓度低时
（三）CAP的正性调节

（四）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(catabolic repression)。

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

Trp 高时
Trp 低时
mRNA
O
P
trpR
调节区
结构基因
RNA聚合酶
RNA聚合酶
?
三、其他转录调节机制
（一）转录衰减
色氨酸操纵子

前导序列
第10、11密码子为trp密码子
14aa前导肽编码区:
包含序列1
形成发夹结构能力强弱：
序列1/2>序列2/3>序列3/4

UUUU 3’
前导肽
前导mRNA
1.当色氨酸浓度高时
转录衰减机制
衰减子结构
就是终止子
可使转录
RNA聚合酶
终止

前导肽
前导mRNA
RNA聚合酶
2.当色氨酸浓度低时
Trp合成酶系相关
结构基因被转录
序列3、4不能形成衰减子结构

（二）基因重组
沙门菌鞭毛素基因的调节

（三）SOS反应
紫外线
与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质
Lex A阻遏蛋白
DNA

第 三 节
真核基因转录调节
Regulation of Eukaryotic
Gene Transcription

一、真核基因组结构特点
（一）真核基因组结构庞大

（二）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。
（三）重复序列
（四）基因不连续性

二、真核基因表达调控特点
（一）RNA聚合酶
（二）活性染色体结构变化
1. 对核酸酶敏感
活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。

2. 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
3. DNA碱基修饰变化

4. 组蛋白变化
① 富含Lys组蛋白水平降低
② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
④ H3组蛋白巯基暴露
（三）正性调节占主导
（四）转录与翻译分隔进行
（五）转录后修饰、加工

三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件
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。

（二）反式作用因子
1. 转录调节因子分类（按功能特性）
* 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。

* 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。
转录激活因子
转录抑制因子

2. 转录调节因子结构

最常见的DNA结合域
1. 锌指(zinc finger)
C —— Cys
H —— His
常结合GC盒

Zn
Cys
His

2. α-螺旋
常结合CAAT盒

（三）mRNA 转录激活及其调节
真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物
TBP相关因子