第十三章 基因表達(dá)調(diào)控?

一、基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理：?

1．基因表達(dá)的概念：基因表達(dá)（gene expression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合成的過程。?

2．基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性：?

⑴時(shí)間特異性：基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporal specificity)是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個(gè)體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。?

⑵空間特異性：基因表達(dá)的空間特異性（spatial specificity）是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。?

3．基因表達(dá)的方式：?

⑴組成性表達(dá)：組成性基因表達(dá)（constitutive gene expression）是指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對(duì)生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeeping gene）。?

⑵誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)：誘導(dǎo)表達(dá)（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。?

4．基因表達(dá)的生物學(xué)意義：①適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖。②維持個(gè)體發(fā)育與分化。?

5．基因表達(dá)調(diào)控的基本原理：?

⑴基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控：基因表達(dá)調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始），轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運(yùn)），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要。?

⑵基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素：①順式作用元件：順式作用元件（cis-acting element）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對(duì)特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。③順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識(shí)別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)鍵結(jié)合。?

二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能：?

在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。信息區(qū)由一個(gè)或數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成；控制區(qū)通常由調(diào)節(jié)基因（阻抑蛋白編碼基因）、啟動(dòng)基因（CRP和RNA聚合酶結(jié)合區(qū)）和操縱基因（阻抑蛋白結(jié)合位點(diǎn)）構(gòu)成。?

1．原核生物乳糖操縱子：?

原核生物乳糖操縱子(Lac operon)的控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因，啟動(dòng)基因（其CRP結(jié)合位點(diǎn)位于RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙?；富颍╨acA）串聯(lián)在一起構(gòu)成。當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時(shí)，乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻抑蛋白結(jié)合，促使阻抑蛋白與操縱基因分離；另一方面，細(xì)胞中cAMP濃度升高，cAMP與CRP結(jié)合并使之激活，CRP與啟動(dòng)基因結(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動(dòng)基因結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄激活。?

2．原核生物色氨酸操縱子：?

色氨酸操縱子（trp operon）屬于阻遏型操縱子，主要調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。色氨酸操縱子通常處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時(shí)，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。色氨酸操縱子的調(diào)控還涉及轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)機(jī)制。即在色氨酸操縱子第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與啟動(dòng)基因之間存在有一衰減區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時(shí)，通過與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個(gè)衰減子結(jié)構(gòu)，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。?

3．原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式：?

由成群的操縱子組成的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)稱為調(diào)節(jié)子。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，從而達(dá)到整體調(diào)控的目的。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應(yīng)，這是由一組與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當(dāng)有紫外線照射時(shí)，細(xì)菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導(dǎo)致與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的基因表達(dá)。?

三、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?

1．轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子：真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子（mono-cistron），即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，并指導(dǎo)翻譯一條多肽鏈。?

2．大量重復(fù)序列：真核基因組中含大量的重復(fù)序列，這些重復(fù)序列大部分是沒有特定生物學(xué)功能的DNA片段，可占整個(gè)基因組DNA的90%。根據(jù)重復(fù)頻率可將其分為高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列和單拷貝序列。?

3．?dāng)嗔鸦颍赫婧松镏械幕蚓哂胁贿B續(xù)性，即一個(gè)基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D(zhuǎn)錄并進(jìn)一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉(zhuǎn)錄后會(huì)被剪除的部分則稱為內(nèi)含子（intron）。?

三、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)：?

1．RNA聚合酶活性受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控：真核生物中存在RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ三種不同的RNA聚合酶，分別負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。?

2．染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變參與基因表達(dá)的調(diào)控：真核生物DNA與組蛋白結(jié)合并形成核小體的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步形成染色質(zhì)。當(dāng)真核基因被激活時(shí)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變。主要的改變有：?

⑴單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉(zhuǎn)錄，從而形成一些對(duì)DNAaseⅠ的超敏位點(diǎn)。?

⑵DNA拓樸結(jié)構(gòu)改變：天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在，當(dāng)基因激活后，則轉(zhuǎn)錄區(qū)前方的DNA拓樸結(jié)構(gòu)變?yōu)檎猿菪?。正性超螺旋可阻礙核小體形成，并促進(jìn)組蛋白解聚。?

⑶核小體不穩(wěn)定性增加：由于組蛋白修飾狀態(tài)改變，巰基暴露等原因而引起核小體結(jié)構(gòu)改變。?

4．正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低。通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機(jī)制。?

5．轉(zhuǎn)錄和翻譯過程分別進(jìn)行：轉(zhuǎn)錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細(xì)胞部位，可分別進(jìn)行調(diào)控。?

6．轉(zhuǎn)錄后加工修飾過程復(fù)雜：特別是mRNA，轉(zhuǎn)錄后僅形成其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——HnRNA，然后再經(jīng)剪接、加帽、加尾等加工修飾，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA。?

四、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件及激活機(jī)制：?

1．順式作用元件（分子內(nèi)作用元件）：?

⑴啟動(dòng)子：存在于結(jié)構(gòu)基因上游，與基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)有關(guān)的一段特殊DNA順序稱為啟動(dòng)子。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。?

⑵增強(qiáng)子：位于結(jié)構(gòu)基因附近，能夠增強(qiáng)該基因轉(zhuǎn)錄活性的一段DNA順序稱為增強(qiáng)子。增強(qiáng)子的特點(diǎn)是：①在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5’或3’側(cè)均能起作用；②相對(duì)于啟動(dòng)子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠(yuǎn)近距離相對(duì)無關(guān)；④對(duì)異源性啟動(dòng)子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復(fù)順序。?

⑶沉默子：能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負(fù)性調(diào)控元件。?

2．反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF）。?

(1)轉(zhuǎn)錄因子的種類：①非特異性轉(zhuǎn)錄因子（基本轉(zhuǎn)錄因子）：非選擇性調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的蛋白質(zhì)因子稱為非特異性轉(zhuǎn)錄因子。真核生物中存在的三種RNA聚合酶分別有相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中，TFⅡ一共有六種亞類。TFⅡD是唯一能識(shí)別啟動(dòng)子TATA盒并與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，而TFⅡB則可促進(jìn)聚合酶Ⅱ與啟動(dòng)子的結(jié)合。②特異性轉(zhuǎn)錄因子：能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉(zhuǎn)錄因子。目前較清楚的是調(diào)控免疫球蛋白基因表達(dá)的核內(nèi)蛋白質(zhì)因子（NF）。?

(2)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)：反式作用因子至少含有三個(gè)功能域，即DNA結(jié)合功能域，轉(zhuǎn)錄活性功能域和其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合功能域。DNA結(jié)合功能域帶共性的結(jié)構(gòu)主要有：①HTH和HLH結(jié)構(gòu)： 由兩段α-螺旋夾一段β-折迭構(gòu)成，α-螺旋與β-折迭之間通過β-轉(zhuǎn)角或成環(huán)連接，即螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)和螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)。②鋅指結(jié)構(gòu)：見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構(gòu)成。每四個(gè)半光氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個(gè)殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結(jié)合。③亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：見于真核生物DNA結(jié)合蛋白的C端，與癌基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。由兩段α-螺旋平行排列構(gòu)成，其α-螺旋中存在每隔7個(gè)殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側(cè)鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA相結(jié)合。?

⑶轉(zhuǎn)錄因子的作用特點(diǎn)：①同一DNA順式作用元件可被不同的轉(zhuǎn)錄因子所識(shí)別；②同一轉(zhuǎn)錄因子也可識(shí)別不同的DNA順式作用元件；③TF與TF之間存在相互作用；④當(dāng)TF與TF，TF與DNA結(jié)合時(shí)，可導(dǎo)致構(gòu)象改變；⑤TF在合成過程中，有較大的可變性和可塑性。?

3．轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依賴多種轉(zhuǎn)錄因子，并與之形成復(fù)合體。其過程首先是由TFⅡD識(shí)別啟動(dòng)子序列并與之結(jié)合；繼而RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、B等聚合形成一個(gè)功能性的前起始復(fù)合體——PIC；最后，結(jié)合了增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄因子與前起始復(fù)合體結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體。