第十三章基因表达调控

第十三章基因表达调控第十三章基因表达调控第一节基因表达调控基本概念与原理一、基因表达的概念（掌握）1、基因：负载特定遗传信息的DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的DNA区域。

2、基因组：指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。

在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列。

3、基因表达：基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。

但对于rRNA、tRNA编码基因，表达仅是转录成RNA的过程。

4、基因表达调控：基因表达是在一定调节机制控制下进行的，生物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环境、维持生长和发育的需要。

人类基因组含3～4万个基因。

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，产生具有特定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、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

二、基因表达的特异性（了解）无论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。

生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要及适应。

基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。

（一）时间特异性概念：指按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。

又称阶段特异性。

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。

（二）空间特异性概念：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间或顺序出现。

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，又称细胞特异性或组织特异性。

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。

三、基因表达的方式（了解）不同的基因对内、外环境信号刺激的反应性不同。

按对刺激的反应性，基因表达的方式或调节类型存在很大差异。

（一）基本表达管家基因：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称之为管家基因。

管家基因较少受环境因素的影响，被视为基本的或组成性基因表达。

只受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。

例如，三羧酸循环是一枢纽性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。

（二）诱导和阻遏有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境信号变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象。

1、可诱导基因：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，这种基因是可诱导的。

2、诱导：可诱导基因在特定环境中表达增强的过程。

3、可阻遏基因：在特定环境信号刺激下，如果相应的基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏的。

4、阻遏：可阻遏基因表达产物水平降低的过程。

可诱导或可阻遏基因除受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制调节。

这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。

例：乳糖操纵子、色氨酸操纵子；这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。

诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。

乳糖操纵子机制是认识诱导和阻遏表达的典型模型。

5、协调表达：在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即协调调节。

四、基因表达调控的生物学意义（了解）（一）适应环境、维持生长和增殖生物体赖以生存的外环境是在不断变化的。

所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以使生物体能更好地适应变化着的外环境。

细胞内某种功能的蛋白质分子有或无、多或少等数量变化则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。

（二）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。

第二节基因表达调控的基本原理一、基因表达调控的多层次和复杂性（了解）目前已有证据表明，基因结构活化、转录起始、转录后加工及转运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点。

转录起始是基因表达的基本控制点。

二、基因转录激活调节基本要素（熟悉）（一）特异DNA序列原核生物：——操纵子调控机制。

操纵子——编码序列+启动序列+操纵序列+其他调节序列1、启动序列——RNA聚合酶结合并起动转录。

共有序列：一10区——TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnow box）；一35区域——TTGACA共有序列决定启动序列的转录活性大小。

2、操纵序列：与启动序列毗邻，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?——介导负性凋节。

3、其他调节序列：结合激活蛋白——介导正性调节。

真核生物：调控机制——编码基因两侧的DNA序列——顺式作用元件顺式作用元件：是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。

A、B分别代表同一DNA分子中的两段特异DNA序列。

B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因转录起始的准确性及频率。

A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件。

不同基因具有各自特异的顺式作用元件。

共有序列——TATA盒、CCAAT盒等是顺式作用元件的核心序列，是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

顺式作用元件通常是非编码序列。

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、增强子及沉默子等。

（二）调节蛋白原核生物：分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。

1、特异因子：决定RNA聚合酶对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——介导负性调节机制。

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——如：分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）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。

原核调节蛋白都是一些DNA结合蛋白。

真核生物：基因调节蛋白又称转录因子（transcription factor）。

1、反式作用因子：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-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录。

2、顺式作用蛋白：有些基因产物可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，这就是顺式作用。

具有这种调节方式的调节蛋白称之。

大多数反式作用因子是DNA结合蛋白；还有一些真核基因调节蛋白不能直接结合DNA，需通过蛋白质－蛋白质相互作用参与DNA一蛋白质复合物的形成、调节基因转录。

（三）DNA一蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用（了解）1、DNA-蛋白质相互作用：指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别结合（非共价结合）2、二聚化：是指两分子单体通过一定结构域结合成二聚体，它是调节蛋白结合DNA时最常见的形式。

只要具有适当的结构，两个相同或不同的分子均可形成二聚体。

3、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，真核生物很常见。

因为不同的真核细胞中所存在的转录调节因子种类不同，即使有相同的因子但其浓度不同，所以同一基因在不同细胞中的表达状态不同。

（四）RNA聚合酶（了解）DNA元件与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始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。

对真核RNA聚合酶活性来说，除启动子序列，还与所存在的转录调节因子有关。

（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。

这些基因都有一个由启动序列或启动子决定的基础转录频率，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，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。

诱导剂、阻遏剂等引起的基因表达都是通过使调节蛋白分子构象改变，直接（DNA-蛋白质相互作用）或间接（蛋白质－蛋白质相互作用）调节RNA聚合酶转录起动过程。

原核生物特异因子σ可以改变RNA聚合酶识别启动序列的特异性，这是调节蛋白调节RNA聚合酶活性的实例。

当细菌发生热应激时，全酶中通常的σ70被σ32所取代，这时RNA聚合酶就会改变其对常规启动序列的识别而结合另一套启动序列，起动一套基因表达。

这就是所谓的热休克反应（heat shock response）。

第三节原核基因转录调节一、原核基因转录调节特点（熟悉）原核特异基因的表达也受多级调控，如转录起始、转录终止、翻译调控以及RNA、蛋白质的稳定性等，但主要发生在转录起始。

概括原核基因转录调节有以下特点。

（－）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性原核生物细胞仅含有一种RNA聚合酶，在转录起始阶段，σ亚基识别特异启动序列，不同的σ亚基决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。

（二）操纵子模型的普遍性原核：几个功能相关的结构基因排列一起—→共同组成一个转录单位——操纵子，转录出一段mRNA—→翻译几种蛋白质。

在同一启动序列控制下，可转录出多顺反子mRNA （polycistronic mRNA）。

原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性原核操纵子系统，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。

原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。

二、原核生物转录起始调节（掌握）（一）操纵子：（operon）——原核生物的转录单位概念：由一组原核生物结构基因加上其上游的启动子（promoter，P）和操纵基因（operator，O）组成。

结构基因 + 调控区（启动子、操纵基因）——→ 称之操纵子（二）启动子：1、概念：启动子是结构基因上游的能够结合RNA pol的DNA序列。

2、结构特点：是DNA序列原核： 1）长约60bp2） -35区bp序列 TTGACA3） - 10区： TATA 盒3、功能作用RNA pol的结合位点：启动转录作用。