生物基因的表达及调控

从基因到蛋白质
--生物基因的表达及调控
苏 川
chuansu@njmu.edu.cn
南京医科大学病原生物学系 86862774 江苏省病原生物学重点实验室 86862773
一、基因表达的概述：
从基因到蛋白质――中心法则：
转录 复制
翻译
DNA
逆转录
mRNA
蛋白质
二、基因表达调控的基本概念与原理：
1. 基因表达调控的概念及方式：
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2.
3.
4.
反式作用因子与顺式元件结合的调节： 顺式作用元件包括： 上游启动子元件 远距离的增强子元件（上游增强子元件、下游增强 子元件） 反式作用因子作用方式的调节： 反式作用因子通过下列不同的方式作用到RNA聚合酶结合 位点从而影响其转录活性： 成环 扭曲 滑动 连锁反应 反式作用因子的组合式调节： 几种不同的反式作用因子组合，发挥特定的作用。
白、激活蛋白、特异因子、转录因子等均可通过增强或者干扰DNA 聚合酶与启动子之间的结合，调节基因的起始。
三、原核生物的基因表达调控：
原核生物结构简单、无细胞核，转录和翻译过程耦联在一起， 对环境条件的变化反应迅速，可以根据环境因素的变化迅速 调整自身基因的表达，满足其生长和繁殖的需要。原核基因 表达调控的特点为：
真核基因通常与组蛋白（histone）结合形成核小体，从而保护 DNA免受损伤，维持基因组稳定，抑制基因的表达。影响基因 表达水平的主要有： 组蛋白的含量 组蛋白的结构 调节蛋白与组蛋白H1和H5竟争和DNA的结合，从而解除 组蛋白对基因表达的抑制作用。
2. 基因修饰对基因表达的调控作用：
4. 基因扩增：
细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加的现象， 它是细胞在短期内为满足某种需要（发育需要、外界环境 因素）而产生足够的基因产物的一种调控手段。
5. 基因重排：
基因重排是指某些基因片段改变原来的存在顺序，通过调整有 关基因片段的衔接顺序，重新组成为一个完整的转录单位。一 种熟知的以基因重排来调节不同基因表达的例子是哺乳动物免 疫球蛋白各编码区的连接： 1) 2) 一个免疫球蛋白分子包括两条相同的轻链和重链。 轻链：可变区、恒定区、连接区都由位于同一染色体不同 位置的DNA片段编码，在形成活性基因前，上述各一个基因 通过染色体内重组成连到一起。 重链：可变区、恒定区、连接区、歧化区
四、真核生物的基因表达调控：
真核生物基因表达调控与原核不同点在于： 1. 2. 3. 4. 转录激活与染色体转录区特定结构相适应 正性调节占主导 转录与翻译在空间上的分离 更多、更复杂的调控蛋白
（一）、DNA水平的调控（真核生物表达调控的次 要和辅助手段）：
1. 染色质（chromatin）结构对基因表达的调控作用：

转录起始的调控：
基因表达的转录水平调控主要通过反式作用因子、顺式作用元 件和RNA聚合酶的相互作用来完成。调控机制涉及反式作用因 子的激活及反式作用因子的作用等。
1.
反式作用因子的活性调节：
1) 2) 3) 4) 表达调节：迅速合成、迅速降解 共价修饰：磷酸化－去磷酸化、糖基化 配体结合：激素－激素受体（是核内的反式作用因子） 蛋白质与蛋白质相互作用：max蛋白－c-myc蛋白（核内 的反式作用因子）


普遍存在操纵子调控模式
通过特异的阻遏蛋白或激活蛋白调节基因的转录 转录与翻译的耦联
1.
转录水平的调控：
1) 乳糖操纵子的调控：
阻遏蛋白对乳糖操纵子的调节
2） 其它转录调控机制： • 转录衰减： • 基因重组： 2. 翻译水平的调控：
1) SD序列对翻译的影响：SD序列是原核生物mRNA起始密码子 AUG上游3-10碱基的由3-9个碱基组成的一个富含嘌呤核苷酸的 序列，能与核糖体小亚基16s rRNA3’末端富含嘧啶的序列互补， 从而使核糖体与mRNA结合，开始翻译。 mRNA的稳定性：原核细胞内mRNA通常很快被降解。例如：E. coli的许多mRNA在37℃时的平均寿命只有大约2分钟。
3.
RNA编辑的调控： RNA编辑（editing）：是指转录后的mRNA前体在 编码区发生核苷酸改变的现象，从而产生出氨基酸序 列不同的蛋白质。包括：
核苷酸的替换 核苷酸的插入或缺失 mRNA前体经过加帽、加尾、剪切等加工后通过核膜孔从核 内运至胞浆。 大约只有20%的mRNA进入胞浆，留在核内的mRNA约50% 会在1小时内降解。
3.
真核生物蛋白质合成的自体调控： 某些蛋白可抑制其自身mRNA的翻译
（五）、翻译后水平的调控：
mRNA翻译的产物－－新生多肽链大多是没有生物 学流行性的，必须经过加工、修饰才能成为有流行 性的蛋白质，加工、修饰过程包括： 1. 信号肽的切除：由15－30个疏水氨基酸组成的信 号肽可使蛋白质从内质网膜进入高尔基体。 2. 新生肽链的修饰：磷酸化、羟基化、糖基化、乙 酰化等。 3. 肽链的剪切与正确折叠
亮氨酸拉链（leucine zipper） 螺旋－转角－螺旋（helix-loop-helix）
4) RNA聚合酶对基因表达的影响： A. 转录起始是通过RNA聚合酶与启动子的结合来实现的，转录 起始的调控是基因表达调控中最重要、最基础的调控点之一。 B. 不同启动子的序列不同，因而影响它们与RNA聚合酶结合的 亲和力，亲和力的不同继而直接影响转录起始的频率。 C. RNA聚合酶和启动子的结合也会受到调节蛋白的影响,阻遏蛋
1)
特异DNA序列对基因表达的影响： 真（原）核生物DNA分子上的特定序列构成了基因表达的基 本信号：起始密码、调控序列、编码序列、终止密码、单拷贝 序列、重复序列等。
2) DNA与蛋白质之间相互作用对基因表达的影响：
A. DNA上的特定序列可以与相应的蛋白质结合，这些蛋白质依其作用分 为： 阻遏蛋白（repressor）：与操纵序列结合，阻遏基因的转录。 激活蛋白（activator）：与启动子中的特定序列结合，增强转录。 特异因子 转录因子（transcription factor, TF）也称反式作用因子（transacting factor）：通过与顺式作用元件结合，调节转录活性 B. DNA-蛋白质之间的结合通常是非共价键的形式，通过蛋白质分子中特 殊的结构域与DNA分子中双螺旋结构的大沟结合，调节基因的转录。

转录起始复合物:
转录起始复合物的形成过程有三步： TATA因子结合TATA盒（形成TATA因子－DNA复合物） RNA pol识别并结合TATA因子－DNA复合物（闭合复合物， DNA双链没有打开，不能启动转录） 转 录 起 始 因 子 与 RNA pol结 合 ， 形 成 转 录 起 始 复 合 物 （开放复合物，DNA双螺旋已打开，可以合成RNA）
3)
（二）、转录水平的调控：
转录水平的调控是真核基因表达调控中最重要的环节， 大多数生物基因在转录水平的调控是决定细胞质中 mRNA水平的一个最重要方式，调控主要通过反式作用 因子和RNA聚合酶的相互作用来实现。 反式作用因子是一类细胞核内存在的蛋白质，是与特异的DNA
序列（顺式作用元件）结合的调控蛋白。它通过识别并结合上游 启动子元件和增强子中的顺式元件，激活或阻遏基因的表达。它 包括三个功能域： DNA识别结合域（常有锌指结构） 转录活性域（富含某些特定氨基酸如谷氨酰氨） 蛋白质相互作用结构域（常具有亮氨酸拉链结构和螺旋－ 环－螺旋结构等）。
1) 2) 3) 基因：一个遗传单位，是一段可表达的DNA序列。 基因组：一个单倍体细胞或病毒颗粒的全套基因。人类基 因组含约4万个基因。 基因表达：基因所包含的遗传信息通过转录生成RNA，再 经过翻译生成蛋白质的过程。一般而言，在某一特定时刻， 高等生物仅有不到15%的基因表达。 基因表达调控：基因表达有其特定的规律，并受到机体各 种因素的调节和控制。对基因的表达实施精确的控制，使 细胞适应不同阶段、不同环境条件下的生长与发育的需要， 维持机体正常生命活动，有着重要意义。 可诱导基因：基因表达的时间特异性 基因表达的空间特异性（组织特异性） 看家基因:
常见的DNA-蛋白质结合域有：
螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix） 锌指（zinc fingers）
3) 蛋白质之间相互作用对基因表达的影响：
A. 调节蛋白通常通过二聚体（dimer）或多聚体（polymer）的形 式与DNA结合 B. 不同的调节蛋白也可以相互作用或结合后，再与DNA特定部 位结合，调节同一基因的不同转录水平，尤其多见于真核生物。 C. 蛋白质之间相互作用的典型特征包括：
4)
2. 基因表达调控的基本原理：
原核生物和真核生物的基因表达调控尽管在细节上差异 很大，但两者的调控模式和原理极为相似。 调节作用主要包括核酸之间的相互作用、核酸与蛋白质 之间的相互作用以及蛋白质之间的相互作用。 调控作用可能是正向的或负向的。 调控点可以位于基因表达过程的各个环节，如基因的激 活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、 翻译后加工和蛋白质降解等。
（三）、转录后水平的调控：
转录后水平的调控一般是指基因转录后对转录产物 进行一系列修饰、加工过程，主要包括mRNA选择性 剪切、胞内定位以及mRNA稳定性调节： DNA（核内） 转录 mRNA前体 加工 成熟mRNA 运输 细胞质
1. mRNA前体加帽、加尾以调控其稳定性： 5’加帽（capping）：7－甲基鸟苷三磷酸 3’端加尾（tailing）：多聚A（Poly A） 2. mRNA前体的选择性剪接（splicing）与拼接： 1) 选择性剪切：去除mRNA前体中的内含子 2) 选择性拼接：从同一基因产生若干种有部分相同结 构的蛋白质，即通过Mrnau前性的选择性拼接而产 生不同的成熟mRNA，然后翻译成不同的蛋白质。 3) 选择性表达：多基因的基因家族中的各成员在特定 的细胞中，在一定的发育阶段和在一定的生理条件 下选择性的表达。
五、蛋白表达水平的检测
1.

蛋白质的检测：
SDS－PAGE与Western blot ELISA 蛋白质芯片
2.

mRNA的检测：
Northern blot RT-PCR Nuclei run-on 基因芯片
3.

DNA的检测：
PCR Southern blot DNA测序
SDS－PAGE与Western blot
胞嘧啶经甲基化为5-甲基胞嘧啶（常出现在5’端侧翼序列的GC 丰富区），影响DNA特异序列与转录因子的结合，使基因不能 转录或阻止转录复合物的形成。
3. 基因丢失：
1) 2) 3) 在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除掉某 些基因的活性。 染色体破碎所致的不均等分配。 仅发生在低等生物中（原生动物、线虫、昆虫、甲壳类动 物等），此现象在高等生物中迄今尚未发现。
1) 2) 许多蛋白质因子可以影响蛋白质合成的起始，如真核生物起始因 子－2（eukaryotic initiation factor，eIF-2）的磷酸化会使 其活性降低，从而减少蛋白质合成。 Recruitment factor可使masked mRNA与核糖体、氨酰基-tRNA、 蛋白质结合。
2)
3)
翻译产物对翻译的影响：有些mRNA编码的蛋白质，本身就是在 蛋白翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生 调控作用。如起始因子3（IF-3），当它合成过多时，能有效地校 正和抑制其自身的起始密码子与起始tRNA的配对而抑制翻译的 起始。另外还有核糖体蛋白、翻译终止因子等均可影响翻译过程。
4.
mRNA转运的调控：


（四）、翻译水平的调控：
翻译水平的调控主要是控制mRNA的稳定性和mRNA翻译的起始 频率，是一种迅速控制基因表达的方式，是各种高等生物广泛 采用的调控方式。 1. mRNA的稳定性，取决于： 1) mRNA的二级结构（不易受外切酶攻击） 2) 帽子及其种类 3) polyA尾的长短 4) 与mRNA结合的蛋白质的种类 2. mRNA翻译起始的调控（即控制mRNA的可翻译性）：