第十八章：基因表達(dá)調(diào)控

第一節(jié)：基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與特點(diǎn)

一：基因表達(dá)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程

基因表達(dá)：就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的rNA序列，對(duì)于蛋白質(zhì)編碼基因，mrna繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。

二：基因表達(dá)具有時(shí)間特異性和空間特異性

（一）時(shí)間特異性是指基因表達(dá)按一定的時(shí)間順序發(fā)生

（二）空間特異性是指多細(xì)胞生物個(gè)體在特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因在不同的組織器官表達(dá)不同。

三：基因表達(dá)的方式存在多樣性

基因表達(dá)調(diào)控：就是指細(xì)胞或生物體在接受內(nèi)外信號(hào)刺激時(shí)或適應(yīng)環(huán)境變化的過程中在基因表達(dá)水平上做出應(yīng)答的分子機(jī)制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達(dá)成為有功能的蛋白質(zhì)，在什么組織表達(dá)，什么時(shí)候表達(dá)，表達(dá)多少等。

（一）有些基因幾乎在所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)

管家基因：有些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過程都是必須的或必不可少的。這類基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，不易受環(huán)境條件的影響，這些基因通常被稱為管家基因。

（二）有些基因的表達(dá)受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏

誘導(dǎo)：在特定的環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，即這種基因表達(dá)是可誘導(dǎo)的，可誘導(dǎo)基因在一定的環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程稱為誘導(dǎo)。

阻遏：如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，這種基因稱為可阻遏基因，可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏。

（三）生物體內(nèi)不同基因的表達(dá)受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

四：基因表達(dá)受順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)

順式作用元件：調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，被稱為順式作用元件

反式作用因子：一些調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達(dá)產(chǎn)物來發(fā)揮作用。這樣的調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物不僅能對(duì)處于同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，而且還能對(duì)不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)起到同樣的作用。因此，這些蛋白質(zhì)分子被稱為反式作用因子。

五：基因表達(dá)調(diào)控呈現(xiàn)多層次和復(fù)雜性

六：基因表達(dá)調(diào)控是生物體生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)

（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境，維持生長(zhǎng)和增殖

（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達(dá)以維持細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育

第二節(jié)：原核基因表達(dá)調(diào)控

?一：操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

多順反子：原核生物的結(jié)構(gòu)基因共用一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)序列，因此轉(zhuǎn)錄合成時(shí)僅產(chǎn)生一條mrna長(zhǎng)鏈，為幾種不同的蛋白質(zhì)編碼。這樣的mrna分子攜帶了幾個(gè)多肽鏈的編碼信息，被稱為多順反子。

操縱子由結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)序列組成

結(jié)構(gòu)基因：通常包括數(shù)個(gè)功能上有關(guān)聯(lián)的基因，他們串聯(lián)排列共同構(gòu)成編碼區(qū)

調(diào)控序列：由啟動(dòng)子，操縱元件以及一定距離外的調(diào)節(jié)基因

啟動(dòng)子：是rna聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件

操縱元件：是一段能被特異的阻遏蛋白識(shí)別和結(jié)合的DNA序列

調(diào)節(jié)基因：編碼能夠與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白，分為特異因子，阻遏蛋白和激活蛋白

二：乳糖操縱子是典型的誘導(dǎo)型調(diào)控

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)

含有z，y，a三個(gè)結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶，通透酶和乙?；D(zhuǎn)移酶，此外還有一個(gè)操縱序列o，一個(gè)啟動(dòng)子p，及一個(gè)調(diào)節(jié)基因i，i基因編碼一種阻遏蛋白，后者與o序列結(jié)合，使操縱子處于阻遏狀態(tài)。在啟動(dòng)子p上游還有一個(gè)cap結(jié)合位點(diǎn)。由p序列，o序列和cap結(jié)合位點(diǎn)共同構(gòu)成乳糖操縱子的調(diào)控區(qū)，三個(gè)酶的編碼基因即由同一調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)表達(dá)。

（二）乳糖操縱子受到阻遏蛋白和cap的雙重調(diào)節(jié)

1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：沒有乳糖存在時(shí)，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)，此時(shí)，i序列表達(dá)的阻遏蛋白與o序列結(jié)合，阻礙rna聚合酶與p序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖操縱子即可被誘導(dǎo)，真正的誘導(dǎo)劑非乳糖本身，而是乳糖經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)生成的半乳糖。半乳糖作為一種誘導(dǎo)劑分子結(jié)合阻遏蛋白，使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致阻遏蛋白與o序列解離，發(fā)生轉(zhuǎn)錄。

2.Cap的正性調(diào)節(jié)：當(dāng)培養(yǎng)基中缺乏葡萄糖時(shí)，camp濃度升高，camp與cap結(jié)合，刺激rna轉(zhuǎn)錄活性。當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，camp的濃度降低，camp與cap結(jié)合受阻，抑制rna轉(zhuǎn)錄活性。

3.協(xié)同調(diào)節(jié)：細(xì)菌在生長(zhǎng)時(shí)，若乳糖和葡萄糖同時(shí)存在，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖。

三：色氨酸操縱子通過轉(zhuǎn)錄衰減的方式阻遏基因表達(dá)

四：原核基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄終止階段有不同的調(diào)控機(jī)制

五：原核基因表達(dá)在翻譯水平的多個(gè)環(huán)節(jié)受到精細(xì)調(diào)控

（一）轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)調(diào)節(jié)提高了基因表達(dá)調(diào)控的有效性

（二）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動(dòng)子或啟動(dòng)子周圍進(jìn)行自我調(diào)節(jié)

（三）翻譯阻遏利用蛋白質(zhì)與自身mrna的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)翻譯起始的調(diào)控

（四）反義mrna結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)翻譯起始的調(diào)控

（五）Mrna密碼子的編碼頻率影響翻譯速度

第三節(jié)：真核基因表達(dá)調(diào)控

一：真核基因表達(dá)特點(diǎn)

1.真核基因組比原核基因組大得多

2.原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而人的基因組中只有很少一部分序列編碼蛋白質(zhì)

3.真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)錄后需要剪接去除內(nèi)含子

4.原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mrna使得幾個(gè)功能相關(guān)的基因自然協(xié)調(diào)控制；而真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mrna，即mrna是單順反子

5.真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)與多種蛋白質(zhì)構(gòu)成染色質(zhì)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)直接影響著基因的表達(dá)

6.真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內(nèi)基因與線粒體基因的表達(dá)調(diào)控既相互獨(dú)立而又需要協(xié)調(diào)。

二：染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與真核基因表達(dá)密切相關(guān)

（一）轉(zhuǎn)錄活化的染色質(zhì)對(duì)核酸酶極為敏感

（二）轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變

（三）Cpg島甲基化水平降低

三：基因組中的順式作用元件是轉(zhuǎn)錄起始的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部位

（一）真核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)較原核生物復(fù)雜

（二）增強(qiáng)子是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件

（三）沉默子能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄

四：轉(zhuǎn)錄因子時(shí)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵分子

（一）通用轉(zhuǎn)錄因子

（二）特異轉(zhuǎn)錄因子

（三）轉(zhuǎn)錄因子作用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域主要有以下幾種：

（1）鋅指模體

（2）堿性螺旋-環(huán)-螺旋

（3）堿性亮氨酸拉鏈

2.轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域

（1）酸性激活結(jié)構(gòu)域

（2）谷氨酰胺富含結(jié)構(gòu)域

（3）脯氨酸富含結(jié)構(gòu)域

（四）二聚化是常見的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用方式

五：轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的動(dòng)態(tài)構(gòu)成是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式

（一）啟動(dòng)子與rna聚合酶活性

（二）調(diào)節(jié)蛋白與rna聚合酶活性

六：轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要影響真核mrna的結(jié)構(gòu)與功能

（一）mrna的穩(wěn)定性影響真核生物基因的表達(dá)

1.5；-端的帽子結(jié)構(gòu)可以增加mrna的穩(wěn)定性

2.3；-端的多聚腺苷酸尾結(jié)構(gòu)防止mrna降解

（二）一些非編碼小分子rna可引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默

（三）Mrna前體的選擇性剪接可以調(diào)節(jié)真核生物基因的表達(dá)

七：真核基因表達(dá)在翻譯及翻譯后任可受到調(diào)控

（一）對(duì)翻譯起始因子活性的調(diào)節(jié)主要通過磷酸化修飾進(jìn)行

（二）Rna結(jié)合蛋白參與了對(duì)翻譯起始的調(diào)節(jié)

（三）對(duì)翻譯產(chǎn)物水平及活性的調(diào)節(jié)可以快速調(diào)控基因表達(dá)

（四）小分子rna對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜

1.mirna?

2.Sirna

兩個(gè)都可以抑制翻譯過程

Rna干擾：雙鏈sirna參與risc（rna誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體）組成，與特異的靶mrna完全互補(bǔ)結(jié)合，導(dǎo)致靶mrna降解，阻斷翻譯過程。這種由sirna介導(dǎo)的基因表達(dá)抑制作用稱為rna干擾。

（五）長(zhǎng)鏈非編碼rna在基因表達(dá)調(diào)控中的作用不容忽視