生物化学及分子生物学(人卫第九版)-16基因表达调控

作者:李慧张晓伟单位:北京大学医学部第十六章基因表达调控（RegulationofGeneExpression)目录第一节基因表达调控的基本概念与特点第二节原核基因表达调控第三节真核基因表达调控重点难点熟悉了解掌握1.基因表达调控的基本概念和特点2.原核基因表达调控的特点3.真核基因表达调控的特点1.操纵子的结构特点2.乳糖操纵子的作用机制3.色氨酸操纵子的作用机制4.真核细胞染色质结构与真核基因表达的关系5.真核基因转录起始及转录后的调节1.小分子RNA对真核基因表达的调节2.长链非编码RNA对真核基因表达的调节基因表达调控的基本概念与特点（BasicConceptsandFeaturesoftheRegulationofGeneExpression)第一节2.基因表达（geneexpression）基因表达就是基因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型，但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。一、基因表达产生有功能的蛋白质和RNA1.基因（gene）遗传的基本单位，是负载特定遗传信息的DNA分子片段。（一）时间特异性2.阶段特异性（stagespecificity）二、基因表达具有时间特异性和空间特异性1.时间特异性（temporalspecificity）（二）空间特异性2.细胞特异性（cellspecificity）或组织特异性（tissuespecificity）1.空间特异性（spatialspecificity）（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达2.基本（或组成性）基因表达（constitutivegeneexpression）管家基因的表达称为基本（或组成性）基因表达。基本的基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而基本不受其他机制调节。三、基因表达的方式存在多样性1.管家基因（house-keepinggene）有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，或称基本表达。这些基因通常被称为管家基因。如柠檬酸循环中催化各阶段反应的酶的编码基因。（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏2.可阻遏基因（repressiblegene）如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏基因。例如，当培养基中色氨酸供应充分时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达就会被抑制。1.可诱导基因（induciblegene）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，即这种基因表达是可诱导的。例如，在有DNA损伤时，修复酶基因就会在细菌体内被激活，使修复酶被诱导而反应性地增加。3.诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节2.基因的协调表达体现在生物体的生长发育全过程1.协同调节（coordinateregulation）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，即为协同表达（coordinateexpression）。这种调节称为协同调节。2.反式作用因子（trans-actingfactor）某些基因的调控序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这类调控基因产物称为调节蛋白质。调节蛋白质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。因此，这些蛋白质分子被称为反式作用因子。四、基因表达受到调控序列和调节分子的调控1.顺式作用元件（cis-actingelement）基因的调控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。2.转录水平的调节五、基因表达调控呈现多层次和复杂性1.DNA水平的影响DNA扩增（DNAamplification），DNA重排（DNArearrangement），以及DNA甲基化（DNAmethylation）等均可在遗传信息水平上影响基因表达。3.翻译水平的调节是基因表达调控最重要、最复杂的一个层次，转录起始是基因表达的基本控制点。翻译与翻译后加工可直接、快速地改变蛋白质的结构与功能，因而对此过程的调控是细胞对外环境变化或某些特异刺激应答时的快速反应机制。原核基因表达调控(RegulationofGeneExpressioninProkaryotes)第二节1.原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位2.操纵子（operon）：由结构基因、调控序列和调节基因组成①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称为多顺反子（polycistron）mRNA。②调控序列：包括启动子（promoter）和操纵元件（operator）a.启动子：RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒，在-35区域为TTGACA。这些共有序列决定启动子的转录活性大小。5种E.coli启动子的共有序列b.操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。③调节基因（regulatorygene）：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白3.其它调控蛋白：特异因子，激活蛋白①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和结合能力；②激活蛋白可结合启动子邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positiveregulation）。阻遏蛋白的作用：识别、结合特异的操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negativeregulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在。1.结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控2.调控区：操纵元件O、启动子P、分解代谢物基因激活蛋白（CAP，cAMP结合蛋白）结合位点（一）乳糖操纵子的结构3.调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）1.阻遏蛋白的负性调节：无乳糖时，I序列表达的Lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。2.CAP的正性调节（二）乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节3.协同调节：Lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作。诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从O序列脱离，诱导基因表达正调节物：cAMP，葡萄糖缺乏时，cAMP浓度升高机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节lac操纵子的调节1.细胞内无色氨酸时，阻遏蛋白不能与O序列结合，因此色氨酸操纵子处于开放状态，结构基因得以表达。2.细胞内色氨酸的浓度较高时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白形成复合物并结合到O序列上，关闭色氨酸操纵子，停止表达用于合成色氨酸的各种酶。3.生理意义：最大限度地减少能量消耗。三、色氨酸操纵子通过阻遏作用和衰减作用抑制基因表达（一）色氨酸操纵子通过阻遏作用抑制基因表达1.转录衰减（transcriptionattenuation）：使已经开始转录的mRNA合成终止的基因表达调节方式，称为转录衰减。这种作用是利用原核生物中转录与翻译过程偶联进行，翻译时先合成的一段前导序列L来实现的。（二）色氨酸操纵子通过衰减作用抑制基因表达2.前导序列L的结构特点①它可以转录生成一段长度为162bp、内含4个特殊短序列的前导mRNA；②其中序列1有独立的起始和终止密码子，可翻译成为一个有14个氨基酸残基的前导肽，它的第10位和第11位都是色氨酸残基；③序列1和序列2间、序列2和序列3间、序列3和序列4间存在一些互补序列，分别都可以形成发夹结构。形成发卡结构的能力依次是1/2发夹2/3发夹3/4发夹；④序列4的下游有一个连续的U序列，是一不依赖于ρ因子的转录终止信号。色氨酸操纵子的结构及其关闭机制A.前导序列的结构特征；B.在Trp低浓度时，核糖体停滞在序列1上，2/3发卡结构形成，转录继续进行；C.在Trp高浓度时，3/4发卡结构和多聚U序列使得转录提前终止3.转录衰减的机制①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行；②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。4.转录衰减的生理意义原核生物这种在色氨酸浓度高时，通过阻遏作用（粗调）和转录衰减机制（精调）共同关闭基因表达的方式，保证了营养物质和能量的合理利用。1.调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译的机制。2.细菌mRNA起始密码子上游约10个核苷酸之前的SD序列与16SrRNA序列互补的程度以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。（一）蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始。在此调控机制中，调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合。（二）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、原核基因在翻译水平受到精细调节反义控制（antisensecontrol）：有些细菌或病毒，能够转录产生反义RNA，反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制。（三）反义RNA利用结合mRNA翻译起始部位的互补序列调节翻译起始当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。（四）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度真核基因表达调控(RegulationofGeneExpressioninEukaryotes)第三节1.真核基因组比原核基因组大得多。2.原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中大约只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控。3.真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次。4.原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的协调表达。一、真核细胞基因表达特点5.真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达。6.真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。真核生物基因表达的多层次复杂调控二、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1.转录活化染色质中的组蛋白的特点（二）转录活化染色质的组蛋白发生变化①富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低；②H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加；③核心组蛋白H3、H4可发生乙酰化、磷酸化以及泛素