基因表达的调控机制

一、真核基因组的复杂性

与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。

1. 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有10万个基因。

2. 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体DNA等)，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。

3. 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。

4. 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron)的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。

5. 原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。

6. 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。

7. 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组中则存在大量重复序列(repetitive sequences)。用复性动力学等实验表明有三类重复序列：1）高度重复序列(highly repetitive sequences)，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。2）中度重复序列(moderately repetitive sequences)，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复3×105次，在人的基因组中约占7%，功能也还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围。3）单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。

名词解释：

基因组

基因表达

基因表达的时间特异性

基因表达的空间特异性

管家基因

顺式作用元件

反式作用因子

1. 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，即基因表达的_____，又称_____

2. 操纵子通常由2个以上的编码序列与_____、_____以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成

3. 正调控和负调控是基因表达的两种最基本的调节形式，其中原核细胞常用_____调控，而真核细胞常用_____调控模式

4. 决定基因转录基础频率的DNA元件是_____，它是_____酶的结合位点

5. 决定基因表达组织和阶段特异性表达的DNA元件是_____，其作用方式与其在基因中的_____无关

6. 依赖DNA的转录因子通常含有_____结构域和_____结构域

7. 最常见的DNA结合域的结构形式是_____结构及碱性氨基酸残基形成的α螺旋

8. 细菌转录起始点上游－10和－35区存在一些相似序列，称为_____

9. 增强子_____转录起始点，决定基因表达的_____、_____特异性，其作用方式与_____无关

1. 在（）情况下，乳糖操纵子的转录活性最高

A． 高乳糖，低葡萄糖

B． 高乳糖，高葡萄糖

C． 低乳糖，低葡萄糖

D． 低乳糖，高葡萄糖

2. 真核生物中组装RNApolI起始复合物需要的蛋白质数比原核生物中转录起始复合物所需的蛋白质数多得多，最主要的原因是（）

A． 真核生物中细胞专一性的调节要求转录受到严格调控，多亚基的蛋白质复合物有利于这一需求的满足

B． 真核生物中的DNA结合蛋白比原核生物多

C． 真核生物中的基因数比原核生物多

D． 真核生物启动子含有TATA框，原核生物启动子含有－35序列和－10序列

3. 同一个基因在肝细胞中表达的最终产物是ApoB－100,而在小肠上皮细胞中表达的最终产物是相对分子质量较小的Apo－48,这是因为同一个基因在不同的细胞中（）

一.营养素对基因表达的调控机制

1．营养素对基因表达作用特点 几乎所有营养素对基因表达都有调节作用。其作用特点是一种营养素可调节多种基因的表达；一种基因表达又受多种营养素调节。一种营养素不仅可对其本身代谢途径所涉及的基因表达进行调节，还可影响其他营养素代谢途径所涉的基因表达。营养素不仅可影响细胞增殖、分化及机体生长发育有关的基因表达，而且还可对致病基因表达产生重要调节作用。

2．营养素对基因表达调控水平 营养素可在基因表达所有水平，包括转录前、转录、转录后、翻译和翻译5个水平上对其进行调节，虽不同营养素各有其重点或专一调节水平，但绝大多数营养素对基因表达调节在转录水平。

3．营养素对基因表达调控途径 营养素本身及其代谢产物可作为信号分子，作用于细胞表面受体或直接作用于细胞内受体，激活细胞信号转导系统，并与转录因子相互作用激活基因表达，或直接激活基因表达。

主要途径：1cAMP蛋白激酶途径；2酪氨酸激酶系统，以上2个途径主要是通过对某些转录因子和/或辅助因子磷酸化和去磷酸化作用，影响这些因子激活基因转录的活性；3离子通道；4和/或磷酸肌苷酸介导的途径；5细胞内受体途径，细胞内受体可以是催化反应酶，也可以是基因表达调控蛋白。大多数营养素对基因表达调控通过细胞内受体途径实现。实际上，营养素对基因表达调控过程相当复杂，可简化为下列步骤：

辅助激活因子（可有可无）

营养素→细胞内受体→配体受体结合——————————————→DNA特异反应元件→基因表达

∣ ↓ 磷酸化或去磷酸化 ↑ ↑

∣ 调节活性蛋白——————————————————

∣

↓ 增强或降低表达

第十三章 基因表达调控

一、 名词解释

1. 基因表达

2. HRE

3. CAP

4. 操纵子

5. 启动子

二、 填空

1. 基因表达调控可发生在遗传信息传递的任何环节,但 是基因表达的基本控制点。

2. 操纵子包括______________及______________。

3. 基因表达包括______________和______________。

三、 问答

简述乳糖操纵子的结构及其调节机制。

参考答案

一、 名词解释

1. 遗传信息表现为有功能的蛋白质，包括转录和翻译。

2. 即激素反应元件，能与激素-受体复合物二聚体结合的DNA特定序列，结合后可调节（促进或抑制）相邻基因的转录，进而调节该基因编码蛋白的合成。

3. CAP即分解代谢物基因激活蛋白，为同二聚体，分子内部有DNA结合区和cAMP结合位点，可与乳糖操纵子启动序列中的CAP结合位点结合，正性调节乳糖操纵子的表达。

4. 结构基因及其上游的调控序列。

5. σ因子辨认结合的部位。

二、 填空

1. 转录起始

2. 结构基因 上游调控序列

3. 转录 翻译 三、 问答

乳糖操纵子含Z、Y、及A三个结构基因，编码降解乳糖的酶，此外还有一个操纵序列O、一个启动序列P和一个调节基因I，在P序列上游还有一个CAP结合位点。由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成lac操纵子的调控区，三个编码基因由同一个调控区调节。

乳糖操纵子的调节机制可分为三个方面：

(1)阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖时, 阻遏蛋白与O序列结合,阻碍RNA聚合酶与P序列结合,抑制转录起动；有乳糖时,少量半乳糖作为诱导剂结合阻遏蛋白，改变了它的构象，使它与O序列解离,RNA聚合酶与P序列结合,转录起动。

(2) CAP的正性调节 没有葡萄糖时，cAMP浓度高，结合cAMP的CAP与lac操纵子启动序列附近的CAP结合位点结合，激活RNA转录活性；有葡萄糖时，cAMP浓度低，cAMP与CAP结合受阻，CAP不能与CAP结合位点结合，RNA转录活性降低。