生物化学5基因表达调控

基因表达调控第一节基因表达调控基本概念和原理

基因表达调控的基本概念基因表达的方式基因表达调控的基本原理基因表达(geneexpression):基因转录与翻译的过程。即是指DNA携带的遗传信息通过转录传递给RNA，mRNA通过翻译将基因的遗传信息在细胞内合成具有生物功能的各种蛋白质的过程。广义的基因表达是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。基因表达调控(controlofgeneexpression)：是指对基因组中某一个基因或一些功能相近的基因表达（生物体内基因表达）的开启、关闭和表达强度的直接调节。它是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。一、基因表达调控的基本概念二、基因表达的方式

（一）组成性表达(constitutivegeneexpression)

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为管家基因(housekeepinggene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。（二）诱导和阻遏表达

适应性表达(adaptiveexpression)：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)

随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。(三)协调表达:

一定机制控制下，功能相关的一组基因,协调一致,共同表达,即协调表达(coordinanceexpression).三、基因表达调控的基本原理基因在五个不同

层次上的调控（一）基因表达的多级调控

DNA水平调控

转录调控

转录后调控

翻译调控

翻译后调控（二）基因转录激活调节基本要素1.特异DNA序列2.调节蛋白3.DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用4.RNA聚合酶1.特异DNA序列特异DNA序列主要指具有调节功能的DNA序列。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA序列——顺式作用元件。

每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列（原核生物）。调控序列中的启动子（promotor）是RNA聚合酶结合模板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。

操纵子（operon）：通常由2个以上的编码序列与启动序列（promotor）、操纵序列（operator）以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列（promotor）：RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。又称启动子。各种原核启动序列特定区域内（通常在转录起始点上游-10及-35区域）存在共有序列（consensussequence）操纵序列（operator）：与启动序列毗邻或接近的DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常与启动序列交错、重叠。启动子：指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。-35盒-10，TATA盒（cis-actingelement）真核生物编码基因两侧的DNA序列可影响自身基因的表达活性通常是非编码序列包括启动子、增强子、沉默子顺式作用元件（cis-actingelement）沉默子（silencer）

又称沉默基因、沉默元件(silencerelement)。是一种转录调控元件，特点很象增强子，但不增强转录，而是减弱转录，故称负增强子。2.调节蛋白原核生物基因调节蛋白（DNA结合蛋白）分为三类：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。阻遏蛋白（repressor）：可结合特异DNA序列——操纵序列，阻遏基因转录。激活蛋白（activator）：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）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivatonprotein,CAP）就是一种激活蛋白。

真核生物基因调节蛋白又称转录因子（transcriptionfactor）

绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件结合（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，称为反式作用因子（trans-actingfactor）。

有些真核调节蛋白可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，称为顺式作用蛋白

基因产物特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭称为顺式调节基因产物特异识别、结合其它基因的调节序列，调节其它基因的开启或关闭称为反式调节

转录因子

能直接或间接与RNA聚合酶结合的反式作用因子.

按功能特性可分为:

基本转录因子--是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA转录的类别。

特异转录因子--为个别基因转录所必需,决定该基因的时间、空间特异性表达。

3.DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用DNA-蛋白质相互作用（DNA-proteininteraction）主要指反式作用因子和顺式作用元件之间的特异识别。蛋白质-蛋白质相互作用（protein-proteininteraction）是指蛋白质通过分子之间的相互作用实现其特异的生物学功能。

蛋白质－蛋白质相互作用

形成二聚体或多聚体，间接结合DNA

是调节蛋白结合DNA最常

见的结合形式

4.RNA聚合酶（1）启动序列/启动子与RNA聚合酶活性（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性第二节原核基因表达的调控一、原核基因转录水平调控(一)原核基因转录调控的特点1.只有一种RNA聚合酶

,

因子决定RNA聚合酶识别特异性2.操纵子模型的普遍性,数个可转录编码基因,转录出多顺反子mRNA(polycistronicMrna).通过调控单个启动子来完成多个基因的协调表达.一开俱开,一关俱关。

操纵子：由一组功能相关的结构基因串联在一起，连同其上游的启动子(promoter,P)和操纵基因(operator,P)组成，P和O合称操纵区，这些共同构成一个转录单位称为操纵子（operon）.操纵区上游较远处还有阻遏基因(inhibitorgene,I)，转录翻译为阻遏蛋白，故也称作调节基因(R基因)调节基因编码的调节蛋白能识别、结合操纵基因负调控：调节蛋白结合操纵基因后可抑制结构基因的转录。这类调节蛋白称为阻遏蛋白或阻遏物。正调控：调节蛋白结合操纵基因后可促进结构基因的转录。正、负调控系统是按照没有调节蛋白存在的情况下操纵子对于新加入的调节蛋白的响应情况来定义的。细胞内某些小分子的代谢物可通过改变调节蛋白活性来调节操纵子的开启或关闭，根据它们对操纵子调节的性质，可将操纵子分为可诱导的操纵子和可阻遏的操纵子两种类型。可诱导操纵子：加入小分子后则开启基因的转录活性，这种作用及过程叫诱导。产生诱导作用的小分子物质叫诱导物。乳糖操纵子即属此类型。可阻遏操纵子：加入小分子后则关闭基因的转录活性，这种作用及过程叫阻遏。产生阻遏作用的小分子物质叫辅阻遏物。色氨酸操纵子属此类型操纵子的分类3.原核基因一般不含内含子，其基因是连续的。4.转录和翻译是偶联进行的5.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性6.影响转录的因素

1)启动子2)

因子3)阻遏蛋白

4)正调控蛋白5)倒位蛋白

6)RNA聚合酶抑制物7)衰减子原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控，因此通常有两种调控方式：一种是起始调控，即启动了调控；另一种终止调控，即衰减子调控。(二)、乳糖操纵子调节机制1.乳糖操纵子（lacoperon）的结构2.阻遏蛋白的负性调节3.CAP（分解代谢基因调节活化蛋白）的正性调节4.协调调节

1、1、乳糖操纵子（lacoperon）的结构没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。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。有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导。别乳糖作为诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录2、阻遏蛋白的负性调节2、阻遏蛋白的负性调节

没有乳糖存在时(基因关闭)有乳糖存在时(基因开放)

乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经

-半乳糖苷酶催化，转变成别乳糖。（3）CAP的正性调节

当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP（分解代谢基因活化蛋白）结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA聚合酶转录活性。

当有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子表达下降。（4）协调调节Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作

无乳糖，无诱导物时，转录作用被I表达的阻遏蛋白所阻断。

有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，使其变构，从操纵基因上解离出来。

当葡萄糖和乳糖共同存在时，葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP-CAP复合物的形成，抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。单独存在乳糖时，cAMP-CAP复合物与CAP位点结合，促进转录，翻译出三种酶，细菌可分解利用乳糖作为能源。乳糖操纵子调控的机制4种不同的组合基因状态葡萄糖＋无乳糖关闭无葡萄糖＋无乳糖关闭葡萄糖＋乳糖关闭无葡萄糖＋乳糖打开低葡萄糖、低乳糖葡萄糖与乳糖共存高葡萄糖、低乳糖单独存在乳糖(三)色氨酸操纵子(Trpoperon)调控机制

作用:产生合成Trp的三种酶调控机制:阻遏蛋白+转录衰减(attenuation)

阻遏蛋白执行的“开、关”不是Trp

操纵子的全部调节过程，转录开始后,

转录衰减进行细调.

色氨酸操纵子（trpoperon）当有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白构象改变可结合O序列，阻断基因转录。当没有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白不能结合O序列，基因开始转录。阻遏型操纵子转录衰减

当色氨酸丰富时，色氨酸操纵子使用衰减作用来终止和减弱转录。

转录衰减的DNA作用部位称为衰减子（attenuator）。它是位于结构基因上游前导序列中具有终止子结构的短序列。前导序列转录的RNA5’端162个核苷酸顺序，这段mRNA包含4个彼此互补的区域，可形成独特的二级结构。区域1还是一个开放阅读框，可编码一个含14个氨基酸的短肽，称为前导肽。前导肽的第10、11位是两个连续的Trp。Trp缺乏时，没有色氨酸-tRNA供给，前导肽的翻译至Trp密码子（UGG）时停止，核蛋白体不再移动，占据1区位置，区域2，3配对，区域4空出，不形成转录终止信号。有足够的Trp供给时，前导肽继续合成，核蛋白体占据1区和2区，3、4区配对形成发夹结构。其后又紧跟一串U残基，转录终止。（四）RNA聚活酶活性调节——严谨反应蛋白质合成时，空转反应，消耗GTP，生成GDP，产生严谨因子催化下列反应：严谨因子ATP+GDPPPPGPP或PPGPP

与RNApolE形成

复合物使酶活性下降

二.原核基因翻译水平调控（一）反义RNA的调控作用反义RNA是指能与特定mRNA互补结合的RNA片段，又叫干扰mRNA的互补RNA，即micRNA(mRNAinterferingcomplementaryRNA)。由反义RNA基因转录而来。其调控为翻译水平的调控，有三种方式：

1、与mRNA5′端非转译区包括SD序列相结合（SD序列是mRNA与核糖体小亚基结合的部位）

2、与mRNA5′端编码区起始密码子AUG结合

3、与靶mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变影响其与核糖体的结合渗透压对大肠杆菌外膜蛋白（outermembraneprotein,Omp)OmpC和OmpF

合成的调节就是通过反义RNA(mRNAinterferingcomplementary,micRNA)调控实现的。（二）mRNA的稳定性增加mRNA的稳定性，延长 mRNA寿命，可提高翻译水平。（三）核糖体蛋白自体调控

与rRNA结合成核糖体核糖体蛋白

与mRNA结合阻止翻译第三节真核基因表达的调控一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（二）单顺反子（三）重复序列（四）基因不连续性

多顺反子（polyciston）：细菌大多数基因按功能相关性成簇地形成操纵子，由操纵子机制控制转录生成的mRNA是多顺反子，即一个mRNA分子编码几个功能相关的蛋白质。

单顺反子（monociston）：真核生物转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链，真核基因转录产物为单顺反子。二、真核基因表达调控特点（一）RNA聚合酶（二）活性染色体结构变化（三）正性调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后加工、修饰三.基因组水平调控（一）基因易位（二）基因扩增（三）基因重排（四）DNA甲基化四.转录水平调控多级调控中，主要在转录水平通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用来实现。（一）顺式作用元件启动子

增强子沉默子

增强子（enchancer）：由约200bp的DNA序列组成其作用在于增加转录的频率。增强子的特点有：1.可以在很远的距离（1-30kb）作用于顺式连接的启动子。2.增强子的作用是没有方向性的3.增强子既可位于启动子的上游，也可位于启动子的下游，还可位于启动子内部4.增强子无基因的特异性，对各种基因的启动子均有作用，但有组织特异性。（二）反式作用因子1.转录调节因子分类（按功能特性）

基本转录因子（generaltranscriptionfactors）：指普遍存在于各种细胞中、结合在TATA盒附近的转录