第十四章基因表达调控

第十四章 基因表达调控 一、教学的基本要求 解释基因表达的概念，简述基因表达方式和特点。 叙述原核生物、真核生物基因表达调控的意义 记住基因表达调控的要素，解释重要的概念，如顺式作用元件、反式作用因子、启动子和启动序列、增强子、转录因子等 描述乳糖操纵子结构及调解原理，解释乳糖操纵子概念 写出原核真核基因调控的主要区别。 二、教学内容精要 （一）基因表达的概念，规律（特点）及方式 1.基因组(genome) 一个细胞或病毒携带的全部遗传信息或整套基因，称为基因组。不同生物基因组所含的基因多少不同。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同生活环境下，某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。 2.基因表达 基因表达（gene expression）就是基因转录和翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA和tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。 3.基因表达的规律 基因表达表现为严格的规律性，即时间特异性（temporal specificity)、空间特异性（special specificity）。基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（promoter）和／或增强子（enhancer）与调节蛋白（regulatory protein）相互作用决定。 (1)时间特异性：噬菌体、病毒或细菌侵人宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段发展生长环境变化，有些基因开启（turn on)，有些基因关闭(turn off)。按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。因此多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stage specificity）。 (2)空间特异性：在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性或组织特异性（tissue specificity）。 4.基因表达的方式 不同种类的生物遗传背景不同，同种生物不同个体生活环境的差异，可导致不同的基因功能和性质也不相同。因此不同基因的表达方式或调节类型存在很大差异。 (1)组成性表达(constitutive gene expression）：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因（housekeeping gene)。例如，三羧酸循环是一中枢性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。管家基因较少受环境因素影响，它在个体各个生长阶段以及几乎全部组织中持续表达，变化很小。与其他基因的区别是这类基因表达被视为基本的、或组成性基因表达。这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响。事实上，组成性基因表达水平“不变”是相对的。 (2)诱导和阻遏：与管家基因不同，另有一些基因表达极易受环境变化影响。因外界信号的变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导（induction）的。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为诱导。例如有DNA损伤时，修复酶基因就会在细菌内被诱导激活，使修复酶反应性地增加。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏（repression）的。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。例如，当培养基中色氨酸供应充分时，在细菌内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达就会被抑制。可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，尚受其他机制调节；这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。 （二）原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1.适应环境、维持生长和增殖：生物体赖于生存的外环境是在不断变化的。从低等生物到高等生物，都必须对外环境的变化作出适当反应，调节代谢，使生物体能更好地适应变化的外环境。这种适应调节的能力与某些蛋白质分子的功能有关。细胞内某种功能的蛋白质分子有或无、多或少等数量变化是由这些蛋白质分子的编码基因表达与否、表达水平高低等状况决定的。原核生物、单细胞生物调节基因的表达就是为适应环境、维持生长和细胞分裂。高等生物也普遍存在适应性表达方式。经常饮酒者体内醇氧化酶活性高即与相应基因表达水平升高有关。 2.维持个体发育与分化：在多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大；即使在同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。高等哺乳类动物各种组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的。当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。 （三）基因表达调控的要素和概念 1.基因表达的多级调控 对于一个基因的编码产物—蛋白质来说，至少有以下几个环节可调节蛋白质在细胞内的浓度，即基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及蛋白质降解等。上述任一环节机制发生异常均会影响某个基因的表达水平。所以，基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点，其中转录起始是基因表达的基本控制点。 2.基因转录激活调节基本要素 (1)特异DNA序列：不同基因特异的表达方式与基因结构有关，这里主要指具有调节功能的DNA序列。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子（元）机制实现的。操纵子（operator）通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中串联组成。各种原核基因启动序列在转录起始点上游-10及-35区域，这些序列常常表现类似称为共有序列。一些细菌启动序列的共有序列（consensus sequence）在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnow box），在-35区域为TTGACA。这些共有序列中的任一碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始。操纵序列与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子（元）调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白CAP，此时RNA聚合酶活性增强，使转录激活，介导正性调节（positive regulation)。 真核生物基因转录激活调节的序列比原核复杂。绝大多数真核基因调控（gene control）机制几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列—顺式作用元件（cis-acting element）。所谓顺式作用元件就是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。与原核基因类似，在不同真核基因的顺式作用元件中也会时常发现一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件并非都位于转录起始点上游（5′端）。根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉默子(silencer）等。 (2)调节蛋白：原核生物基因调节蛋白(regulation protein）都是一些DNA结合蛋白，分为三类：特异因子（specific factor）、阻遏蛋白(repressor）和激活蛋白（activator）。 1）特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。 2)阻遏蛋白：可结合特异DNA序列－——操纵序列，阻遏基因转录。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在 3)激活蛋白：可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）就是一种激活蛋白。某些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或全然不能结合启动序列。 真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子（transcription factor,TF）。绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用(DNA-蛋白质相作用)反式激活另一基因的转录，故称反式作用蛋白或反式作用因子(trans-acting factor)。 (3)DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用：DNA-蛋白质相互作用指反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。这种结合通常是非共价结合，形成DNA-蛋白质复合物。绝大多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction)形成二聚体(dimer)或多聚体。两分子单体通过一定结构域结合成二聚体，是调节蛋白结合DNA时最常见的形式。二聚体有同种分子间形成的同二聚体(homodimer)和异种分子间形成的杂二聚体(heterodimer)。杂二聚体比同二聚体具有更强的DNA结合能力；有时，有些调节蛋白经二聚活化后会丧失结合DNA的能力。另有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录，这在真核生物很常见。不同的真核细胞中所含的转录调节因子种类及浓度不同，所以同一基因在不同细胞中的表达状态不同。 (4)RNA聚合酶：DNA元件、调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。启动序列/启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚合酶活性影响很大。 1)启动序列/启动子与RNA聚合酶活性：原核启动序列或真核启动子是由转录起点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节元件组成。启动序列或启动子核苷酸序列会影响与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录启动的频率。如果一个启动序列的共有序列被置换为非共有序列，或非公有序列被置换为共有序列，则会得到使转录活性降低或增加两种截然不同的结果。真核RNA聚合酶单独存在时与启动子的亲和力低或无亲和力，必须与基因转录子形成复合物才能与启动子结合。真核RNA聚合酶的活性不仅与启动子序列有关，也与转录调节因子相关。 2)调节蛋白与RNA聚合酶活性：许多基因与管家基因不同，它们的基因产物浓度随环境信号而变化。因为这些基因激活所需要的一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，出现表达水平变化。诱导剂、阻遏剂等小分子信号所引起的基因表达都是通过使调节蛋白质分子构象改变，直接(DNA-蛋白质相互作用)或间接(蛋