【正文】 戴五星Regulation ＆ control of Gene Expression 同濟醫(yī)學院生物化學與分子生物學系第 一 節(jié)SectionⅠGeneral Narration概 述一一 、 基因表達的概念基因表達的概念本節(jié)介紹 4方面內(nèi)容 :三、基因表達的方式三、基因表達的方式四、基因表達的多級調(diào)控四、基因表達的多級調(diào)控二、基因表達的特性二、基因表達的特性 基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質(zhì)分子的過程。對某些基因而言 ,基因的表達只有轉(zhuǎn)錄的過程。* 基因表達 （ gene expresion）基因表達是受調(diào)控的 一一 、基因表達的概念、基因表達的概念﹡ 基因表達調(diào)控（ gene expression regulation and control） 指通過生物體內(nèi)的調(diào)控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)和控制體內(nèi)蛋白質(zhì)的含量與活性，使之在特定的時間、特定的空間、并以一定的強度出現(xiàn)，以適應機體生長、發(fā)育和繁殖的需要。二、基因表達的特性二、基因表達的特性（一） 時間特異性 在單細胞生物，按功能需要，某一特定基因的表達隨時間、環(huán)境而變化，嚴格按特定的時間順序發(fā)生，這就是基因表達的時間特異性。 在 多 細胞生物，從受精卵到組織器官形成的各個不同發(fā)育階段，相應基因嚴格按一定時間順序開啟或關(guān)閉，表現(xiàn)與發(fā)育階段一致的時間性。因此，在多細胞生物，基因表達的時間特異性又稱 階段特異性 。（二） 空間特異性 基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱 細胞或組織特異性 。 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這種按一定空間順序出現(xiàn)的基因表達稱空間特異性。三、基因表達的方式三、基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：（ 一 ） 組成性表達 無論表達水平高低，管家基因 較少受環(huán)境因素影響 ，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為 組成性表達 。 某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達 , 通常被稱為 管家基因 。( housekeeping gene )（二） 誘導和阻遏表達 在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為 可誘導基因 。 可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為 誘導（ induction ） 。 如果基因?qū)Νh(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是 可阻遏基因 ?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物降低的過程稱為 阻遏（ repression ） 。 在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、相互配合、共同表達，即為 協(xié)調(diào)表達 （ coordinate expression）這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（ coordinate regulation）（三）協(xié)調(diào)表達四、基因表達的多級調(diào)控四、基因表達的多級調(diào)控 基因激活 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解等蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾（一）（一） DNA水平的調(diào)控水平的調(diào)控 包括基因擴增（拷貝數(shù)增多）、基因重排、基因結(jié)構(gòu)的活化等。真核基因組 DNA與組蛋白組成核小體，核小體串聯(lián)為染色質(zhì)，染色質(zhì)再密集為染色體 ,RNApol分子量 500kD，核小體分子量僅260kD，核小體繞在 4對組蛋白所組成的八聚體核心外兩周， DNA還要圍繞核小體盤旋兩周 。 DNA必須部分暴露才能使 RNApol有效的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄起始前基因必須進入活性狀態(tài)才能起始轉(zhuǎn)錄。（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達調(diào)控中 最重要的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)錄的起始是 基本的控制點 。 轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控在很多基因表達中普遍發(fā)生，這是因為： ① 在所有生物合成途徑中，第一步反應通常是最有效的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，控制反應途徑的第一步反應通?？蓽p少不必要的生物合成，節(jié)約原料，合理用能； ② 在功能方面相互依賴的數(shù)個蛋白質(zhì)編碼基因串聯(lián)為復合基因（如Lac操縱子），此時通過轉(zhuǎn)錄起始階段調(diào)節(jié)這些基因產(chǎn)物的表達是最有效的。（三）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（三）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 指轉(zhuǎn)錄起始后對轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進行的一系列修飾、加工過程。包括轉(zhuǎn)錄提前終止、 mRNA前體的加工、剪接、 RNA編輯等。對大多數(shù)基因來說，基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是最重要的。但對某些基因來說， 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控在決定細胞的表型多樣化和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能上 也是 十分關(guān)鍵的 。如肌鈣蛋白有 20種同源蛋白，這種變異是由于轉(zhuǎn)錄后變位剪接造成的。（四）翻譯水平的調(diào)控（四）翻譯水平的調(diào)控 通過特異的蛋白質(zhì)阻斷某些 mRNA翻譯起始，是一種特異性調(diào)節(jié)。 翻譯的起始調(diào)控是翻譯水平調(diào)控的主要階段。（五）翻譯后水平的調(diào)控（五）翻譯后水平的調(diào)控 蛋白質(zhì)合成后，使其活化并發(fā)揮生物學功能的調(diào)節(jié)過程，多數(shù)蛋白質(zhì)的肽鏈合成后，需經(jīng)一定的加工和修飾，才能成為具有特定空間構(gòu)象和生物學活性的蛋白質(zhì)。加工包括肽鏈的折疊、二硫鍵配對，前體激活及肽鏈中一些殘基側(cè)鏈的修飾等，這些使蛋白質(zhì)活化并發(fā)揮生物學功能的調(diào)節(jié)過程稱為 翻譯后水平的調(diào)控。第 二 節(jié) 原核基因表達調(diào)節(jié)Regulation of gene expression in prokaryotesSection Ⅱ一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）影響原核基因轉(zhuǎn)錄的因素（一）影響原核基因轉(zhuǎn)錄的因素啟動子 啟動子是 DNA鏈上能與 RNApol結(jié)合并能有效起始 RNA轉(zhuǎn)錄的 DNA序列。它是 基因表達不可缺少的調(diào)控序列 ，沒有啟動子，基因就不能轉(zhuǎn)錄。⑴ ⑴ 啟動子決定轉(zhuǎn)錄的方向及模板鏈啟動子決定轉(zhuǎn)錄的方向及模板鏈5′ TTGACA TATATT AGGTCCACG 3′35 10 +1 3′ AACTGT ATATAA TCCAGGTGC 5′AGGUCCACG⑵ 啟動子決定轉(zhuǎn)錄的效率RNA轉(zhuǎn)錄起始35區(qū) 10區(qū)TTGACA TTAACTTTTACA TATGATTTTACA TATGTTTTGATA TATAATCTGACG TACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecA araBAD TTGACA TATAAT 共有序列是 RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異 DNA序列。啟動序列 ?因子因子⑴ ?因子控制 RNApol與 DNA結(jié)合?因子的作用是確保 RNApol與特異的啟動子而不是與其他位點結(jié)合 核心酶 core enzyme全酶 holoenzyme???? ? ???? ??⑵ ⑵ ?因子對轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)因子對轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié) ?因子使得 RNApol選擇特定的啟動區(qū)起始轉(zhuǎn)錄 。一旦一種 ?因子被另一種 ?因子代替，即引起原來一套基因的關(guān)閉和新的一套基因轉(zhuǎn)錄的開始。如環(huán)境溫度升高或其它應激變化引起 ?32與核心酶結(jié)合， RNApol全酶結(jié)合 Hsp基因的啟動區(qū)，起始 Hsp基因轉(zhuǎn)錄，而原先許多基因的轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。 操縱元件又稱操縱基因 ,是阻遏蛋白識別與結(jié)合的一小段 DNA序列。 阻遏蛋白指一類在轉(zhuǎn)錄水平對基因表達產(chǎn)生負調(diào)控作用的蛋白。它主要通過 改變啟動子的可獲得性 而控制基因轉(zhuǎn)錄。操縱元件與阻遏蛋白 阻遏（阻遏（ repression）） :有活性的阻遏蛋白與操縱序有活性的阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合時，阻止列結(jié)合時，阻止 RNApol與啟動子結(jié)合而抑制轉(zhuǎn)與啟動子結(jié)合而抑制轉(zhuǎn)錄的作用錄的作用去阻遏（ derepression） :一類特定的小分子物質(zhì)與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白失活，從DNA脫落下來的作用。輔阻遏 :一類特定的小分子物質(zhì)與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白活化，抑制轉(zhuǎn)錄。⑴ ⑴ 誘導去阻遏誘導去阻遏如 lac ，當阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合時，則抑制轉(zhuǎn)錄。有乳糖或乳糖類似物 (IPTG)存在時，阻遏蛋白與乳糖結(jié)合而變構(gòu)，變構(gòu)的阻遏蛋白不能與操縱序列結(jié)合，引起結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。⑵ ⑵ 輔阻遏輔阻遏 如 Trp，無色氨酸時，阻遏蛋白不能與操縱序列結(jié)合， RNApol與啟動子結(jié)合啟動基因轉(zhuǎn)錄。有色氨酸時，阻遏蛋白與色氨酸形成復合物后與操縱序列結(jié)合，阻止RNApol與啟動子結(jié)合而抑制轉(zhuǎn)錄。正調(diào)控蛋白和正調(diào)控蛋白結(jié)合位點正調(diào)控蛋白和正調(diào)控蛋白結(jié)合位點正調(diào)控蛋白： 一類與 DNA結(jié)合后，促進基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白。它主要通過 改變啟動子的起始效率 而控制基因的轉(zhuǎn)錄。分解代謝基因激活蛋白分解代謝基因激活蛋白（（ catabolite gene activator protein,CAP）） CAP與 CAP位點結(jié)合后，才能 促使 RNApol與啟動子結(jié)合 ，啟動基因轉(zhuǎn)錄，這樣一個操縱子中的一組基因要轉(zhuǎn)錄必需具備兩個條件才能轉(zhuǎn)錄。① 阻遏蛋白與操縱基因解離② CAP與 CAP結(jié)合位點結(jié)合 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z： β半乳