第六章基因表达的调控

第六章基因表达的调控本章，我们讨论4个问题：1.什么是基因表达的调控？2.原核生物基因表达调控是如何进行的？3.真核生物基因表达调控是如何进行的？4.基因表达调控与医学研究概述一、基因（gene)(一)概念从化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传单位、1个功能单位，1个交换单位和1个突变单位。基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列（7分P27）1.表型和基因型某一机体可以观察的特征，称为表现型（Phenotype，简称表型）。与表型相应的基因组成称为基因型（genetype）。如细菌Leu+、Leu-和Leu+、Leu-。2.等位基因（allele）（1）二倍体细胞有2套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全套基因由2套基因组成，每一对基因称做等位基因。（2）由于突变作用引起DNA结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等位基因。3.遗传基本功能单位基因是遗传的功能单位，它负责有一定的遗传信息，在特定的条件下表达这种信息，产生特定的生理功能。4.交换单位基因是结构单位，交换只能发生在基因之间。5.作用单位基因能产生一种特定的表型，即基因决定蛋白质氨基酸排列顺序。6.突变单位基因可作为一个整体变为另一个等位基因。（二）分类基因可以分为结构基因和调节基因。结构基因（structuralgene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。二、基因组（genome）1个配子（精子或卵子，1个单倍体细胞，1个病毒所包含的全套基因。（1个哺乳动物体细胞含2套基因组，1个原核细胞、1个病毒颗粒含1套基因组）细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和称为基因组。原核、真核、病毒3大基因组比较。三、基因表达（geneexpression）（里→外）（一）概念基因产生功能的过程，称基因表达，也称编码（code）。DNARNAprotein基因表达的过程是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein）的过程。mRNAtRNArRNAtranslationtranslationreplicationreversetranscription1.转录RNApol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。2.翻译这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。蛋白质是大而复杂的功能分子，每1类生物各有其1套特有的蛋白质，不同的生物体内罕见完全相同的蛋白分子，人的蛋白质分子不下10万种。四、基因表达的调控基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译使信息分子DNA转变成功分子protein的过程，这一过程在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调控称为基因表达的调控，简称基因调控。五、基因表达调控的要点(一)调控的细胞学基础原核生物真核生物prokaryote无真核结构的单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。其DNA、protein、组成1个相当致密的类核，但无核膜与胞质分开。因为无核膜，基因受环境影响大。eukaryote单或多细胞生物，有核膜将染色体等有关物质包围在内与胞质分开，细胞有有丝分裂和减数分裂2种形式，具有这些特征的生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。（二）调控最大特点调控直接受环境及营养状况的影响。调控是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖的最优化（原核既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领）。所以调控体现1个“快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。（适应环境获取营养、解决“温饱”问题。）遗传程序调控、按“既定方针办”如动物1个受精卵，按遗传程序开开关关基因，发育成成熟个体，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化的基础。仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能（“处世不惊”）。（三）调控主要水平真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平。因为：1.任何连锁反应控制第一步是最经济和最有效的（既不需要，何必转录）。2.RNApol没有纠错功能（DNApol有）微调DNA水平转录后水平原核调控余步不大，因其转录翻译同一个compt进行。翻译水平是原核次要调控水平。翻译后水平（四）调控的基本方式真原核调控的基本方式都是通过调控因子：1.蛋白质（主）2.核酸和3.小分子化合物之间的识别和相互作用对基因表达实现正控制或负控制（也称正调控和负调控）。（五）调控物质的化学本质蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。病毒基因表达调控各种病毒、噬菌体等除部分带有RNApol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。（七）基因表达的时间性和空间性（1）时间特异性：按功能需要，某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（2）空间特异性：在个体生过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。（八）基因表达的方式（1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的，一些基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有细胞或组织中几乎是不变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类，它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（housekeepinggene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基因表达或基本性的表达（constituteexpression）。（2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化而变化，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基因称为可诱导基因（induciblegenes），反过来有些基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏，这类基因称作可阻遏基因。例如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。六、操纵子上世纪60年代法国分子生物学家Jacob和Monod在E.coliβ一半乳糖苷酶诱导生成研究中，发现了适应酶（adaptiveenzyme）基因负调控系统，提出著名乳糖操纵子模型（Lacoperon），是基因调控研究的1个里程碑。细菌调控的1个共同特点是1个启动子作用1组基因，一般地说1个细菌代谢途径所需要的酶是由1组基因所编码的，这样的1组基因就是操纵子。1.操纵子（operon）概念是发现于细菌体内的1种基因调节单位，由控制区和信息区组成，信息区包括相邻的，功能相关的结构基因，在控制区的调节下转录成mRNA，控制区主要含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些操纵子尚含有衰诚子。2.类型与结构不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。（1）可诱导的操纵子(incidubleoperon)加入调节小分子开启基因转录活性，这种作用及其过程称诱导(induction)产生诱导作用的小分子称诱导物(inducer)。诱导物一般为操纵子编码的酶蛋白分解的底物。如：乳糖操纵子（乳糖）。（2）可阻遇的操纵子(repressibleoperon)加入调节小分子，关闭基因转录活性这种作用及过程称阻遏(repression)，产生阻遏的小分子物质称辅阻遏物(corepressor)。辅阻遏物一般为操纵子编码的酶合成的物质（产物）如：色氨酸操纵子（色氨酸）。第一节原核生物基因表达的调控从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。一、DNA水平的调控DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。机制1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。3.h2-rh1转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因启动子H1OFFOFFOnOnOnmRNAH2蛋白阻遏物蛋白倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因OFFOFF启动子H1OnOnmRNA可倒位区倒位基因DNA序列位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）转录单元上游，全长995bp。IRL、IRR995bp左右末端倒转重复顺序（反向重复顺序、也称回文顺序、（palindiome、invertedrepeatsequence）即在DNA链上正读反读有一样意义的序列）各长14bp。hinhin基因位于995bp序列中，其编码的蛋白产生可催化995bp序列倒位。当启动子Ph2向h2时，h2-rh1转录单元表达H2抗原-h1阻遏蛋白，h1不能表达。当995bp序列倒位后，启动子Ph2倒向另一侧，背离h2，h2-rh1不能表达，h1表达。h1、h2基因并不紧密连锁。二、转录水平的调控转录是基因表达的第一步：RNApol只有聚合作用，没有校正功能。转录精确性依赖于:1.一个精确起点。2.据碱基互补准确转录DNA序列生成mRNA。3.一个特异性的转录终止部位。转录是基因调控主要水平。影响转录因素较多，研究得也较为清楚，从原核生物来说基因调控的基本要素是：转录起始，终止和mRNA的快速转换。（一）影响转录的因素1.2.启动子和起始因子启动子启动基因转录，起始因子识别启动子。概念1.启动子（promoter）2.起始因子（sigma）促进DNA转录的DNA顺序，是DNA分子上可与RNApol结合并使之转录的部位。又称启动基因，但启动子本身不被转录。σ因子，有称起始因子，是RNApol组成的亚基之一（α2ββσ）,重要功能是识别启动子。种类有强弱之分。强促转录效率高，弱次之。不同基因种有不同的σ因子，都可识别特征序列一致的启动子，σ因子的更换对细菌的时序调控非常重要。如E.coli启动子全长约40~60bp，3个功能部位，2个重要功能：（1）起始部位转录合成的第一个互补碱基对，用+1表示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有O的位置。（2）结合部位RNApol与启动子结合位置，位于-10bp，富含AT，同源性强，又称TATAbox或pribnow盒。（3）识别部位位于-35区，RNApol识别启动子部位，保守性极强。（1）主要功能是识别P（特别是其R位点），与P的选择、转录方向及哪能一条DNA链转录有关。和α2ββ构成全酶，参入RNApol与P的结合，（2）通常情况下，E.coli没有σ因子更换，当环境升温（42~50℃时，σ32（KD）大量增加，σ32是一种特殊的亚基，负责热休克蛋白基因的识别。σ32的由rpoh（旧称hipR）基因编码。结构功能特点（4）决定转录方向及那一条DNA链作模板（以信息链的互补链作模板，转录mRNA与信息链一致）。（5）决定转录效率、与标准序列越一致越强。强P与标准序列一致，弱次之。热休克反应（heatshockresponse）由于E.coil环境温度升高导致某些基因迅速表达的这种现象称之.σ32作用机制及这类基因表达调控机制是研究一热门,但机制并非太清楚。标准（一致）序列—因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相应的σ称之为标准σ、为σ70。3.阻遏蛋白概念是一类由调节基因编码，在转录水平对基因表达产生负调控作用（关闭基因表