第7章 基因表达的调控1_原核

第7章基因表达的调控第一节基因表达调控概述第二节原核细胞的基因表达调控第三节真核细胞的基因表达调控本章主要内容第一节基因表达调控概述1.1基因表达调控的概念1.2基因表达调控的元件和作用方式1.3基因表达调控的策略概述1.1基因表达调控的概念基因表达(geneexpression)是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物(如tRNA，rRNA等)的过程。真核细胞基因表达*基因表达调控的必要性细菌基因组一般编码约4,000个基因，人的基因组中含有30,000多个基因。设想一下如果这么多的基因同时表达会出现什么样的情况?多细胞生物每个细胞都含有全套基因组(细胞的全能性)，但是每个细胞表达的基因种类和数量却不一样。如植物和进行光合作用的细菌中的Rubisco酶是自然界中含量最丰富的酶，占叶片中蛋白的50%以上。细菌中蛋白质合成的延伸因子是细菌中最丰富的蛋白血红蛋白只在红细胞中存在DNA修复系统的酶需要量很少有些基因(如决定细胞性质的基因)只在某一些或几个细胞中表达蛋白质合成的成本非常高，容不得浪费。真核细胞中，总共有超过300种不同的大分子来参与蛋白质的合成，蛋白质合成消耗的能量占细胞内化学合成能量消耗的90%以上。在一个典型的细菌中，含有20,000核糖体,100,000相关蛋白和酶;200,000tRNAs。这些成分占细胞干重的35%以上！发育调节基因bithorax表达模式的改变结果果蝇发育中基因的正常表达改变的结果Hutchinson-Gilfordsyndrome金鱼草35S-UFOWildtypeagWildtype1.2基因表达调控的元件和作用方式持家基因，看家基因，组成型表达基因，常备基因。理论上在所有的细胞中都能进行正常表达，并为所有类型细胞的生命活动提供基本功能的基因，其产物在不同细胞中的浓度大体保持一致，不易受环境条件的影响。有其机密的调控机制以保持基因的表达水平保持在恒定状态。奢侈基因(luxurygene)又叫可调节基因，是在特殊的细胞类型中为特化功能蛋白质编码的基因，其表达和调控机制都受到环境条件的影响。奢侈基因(luxurygene)在不同时期和不同条件下基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱等，是受到调节控制的，这种控制被称为基因表达的调控。基因的阻遏---与诱导相反，某种信号使得基因的表达水平降低(或叫下降、下调)，基因的产物减少。这个过程叫做“阻遏”(repression)。基因的诱导－指某种信号使得基因的表达水平提高(或叫上升、上调)，基因的产物增多。这个过程叫做“诱导(induction)。结构基因(structuralgene)指编码蛋白质或RNA的任何基因。它们编码功能各异的蛋白质和RNA，作为酶、细胞骨架结构以及调节蛋白等。调节基因(regulatorgene)是参与其他基因表达调控的基因，编码的产物是RNA或蛋白质。调节基因的产物(RNA或蛋白)通过与特定的DNA序列结合来调节其他基因的表达。可以使基因的表达上升(正调控，positiveregulation)或下降(负调控，negativeregulation)。调节基因一般位于受调节基因的上游，但也有例外。结构基因与调节基因反式作用与顺式作用反式作用因子与顺式作用元件基因活性的调节主要是通过反式作用因子和顺式作用元件的相互作用而实现的。一个基因的产物，如蛋白质或RNA(tRNA、rRNA等)如果对另一个基因的表达具有调控作用，则被称为反式作用因子。编码反式作用因子的基因与受调控的基因可在同一DNA分子上，也可不在同一DNA分子上。反式作用因子可通过扩散结合于细胞内不同染色体上的靶位点。反式作用因子的种类很多，例转录因子。真核生物基因在无转录因子存在时处于不表达状态，因为RNA聚合酶自身无法直接启动基因转录，只有当转录因子与启动子结合后，基因才能开始转录。激活蛋白(activator)，或叫做激活子，又称无辅基诱导蛋白(apoinducer)，是由调节基因编码的调节蛋白，可以开启结构基因的转录。转录因子就是属于激活蛋白，又叫反式激活因子。阻遏蛋白(repressor)，由调节基因编码的调节蛋白，由本身或与辅阻遏物一起阻遏结构基因的转录。激活蛋白与阻遏蛋白对结构基因转录的调控顺式作用元件(cis-actingelement)是指与相关基因处在同一DNA分子上，能起调控作用的DNA序列，它们一般不转录任何产物，位于基因的5’上游区、3，下游区或基因内部。与反式作用因子不同的是顺式作用元件不能移动。顺式作用元件包括启动子、终止子、增强子、衰减子、沉默子和各种应答元件等，它们都有顺式调控作用。顺式作用元件对基因表达调节的活性只局限于影响与其同处在一个DNA分子上的基因。基因的转录就是属于反式作用因子(RNA聚合酶，转录因子)与顺式作用元件(启动子、增强子等)相互作用的结果。顺式作用元件与反式作用因子对结构基因转录的调控正调控系统与负调控系统在一个基因转录调控的体系中，调节基因编码的调节蛋白是激活蛋白，这样的基因表达调节体系叫正调控系统。真核基因的转录中，转录因子对基因转录的调控就是一个正调控系统。在正调控系统中，基因开启转录的必要条件是要有调节蛋白的存在，否则基因就无法转录。如真核基因转录时，仅有RNA聚合酶是不够的，还必须有转录因子等调节蛋白存在。正调控系统与负调控系统在基因转录的调控中，调节基因编码的调节蛋白是阻遏蛋白，本身或与辅阻遏物一起阻止结构基因的转录，这样调节系统叫负调节系统。但当有诱导物与阻遏蛋白结合后，阻遏蛋白就会失去活性使结构基因得以转录。在负调节系统中，基因一般是不转录的，因为转录被阻遏蛋白抑制。基因开启转录的必要条件是除去阻遏蛋白。正调控负调控1.3基因表达调控的策略概述原核生物的基因表达主要取决于环境因素的诱导及细胞对环境条件的适应。原核生物是单细胞生物，直接生活在复杂多变的环境中，食物供应毫无保障。为了维持自身的生存和繁衍，必须不断地通过对自身基因的表达调节以适应环境中的营养条件和应付各种不利的理化因素。真核生物的基因表达则十分复杂，其调控系统也更为完善。真核生物的代谢途径和食物来源都是比较稳定的，但它们的绝大多数都是多细胞的复杂有机体。真核生物在个体发育过程中出现细胞分化，形成组织和器官。真核生物中基因表达调控的明显特征是能在特定时间和特定细胞中激活特定基因的表达，实现分化和发育，并使组织和器官保持正常功能。尽管许多主要的基因调控方式是原核生物和真核生物共同具有的，但它们在调控策略上有明显的不同，在调控方式上也存在区别。原核生物的基因表达调控可以在DNA、转录和翻译三个不同的层次上进行，但转录水平上的调控是最主要的，尤其是转录起始的调控，这是最经济最有效的调节方式。原核生物的基因表达调控的主要策略环境因子往往是原核生物基因调控的诱导物。如一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有1～5个分子的β-半乳糖苷酶，但在含有乳糖的培养液中，每个细胞这个酶的量可达到几万个分子。细胞中其他糖代谢的酶，氨基酸和核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量也是随培养条件的变化而改变。操纵子是原核生物转录调控的主要形式原核生物的基因一般成簇排列构成一个操纵子，一个操纵子中的每个基因都受单一启动子的调控。操纵子是一个转录单位，通常每个操纵子中包括功能上密切相关的几个基因，可转录成为一个多顺反子mRNA。由于一个基因簇被共同调控，一开俱开，一闭全闭。原核细胞可以对环境条件的改变迅速作出相应的反应，而不必对每个基因逐个地进行调控。细菌中氨基酸和糖类等物质的合成和分解途径中所需要的酶类的基因都是通过组成操纵子的形式来进行调控的。如乳糖操纵子、色氨酸操纵子、阿拉伯糖操纵子等等。1937年，Monod发现细菌二次生长曲线1951年开始与Jacob合作研究1961年在法国的《分子生物学》发表《蛋白质合成过程中的调节机制》，提出操纵子学说。1965年获得诺贝尔奖1.正确预言了mRNA的存在，首次精确明白的方式提出基因的表达机制。在Crick提出中心法则时还比较模糊，他还认为是rRNA指导蛋白质的合成。操纵子学说的重大意义2.突破“一个基因一个肽”的观点，认为生物体中除了有组成蛋白的“结构基因”外，还有不翻译的基因如启动子等调节基因。3.提出操纵基因与结构基因之间有顺反效应，顺反子只相当于结构基因4.为揭开遗传密码奠定了基础，WNirenberg读到关于操纵子的文章后，立即有目的的合成了mRNA，开始密码的破解工作。1966年密码破译完毕，这些密码子全部来自mRNA。原核细胞的DNA没有核膜包裹，因此转录和翻译是耦联(coupled)。这是原核生物中衰减子负调控的基础。不少调节氨基酸或核苷酸合成代谢的操纵子存在衰减子结构。原核生物中转录水平的调控形式除了操纵子以外，还有其他形式，例如通过DNA重排、sigma因子的更换和分解代谢的阻遏来调节转录的起始，通过衰减子调控转录的终止等。在翻译水平上的调控包括通过重叠基因、mRNA二级结构和反义RNA对翻译起始的调控，通过稀有密码子对翻译延伸的调控，通过严紧反应和mRNA的稳定性对翻译终止的调控等。真核生物的基因表达调控的主要策略真核生物的基因表达和调控要比原核生物复杂得多，产生差异的根本原因在于真核细胞的结构特征。真核细胞的基因表达调控有更多的调控位点真核细胞拥有庞大的基因组，它所携带的遗传信息量远远高于原核生物。真核生物基因组DNA有许多重复序列，基因内部常被内含子所割裂，基因之间又分布着大段非编码序列。真核生物的DNA常和蛋白质结合，形成十分复杂的染色质结构。染色质构象的变化、染色质中蛋白质的变化等都会对基因表达产生重要的影响。真核生物的染色质在细胞核内，基因的转录发生在核内，翻译发生在细胞质中，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，因此不存在原核生物中发生的衰减作用调控。核内RNA的合成和转运，细胞质中RNA的剪接和翻译产物的加工等过程，都大大扩大了真核生物基因调控的范围，由此形成真核基因表达的多层次调控系统。真核基因的表达调控贯穿于从DNA到有功能蛋白质的全过程，涉及基因结构的活化、转录的起始、RNA的加工和运输以及mRNA的翻译等多个调控点。对于多细胞的真核生物个体而言，尽管不同种类的细胞一般都有相同的DNA，却能合成不同的蛋白质，在细胞的分化和发育过程中，需要按照指定的程序在不同的时空环境中对特定的基因进行活化或阻遏。在真核生物中至今未发现操纵子的存在，真核基因不是转录成多顺反子mRNA，而是单个地受启动子调控，而且基因在染色体上的排列同基因的功能和表达无关。真核基因中也不存在衰减子结构。真核生物的RNA聚合酶没有sigma因子，不能直接识别启动子，必须依靠各种转录因子帮助酶识别启动子，这就增加了调节的复杂性。真核基因调控区上的各种顺式作用元件(如启动子、增强子等)和反式作用因子(转录因子等)的相互识别可以调节转录的起始。反式作用因子通过其DNA结合域去识别和结合DNA元件，利用其转录激活域和其他蛋白质相互作用以激活转录。通过转录因子与基因5'端上游特定序列的专一性结合，保证目的基因以特定的强度在特定的时间和空间上获得表达。大部分真核生物DNA在一定的碱基(一般为胞嘧啶)上进行甲基化修饰，甲基化程度高的基因往往无转录活性，而甲基化程度低的基因一般具有转录活性。真核基因的表达能在RNA加工水平上进行调控。这种调节包括从RNA前体分子上到成熟mRNA的加工过程。这种调节可选择不同的5'端起始点、3'端的加尾位点，以及不同的内含子进行剪切，产生不同的成熟mRNA，最终翻译成不同的蛋白质。然而在原核生物中都不存在这种调控。真核生物在翻译水平上也有多种形式的调控，其中mRNA5'端和3'端的非翻译区则是翻译效率的主要调节位点。20世纪90年代末，随着RNA干扰机制的发现，人们开始认识微小RNA基因的调控作用。这类内源性基因的最终产物为RNA，但比一般的RNA短得多，能诱发转最后基因沉默，还能调节核内染色体结构与功能(包括DNA甲基化、异染色质形成、DNA剔除等)。