第六章 基因表达的调控

第六章基因表达的调控基因表达调控（gene expression regulation）是指生物体通过特定蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或调节表达产物的多少以满足生物体自身需求以及适应环境变化的过程。

第一节基因表达调控的基本规律（一）基因表达具有时空特异性时间特异性(temporal specificity)：某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，又称阶段特异性（stage specificity），空间特异性(special specificity）：在个体生长全过程，各基因在不同的组织器官中的表达种类和表达水平都不同，又称组织特异性（tissue specificity）（二）诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的主要方式管家基因（housekeeping gene）：有些基因参与生命的全过程，因此必须在一个生物体的所有细胞中持续的表达这，这些基因称为管家基因。

管家基因主要维持细胞基本生存需要：如细胞基本构成蛋白，细胞基本代谢中的酶，DNA复制过程中必需的蛋白等。

常见的管家基因：微管蛋白基因、糖酵解酶系基因，核糖体蛋白基因，甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）和β-肌动蛋白（β-actin）。

组成性基因表达（constitutive expression）：管家基因的表达只与启动子和RNA 聚合酶有关，基本上不受环境因素和其它因素的影响，这样的表达方式称为组成性基因表达。

⏹可调控型表达：仅在特定细胞或特定条件下才表达，编码具有特殊功能的蛋白产物的这类基因称为奢侈基因或可调控基因（regulated genes），如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因等。

这类基因的表达称为可调控型表达（regulated expression）。

⏹可调控型表达分为诱导和阻遏。

⏹在特定环境因素刺激下，相应的基因被激活，从而使基因的表达产物增加的过程，称为诱导(induction) ，这类基因称为可诱导基因(inducible gene) 。

⏹能够诱导基因表达的分子称为诱导剂。

⏹在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少的过程称为阻遏(repression)，这类基因称为可阻遏基因(repressible gene) 。

⏹能够阻遏基因表达的分子成为阻遏剂。

⏹乳糖操纵子的调控机制即是典型的外环境因素诱导/阻遏基因表达的典型例子，也是原核生物转录水平基因表达调控的代表例子。

⏹乳糖操纵子的组成：⏹结构基因lac Z、lac Y、lac A，分别编码β-半乳糖苷酶、通透酶、半乳糖苷转乙酰基酶；共用1个启动子Plac⏹操纵基因lac O，阻遏蛋白结合位点⏹阻遏蛋白基因lac I，具独立的启动子等调控序列，介导负性调节⏹分解代谢基因激活蛋白CAP结合位点，位于Plac的上游；CAP蛋白由位于远离操纵子的Crp基因编码乳糖操纵子的调控方式：介质中缺乏乳糖阻遏蛋白与操纵元件（O）结合阻止结构基因转录诱导表达：环境中别位乳糖或IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）浓度增高与阻遏蛋白结合并诱导其构象改变阻遏蛋白不能与操纵元件（O）结合结构基因转录⏹葡萄糖乳糖同时存在：阻遏调控•P lac为弱启动子，操纵子开放表达，但效率不高•有乳糖时，表达效率的提高也需要cAMP-CAP二聚体的作用cAMP与CAP⏹cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关⏹当细菌利用葡萄糖分解释放能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；⏹当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。

⏹能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白为CRP（cAMP receptor protein）⏹CRP未与cAMP结合时它是没有活性的⏹cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP。

（CRP-cAMP activated protein），能与CAP结合位点结合阻遏表达（三）顺式作用元件和反式作用因子的共同调节（四）蛋白质-DNA、蛋白质-蛋白质的相互作用是分子基础1、蛋白质-DNA相互作用DNA螺旋的外侧可被蛋白质识别:氢键供体—受体关系是识别的基础不同碱基对在DNA双螺旋外部点缀有序列信息对于4种碱基对排列在大沟比较暴露——蛋白质一般结合到大沟上反式作用因子含有能够阅读DNA序列的结构基序——模序2、蛋白质-蛋白质的相互作用⏹真核生物基因调节蛋白大多是复合体⏹这些复合体在合适的DNA序列存在时组装起来⏹自身不结合DNA但参与基因调节蛋白组装的蛋白质称为共激活蛋白或共阻遏蛋白（五）基因表达调控是多层次的复杂调节第二节原核生物基因表达调控⏹原核生物基因表达的特点：⏹操纵子是主要调节机制⏹多顺反子mRNA⏹转录与翻译偶联，即边转录边翻译⏹阻遏蛋白介导的负性调节为主⏹转录起始是调节的关键第三节真核生物的基因表达调控真核生物基因表达调控很复杂一、真核生物染色质结构直接影响基因转录高致密度的染色质不能转录，这可以保护DNA免受损伤，维持基因的稳定，抑制基因的表达。

染色质的致密程度依赖于：DNA的甲基化，组蛋白的乙酰化，与其它蛋白的相互作用⏹DNA甲基化（DNA methylation）是真核生物在染色质水平控制基因转录的重要机制，在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5－甲基胞嘧啶⏹DNA甲基化主要发生在某些基因5′端富含CG序列的调控序列（CpG岛）这些序列常位于启动子附近甲基化在基因表达调控中的作用⏹CpG岛的高甲基化促进染色质形成致密结构，抑制基因表达⏹DNA甲基化→甲基基团位点阻碍、甲基化CpG结合蛋白与其他蛋白共同作用改变染色质结构→阻碍转录因子与DNA作用→抑制基因表达⏹DNA去甲基化→基因表达⏹甲基化可以使遗传形成，也可以后天获得且具有可逆性⏹组蛋白乙酰化的作用⏹组蛋白乙酰化→DNA与组蛋白结合松散→转录活跃⏹去乙酰化→DNA与组蛋白结合紧密→转录抑制表观遗传染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机制是：细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置，催化子链DNA在相同位置上发生甲基化。

这种现象称为表观遗传，遗传信息不是蕴藏在DNA序列中，而是通过对染色质结构的影响及基因表达变化而实现的。

表表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。

表观遗传学研究意义⏹表观遗传的现象:DNA甲基化，组蛋白乙酰化，X染色体失活，基因组印记，核仁显性，RNA编辑等⏹表观遗传与肿瘤⏹表观遗传与环境转录活跃区域的特点⏹核小体结构松弛、缺失⏹对核酸酶敏感、超敏位点hypersensitive site⏹组蛋白乙酰化、H1缺失⏹RNA聚合酶结合位点上游和下游超螺旋构象不同⏹CpG岛低甲基化⏹这些改变便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA 聚合酶在转录模板上滑动二、转录水平调控⏹转录水平的调控的真核生物基因表达调控最重要的方式，一般通过顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用来实现。

⏹（一）顺式作用元件直接影响基因表达活性⏹顺式作用元件（cis-acting element）？。

⏹真核生物中常见的顺式作用元件包括启动子、增强子、沉默子、反应元件、poly(A)信号等。

（二）转录因子是转录调控的关键分子⏹反式作用因子（trans-acting factor）？⏹常见的反式作用因子包括RNA聚合酶、基础(普通)转录因子、特异转录因子(转录激活/阻遏因子)等⏹转录因子(transcription factor，TF)：指直接或间接结合RNA聚合酶的反式作用因子。

RNA聚合酶需要转录因子的作用才能与启动子结合⏹反式作用因子的DNA结合功能域具有一些带共性的模体结构特征，如螺旋-转角-螺旋模体、锌指模体、螺旋-环-螺旋模体、碱性亮氨酸拉链模体等。

同源异型结构域（homoedomain）：⏹由三段保守的α-螺旋，环绕一个疏水核心折叠而成，又称螺旋-转角-螺旋模体。

锌指（zinc finger）：⏹典型的锌指结构由约30个氨基酸残基组成，由12个残基构成的α-螺旋，靠Zn2+与相对的β-折叠结构相连，形成手指结构。

亮氨酸拉链（basic leucine zipper）：⏹通常以同二聚体或异二聚体的形式存在，两条多肽链的C-末端重复序列形成左手卷曲螺旋，每间隔7个残基出现一个亮氨酸，其侧链基团相互嵌合，故称之为亮氨酸拉链。

螺旋-环-螺旋模体（helix-loop-helix）：⏹通常以二聚体的形式存在，每条多肽链由两段α螺旋构成，其间由一段环状结构相连接。

三、转录后水平的调节是基因表达调控的补充⏹原核生物mRNA不需要加工修饰即可作为模板翻译蛋白质，边转录边翻译。

⏹真核生物mRNA作须经复杂的加工修饰，其主要的加工修饰方式包括加帽、加尾、剪接、编辑等。

参与转录后调节的部分机制⏹ 1、mRNA 修饰（加帽，加尾）调节 ：⏹ 5´-端帽子和3´-端尾部可以提高mRNA 的稳定性，防止mRNA 被核酸酶迅速降解； ⏹ 5´-端帽子也可提高翻译的效率并有利于mRNA 向胞浆中转运2、选择性剪接使同一基因产生不同形式蛋白质3、转录后沉默使已转录基因失活RNA 干涉作用（RNA interference, RNAi ）是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象，通过引起特异性的mRNA 模板的降解来实现转录后沉默。

这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默。

⏹ RNAi 利用一种特异性的双链RNA （dsRNA ）来干涉内源性基因的表达。

四、翻译水平的调控⏹ 翻译水平的调控是真核生物基因表达调控中决定蛋白质合成速度的环节。

⏹ 1、mRNA 非翻译区的二级结构对翻译的影响⏹ 真核生物：mRNA 5’ 帽子处如存在稳定的发卡结构，起始因子就不能有效地与帽子结构结合，从而影响到起始效率。

⏹ 原核生物：起始密码子如果存在着较稳定的发卡结构，翻译的起始效率会急剧下降⏹ 2、翻译起始因子的可逆磷酸化对翻译的影响⏹ 翻译起始因子的磷酸化作用可对翻译的速度进行调控。

⏹ 如eIF-4F 被磷酸化激活，蛋白质生物合成增强；eIF-2被磷酸化修饰后活性降低，蛋白质合成起始复合物不能形成，翻译过程受到抑制。

五、翻译后水平的调控● 蛋白质翻译后的折叠● 新生肽链的水解：包括N-端蛋氨酸或甲酰蛋氨酸的水解切除，信号肽的水解切除 ● 肽链中氨基酸的共价修饰：乙酰化、糖基化、甲基化● 蛋白质分拣、运输、定位到细胞或亚细胞部位 dsRNA 特异性的酶降小片段RNA （siRNA ）RISC 识别并结合siRNA 在siRNA 指引下识别其的同源RNA 并降解。