第十三章基因表达调控

第十三章基因表达调控[本章要求]1.掌握基因表达的概念，表达的特点及基本规律，调控的方式和意义。2.掌握基因表达的基本要素：顺式作用元件和反式作用因子及调节蛋白的相互作用3.掌握乳糖操纵子的结构及其调节原理4.了解真核基因表达调控的基本原则。[内容提要]基因表达调控的基本内容是介绍细胞或个体生长过程中基因表达的方式、规律及调节机制，以及这些表达规律、调节机制与发育、分化的关系，个体与环境的适应。一、基因表达的概念及意义基因表达就是指基因转录和翻译的过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质分子，有些基因只转录合成RNA分子，如rRNA、tRNA等。这些基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。原核生物，如细菌调节基因表达是为适应环境变化，调节代谢、维持细胞生长与分裂。真核生物，如动物乃至人类在环境变化及个体生长、发育的不同阶段调节基因的表达既为调节代谢、适应环境，也为维持生长、发育与分化。二、基因表达的规律与方式1.基因表达的规律性可分为阶段特异性和组织特异性两种：阶段特异性：按功能需要，原核生物某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。多细胞真核生物从受精卵到组织器官形成经历不同发育阶段。在各个发育阶段，相应基因严格按一定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。因此，多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。组织特异性：在多细胞真核生物中，同一基因在同一发育阶段的不同组织器官表达水平是不一样的；在发育、分化的特定时期内，不同基因在同一组织细胞内表达水平也不一样，即基因在不同组织空间表达不同，这就是基因表达的空间特异性，又称组织特异性。原核生物基因表达无组织特异性。2.基因表达的方式不同基因功能不同，调控机制不同，基因表达的方式也不同。基本的基因表达：有些基因在生物个体生命全过程的几乎所有细胞中持续表达，称为基本的基因表达。这类基因通常被称之为管家基因。基本的基因表达并非绝对一成不变，其表达也是在一定机制控制下进行的。诱导与阻遏：大多数基因表达状况极易受外环境变化的影响，有些基因在特定环境中或特殊条件刺激下表达水平增强，称作诱导。这类基因被称为可诱导基因。相反，如果基因在对环境信号应答时表现为表达水平降低，称作阻遏。这类基因就是可阻遏基因。刺激诱导发生的信号分子称为诱导剂，引起阻遏发生的分子称为阻遏剂。三、基因表达的多级调控从基因激活至蛋白质合成的各个环节，如基因活化、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及蛋白质降解等任一环节发生异常，均会影响某个基因的表达水平。四、基因表达调控要素基因表达调控是在多级水平上进行的，其中转录起始是基本控制点。以mRNA转录为例，参与mRNA转录调节的基本要素如下：1.DNA元件DNA元件是指具有调节功能的特异DNA序列。原核生物大多数基因的表达通过操纵子机制调控。操纵子由启动序列、操纵序列等调节序列及其下游的编码序列串联组成。启动序列是RNA聚合酶结合并起动转录的特异DNA序列。操纵序列一般与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点。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，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子还有一些具有调节功能的DNA序列，可结合基因激活蛋白CAP，介导正性调节。大多数真核基因调控以正性调节为主，这些调节机制普遍涉及编码序列两侧的、具有调节功能的DNA序列，称为顺式作用元件。根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些机能元件区分为启动子、增强子及抑制子。2.调节蛋白大部分属序列特异的DNA结合蛋白。根据调节蛋白的功能，原核调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别及结合能力，σ因子就是一种典型的特异因子。阻遏蛋白可结合操纵序列，阻断RNA聚合酶与启动序列的结合，或阻遏RNA聚合酶的转录活性，介导负性调节。激活蛋白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。分解代谢基因激活蛋白CAP就是一种激活蛋白，介导正性调节。真核基因转录调节蛋白又称转录(调节)因子，或反式作用因子。这些转录因子又分为基本转录因子、增强子结合因子和转录抑制因子三类。3.RNA聚合酶DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节作用最终由RNA聚合酶的活性来体现。RNA聚合酶活性受启动序列或启动子的结构、调节蛋白的性质影响。五、原核基因表达调控1．原核基因表达及调控的特点原核基因表达及其调控具有下述特点：(1)原核基因表达时转录与翻译过程紧密偶联。(2)操纵子调节机制在原核基因调控中具有普遍的意义。（3）在操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节。(4)原核基因转录合成多顺反子mRNA。(5)原核基因转录起始是控制基因活性的关键。2.原核基因表达调控基本原理—操纵子操纵子的概念：所谓操纵子就是由功能上相关的一组基因在染色体上串联、共同构成的一个转录单位。一个操纵子通常含一个启动序列及数个可转录的编码基因，除启动序列和编码序列，操纵子内还含有其它具有调节功能的序列。乳糖操纵子的结构：大肠杆菌的乳糖操纵子含z、y及a3个结构基因，分别编码β—半乳糖苷酶、透酶和乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O、一个启动序列P及一个调节基因i。i基因编码一个阻遏蛋白，后者与O序列结合，操纵子受阻遏而处于关闭状态。在启动序列P上游还有一个分解代谢基因活化蛋白CAP的结合位点。由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。结构基因即由这一调控区调节，共同表达或关闭。在乳糖操纵子中，阻遏蛋白介导负性调节；在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态。此时，i基因在Pi启动基因操作下表达一种阻遏蛋白，此阻遏蛋白与0序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录起动。当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导，CAP蛋白介导正性调节，分解代谢基因激活蛋白CAP分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性；当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。六、真核基因表达调控1.真核基因结构特点(1)真核基因的转录产物为单顺反子，即一个结构基因转录生成一个mRNA分子、翻译合成一条多肽链。(2)高等真核基因中重复序列比原核更多、更普遍。某些重复序列发生在调控区，对DNA复制、转录调控具有重要意义。(3)真核基因是不连续的，即在真核基因可转录的基因序列内部有内含子和外显子序列。初级转录本经剪接加工形成成熟的mRNA。不同的剪接方式形成不同的mRNA。因此，转录后产物的剪接过程也是真核基因表达调控的重要环节。2.真核基因的转录特点在下述方面真核与原核基因转录存在明显差别。（1）活性染色体结构变化。(2)正性调节占主导。(3)转录与翻译分隔进行。3.真核基因转录激活调节有关概念顺式作用元件：是转录调节因子的结合位点或DNA序列，包括启动子、增强子和抑制子。真核基因启动子是指RNA聚合酶Ⅱ起动位点周围的一组转录控制组件；每个启动子包括至少一个转录起始点以及一个以上的机能组件，转录调节因子即通过这些机能组件对转录起始发挥作用。在这些调节组件中最具典型意义的就是TATA盒子，它通常位于转录起始点上游—个转录25bp至—30bp，控制转录的准确性和频率。所谓增强子就是远离转录起始点、决定组织特异性表达、增强启动子转录活性的特异DNA序列，其发挥作用的方式与方向、距离无关。从功能方面讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子，增强子也无法发挥作用。增强子和启动子有时分隔很远，有时连续或交错覆盖。某些基因有负性调节元件—抑制子的存在。有些DNA序列即可作为正性、又可作为负性调节元件发挥顺式调节作用，这取决于不同类型细胞中DNA结合因子的性质。反式作用因子：又称转录调节因子或转录调节蛋白。按功能特性可将转录因子分为如下(1)基本转录因子。RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各有一组转录因子，它们是三种RNA聚合酶结合各自启动子所必需的。例如，TFⅡ类转录因子为所有mRNA转录起动共有，故称基本转录因子。(2)转录激活因子。凡是通过DNA—蛋白质、蛋白质—蛋白质相互作用起正性转录调节作用的因子均属此范畴。增强子结合因子就是典型的转录激活因子。这类反式作用因子是某一种或—类基因所特有。(3)转录抑制因子。包括所有通过DNA—蛋白质、蛋白质—蛋白质相互作用产生负性调节效应的因子。这类因子往往属某一基因所特有。大多数转录因子结构包括不同的功能区，如DNA结合区、转录激活区顺式作用元件与反式作用因子之间的DNA—蛋白质相互作用、反式作用因子之间的蛋白质—蛋白质相互作用是转录起始复合物形成过程中重要的反应形式。mRNA转录激活及其调节：与原核不同，真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别启动子，而是先由基本转录因子TFⅡD识别TATA元件或启动元件并与之特异性结合，形成TFⅡD—启动子复合物，这一过程由TFⅡA促进；接着由TFⅡB加入装配，结合到启动子DNA上。在TFⅡF等参与下，RNA聚合酶Ⅱ与TFⅡD、TFⅡB聚合，形成一个功能性的前起始复合物。在几种基本转录因子中，TFⅡD是唯一具有与位点特异的DNA结合能力的因子，在复合物组装过程起关键性作用。很多特异转录调节因子均以TFⅡD为靶分子控制转录起始。测试题一、单项选择题(在备选答案中只有一个是正确的)1.基因表达产物A.是DNAB.是RNAC.是蛋白质D.大多是蛋白质，有些是RNAE.是酶和DNA2.原核基因表达调控的意义是：A.调节生长与分化B.调节发育与分化C.调节生长，发育与分化D.调节代谢，适应环境E.维持细胞特性和调节生长3.真核基因表达调控的意义是：A.调节代谢，适应环境B.调节代谢，维持生长C.调节代谢，维持发育与分化D.调节代谢，维持生长、发育与分化E.调节代谢，适应环境，维持生长、发育与分化4.下述关于管家基因表达描述最确切的是：A.在生物个体的所有细胞中表达B.在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中持续表达C.在生物个体全生命过程的部分细胞中持续表达D.在特定环境下的生物个体全生命过程的所有细胞中持续表达E.在特定环境下的生物个体全生命过程的部分细胞中持续表达5.基本的基因表达：A.有诱导剂存在时表达水平增高B.有诱导剂存在时表达水平降低C.有阻遏剂存在时表达水平增高D.有阻遏剂存在时表达水平降低E.极少受诱导剂或阻遏剂影响6.紫外线照射引起DNA损伤时，细菌DNA修复酶基因表达反应性增强，这种现象称为A.诱导B.阻遏C.基本的基因表达D.正反馈E.负反馈7.根据目前认识，大多数基因表达调控基本环节是：A.发生在复制水平B.发生在转录水平C.发生在转录起始D.发生在翻译水平E.发生在翻译后水平8.顺式作用元件是指下述的：A.TATA盒和CCAAT盒B.具有调节功能的DNA序列C.5′侧翼序列D.3′侧翼序列E.非编码序列9.乳糖操纵子中的i基因编码产物是：A.一种激活蛋白B.一种阻遏蛋白C.一种β—半乳糖苷酶D.透酶E.乙酰基转移酶10.阻遏蛋白结合乳糖操纵子中的：A.0序列B.P序列C.i基因D.Y基因E.Z基因二、多项选择题(在备选答案中有二个或二个以上是正确的，错选或未选全的均不给分)1.基因表达产物：A.可以是DNAB.可以是tRNAC.可以是mRNAD.可以是rRNAE.可以是蛋白质2.基因的组织特异性表达可表现为：A.在同一组织不同基因表达不同B.在不同组织同一基因表达不同C.在不同组织不同基因表达不同D.在同一组织不同基因表达相同E.在不同组织同一基因表达相同3.直接参与乳糖操纵子调控的因素有A.i基因编码蛋白B.Z基因编码蛋白C.CAPD.Y基因编码蛋白E.乳糖4.参与原核基因表达调控的因子可以是A.激活蛋白B.阻遏蛋白C.基本转录