【正文】 基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控 南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院生化與分子生物學(xué)教研室 第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控基本概念 第二節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本原理 第三節(jié) 基因表達(dá)的過程和特點 第四節(jié) 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 第五節(jié) 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控基本概念 一、基因表達(dá)的概念 基因 （ gene）：是為生物活性產(chǎn)物（ RNA或蛋白質(zhì)）編碼的 DNA功能片段，是遺傳的基本單位。 基因組 (genome)：指一個細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。 基因表達(dá) (gene expression)：指基因轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。 基因表達(dá)是受調(diào)控的 二、基因表達(dá)的特異性 基因表達(dá)表現(xiàn)為嚴(yán)格的規(guī)律性： 即時間、空間特異性 。 時間、空間特異性由特異基因的啟動子（序列）和 (或 )增強子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定 。 （一）時間特異性 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的 時間特異性 （ temporal specificity）。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱 階段特異性 （ stage specificity） 。 （二）空間特異性 在個體發(fā)育、生長的全過程，一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達(dá)，即在個體的不同空間出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的 空間特異性 （ spatial specificity）。 基因表達(dá)伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種空間分布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此基因表達(dá)的空間特異性又稱 細(xì)胞特異性 （ cell specificity）或組織特異性 (tissue specificity)。 三、基因表達(dá)的方式 按對內(nèi)、外環(huán)境信號刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為： （一）基本表達(dá) 管家基因 :某些基因在一個生物體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因稱管家基因（ housekeeping gene）。 管家基因的表達(dá)方式稱 基本（或組成性）基因表達(dá) ，這類基因表達(dá)只受啟動序列或啟動子與 RNA聚合酶相互作用的影響，不受其它機制調(diào)節(jié)。 （二）誘導(dǎo)和阻遏 在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為 可誘導(dǎo)基因 。 可誘導(dǎo)基因在一定的環(huán)境中表達(dá)增強的過程為 誘導(dǎo) （ induction）。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時被抑制，這種基因稱為 可阻遏基因 ?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為 阻遏 (repression)。 誘導(dǎo)和阻遏在生物界普遍存在，也是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。 環(huán)境信號 表達(dá)增強 表達(dá)減弱 誘導(dǎo) 阻遏 協(xié)調(diào)表達(dá) 在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為 協(xié)調(diào)表達(dá) （ coodinate expression）。 四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義 （一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖； 外環(huán)境不斷變化 機體相應(yīng)的適應(yīng)性應(yīng)答 生物體適應(yīng)變化著的環(huán)境、維持正常生長 （二）維持個體發(fā)育與分化。 高等動物各種組織、器官的 發(fā)育與分 化都是由一些特定基因控制的 第二節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本原理 一、基因表達(dá)調(diào)控的多層次和復(fù)雜性 基因 激活 轉(zhuǎn)錄起始 基本控制點 轉(zhuǎn)錄后加工 mRNA降解 蛋白質(zhì)翻譯 翻譯后加工修飾 蛋白質(zhì)降解等 復(fù)制水平 轉(zhuǎn)錄水平 轉(zhuǎn)錄后的加工修飾 翻譯水平 翻譯后的加工修飾 蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運和細(xì)胞定位 基因表達(dá)的潛在環(huán)節(jié) 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與 基因 的結(jié)構(gòu) 、 性質(zhì) ， 生物個體或細(xì)胞所處的內(nèi) 、 外 環(huán)境 ，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄 調(diào)節(jié)蛋白 有關(guān) 。 1. 特異 DNA序列和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì) 二、基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素 原核生物 蛋白質(zhì)因子 —— 操縱子 (operon) 機制 特異 DNA序列 編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列 (promoter) (operator) 是 RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異 DNA序列。 1) 啟動序列 RNA轉(zhuǎn)錄起始 35區(qū) 10區(qū) TTGACA TTAACT TTTACA TATGAT TTTACA TATGTT TTGATA TATAAT CTGACG TACTGT N17 N16 N17 N16 N16 N7 N7 N6 N7 N6 A A A A A trp tRNATyr lac recA Ara BAD TTGACA TATAAT 共有序列 共有序列 (consensus sequence) 決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小 。 某些特異因子 （ 蛋白質(zhì) ） 決定 RNA聚合酶 對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力 。 2? 操縱序列 —— 阻遏蛋白 (repressor)的結(jié)合位點 當(dāng)操縱序列結(jié)合有 阻遏蛋白 時 ， 會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合 ， 或是 RNA聚合酶不能沿 DNA向前移動 ， 阻礙轉(zhuǎn)錄 。 啟動序列 編碼序列 操縱序列 pol 阻遏蛋白 3)調(diào)節(jié)蛋白 原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白 分為三類 ：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是 DNA結(jié)合蛋白。 特異因子 決定 RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。 阻遏蛋白 可識別、結(jié)合操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)性調(diào)節(jié)。 激活蛋白 可結(jié)合啟動序列鄰近的 DNA序列，促進 RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強 RNA聚合酶活性。 真核生物 1) 順式作用元件 (cisacting element) —— 可影響自身基因表達(dá)活性的 DNA序列 B A DNA 編碼序列 轉(zhuǎn)錄起始點 不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列 ， 如 TATA盒 、 CAAT盒等 ， 這些共有序列是 RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點 。 特異 DNA序列 轉(zhuǎn)錄起始點 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增強子 順式作用元件 (cisacting element) AATAAA 切離加尾 轉(zhuǎn)錄終止點 修飾點 外顯子 翻譯起始點 內(nèi)含子 OCT1 OCT1： ATTTGCAT八聚體 真核生物特異 DNA序列 順式作用元件分為 啟動子、增強子和沉默子 等。 2) 真核基因的調(diào)節(jié)蛋白 還有蛋白質(zhì)因子可特異識別 、 結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列 ， 調(diào)節(jié)自身基因的表達(dá) ，稱 順式作用 。 由某一基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子 ，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用 ， 調(diào)節(jié)其表達(dá) 。 反式作用因子 (transacting factor) 這種調(diào)節(jié)作用稱為 反式作用 。 指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合 。 通常是非共價結(jié)合 ，被識別的 DNA結(jié)合位點通常呈對稱 、 或不完全對稱結(jié)構(gòu) 。 絕大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合 DNA前 ， 需通過蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)相互作用 ， 形成 二聚體(dimer)或 多聚體 (polymer)。 2. DNA 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì) 的相互作用 DNA元件與調(diào)節(jié)蛋白對轉(zhuǎn)錄激活的調(diào)節(jié)最終是由 RNA聚合酶活性 體現(xiàn)的。 啟動序列 /啟動子與 RNA聚合酶活性 啟動序列或啟動子核苷酸序列會影響其與 RNA聚合酶的親和力，從而直接影響轉(zhuǎn)錄起動和頻率。 調(diào)節(jié)蛋白與 RNA聚合酶活性 特異調(diào)節(jié)蛋白在適當(dāng)環(huán)境信號刺激下在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，通過 DNA蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)相互作用影響 RNA聚合酶活性，從而使基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄頻率發(fā)生改變，出現(xiàn)表達(dá)水平變化。 3. RNA聚合酶 第三節(jié) 基因表達(dá)的過程和特點 一、 基因的轉(zhuǎn)錄 （一）、基因轉(zhuǎn)錄的基本方式 原核生物與 真核生物 RNA合成的前體分子是四種 NTP； 參與轉(zhuǎn)錄的酶 : RNA 聚合酶； 在 RNA聚合反應(yīng)中，形成 3′ ， 5′磷酸二酯鍵； 5? 3? 3? 5? 模板鏈 編碼鏈 編碼鏈 模板鏈 結(jié)構(gòu)基因 轉(zhuǎn)錄方向 轉(zhuǎn)錄方向 雙鏈 DNA中只有一條鏈作為 RNA合成的模板： 不對稱轉(zhuǎn)錄 5