2基因表达调控机制

基因表达调控GeneExpressionRegulation＆control第一节概述一、基因表达的概念本节介绍4方面内容:三、基因表达的方式四、基因表达的多级调控二、基因表达的特性基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。对某些基因而言,基因的表达只有转录的过程。*基因表达（geneexpresion）基因表达是受调控的一、基因表达的概念﹡基因表达调控（geneexpressionregulationandcontrol）指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。二、基因表达的特性（一）时间特异性在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，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，表现与发育阶段一致的时间性。因此，在多细胞生物，基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。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，这种按一定空间顺序出现的基因表达称空间特异性。三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因。(housekeepinggene)（二）诱导和阻遏表达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，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导（induction）。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏（repression）。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、相互配合、共同表达，即为协调表达（coordinateexpression）这种调节称为协调调节（coordinateregulation）（三）协调表达四、基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰（一）DNA水平的调控包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因结构的活化等。DNA必须部分暴露才能使RNApol有效的结合，转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。（二）转录水平的调控转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节，转录的起始是基本的控制点。这是因为：①在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；②在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如Lac操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。（三）转录后水平的调控指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。对某些基因来说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上也是十分关键的。（四）翻译水平的调控通过特异的蛋白质阻断某些mRNA翻译起始，是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。（五）翻译后水平的调控蛋白质合成后，使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为翻译后水平的调控。第二节原核基因表达调控一、转录水平的调控（一）影响原核基因转录的因素（顺式元件和调控蛋白）1、启动子启动子是DNA链上能与RNApol结合并能有效起始RNA转录的DNA序列。它是基因表达不可缺少的调控序列，没有启动子，基因就不能转录。⑴启动子决定转录的方向及模板链5′TTGACATATATTAGGTCCACG3′-35-10+13′AACTGTATATAATCCAGGTGC5′AGGUCCACG⑵启动子决定转录的效率2、因子⑴因子控制RNApol与DNA结合因子的作用是确保RNApol与特异的启动子而不是与其他位点结合核心酶coreenzyme全酶holoenzyme⑵因子控制特定基因表达因子使得RNApol选择特定的启动区起始转录。一旦一种因子被另一种因子代替，即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高或其它应激变化引起32与核心酶结合，RNApol全酶结合Hsp基因的启动区，起始Hsp基因转录，而原先许多基因的转录关闭。3.操纵序列和阻遏蛋白操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过抑制开放性启动子复合物的形成而控制基因转录。阻遏（repression）:有活性的阻遏蛋白与操纵基因结合时，阻止RNApol与启动子结合或阻止开放性启动子复合物形成而抑制转录的作用去阻遏（derepression）:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA脱落下来的作用。辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。⑴可诱导的操纵子如E.colilac，当阻遏蛋白与操纵基因结合时，则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)存在时，阻遏蛋白与乳糖结合而变构，变构的阻遏蛋白不能与操纵基因结合，引起结构基因转录。⑵可阻遏的操纵子如E.coliTrp，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNApol与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵基因结合，阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。4.正调控蛋白及其结合位点正调控蛋白：一类与DNA结合后，促进基因转录的调控蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率而控制基因的转录。乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA分解代谢基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP）CAP与CAP位点结合后，才能促使RNApol与启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因就有两道开关，只有两道开关同时打开时基因才能转录。大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白（nitrogenmetabolismgeneactivatorprotein,ntrC）ntrCntrCpntrB激酶ntrB磷酸酶5.增强子与激活蛋白6、倒位蛋白(inversionprotein)是一种位点特异性的重组酶。可使DNA的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位，而控制基因转录。7、转录终止子与因子⑴转录终止子(teminater)①定义：指基因的3′末端或者操纵子的3′的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。②分类：依赖因子的转录终止子不依赖因子的转录终止子③序列特征相同点：终止点之前有一段回文结构，两重复序列之间有间隔序列，终止子被转录出来的RNA可形成发夹结构。不同点：不依赖因子的转录终止子回文序列中有较多G-C碱基对，回文序列下游有6-8A-T碱基对；依赖因子的转录终止子回文序列中G-C含量较少，回文序列下游没有固定特征。不依赖因子（E.coli,Trp）终止子依赖因子（TR1）的终止子发夹结构的作用：阻碍RNA链从三元复合物进一步向外释放，造成转录作用高度搁置。回文序列下游A/U序列的作用：dA和rU之间氢键力和碱基堆积力很弱，造成RNA和DNA杂交部分很容易拆开，三元复合物解体，RNApol与RNA解离，转录终止。⑵因子因子具有两种活性：①促进转录终止；②具有NTP酶活性，后一种活性是实现前一种活性必不可少的。ATP8、衰减子(attenuator)是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因或者继续被转录，或者在衰减子处实现转录的终止。（二）原核基因转录的调节机制通过负调控因子和正调控因子所进行的复合调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录；当阻遏蛋白与操纵基因解离时，RNA聚合酶与启动子结合，起始基因转录。1、乳糖操纵子调控的机制⑴乳糖操纵子的结构：Z、Y、A三个结构基因，逆流而上依次为：操纵基因(O)、启动子(P)、CAP结合位点和调节基因，O与P有一定程度重叠。乳糖操纵子的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA操纵序列——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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白⑵乳糖操纵子的转录调控机制通过负调控因子和正调控因子所进行的复合调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录；CAP与CAP结合位点结合促进RNApol与P结合，引起有效转录。乳糖操纵子结构基因转录需具备两个条件：①阻遏蛋白与操纵基因解离②CAP与CAP结合位点结合mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。2、色氨酸操纵子的调控机制⑴色氨酸操纵子的结构①阻遏蛋白的调控作用trptrp高时trp低时mRNAOPI调节区结构基因前导肽衰减子色氨酸操纵子⑵色氨酸操纵子的调控机制②衰减子的调控作用L基因的3′端有一个衰减子序列。前导序列转录的mRNA具有如下特性及功能：1）内含4段特殊的短序列2）序列①是一个开放阅读框：转录后立即翻译成14氨基酸的短肽称作前导肽，前导肽第10，11位是两个连续的色氨酸。衰减子结构(attenuator)核糖体新生肽链mRNADNA1234UUUU3’1、当色氨酸浓度高时trp密码子转录衰减机制:5’12345’核糖体2、当色氨酸浓度低时二、翻译水平的调控（一）SD序列对翻译的影响1、SD序列的定义：SD序列是位于mRNA起始密码子AUG上游由3-9碱基组成的一段核苷酸序列，它是核糖体结合的位点。2、SD序列的顺序及位置对翻译的影响⑴SD序列的存在与否是mRNA在细胞中翻译的决定因素⑵SD序列的位置是影响翻译效率的重要因素2、隐蔽SD序列对翻译的影响如SD序列处于mRNA的二级结构中，核糖体不能与之结合，只有打破这种结构，核糖体才能结合。（二）mRNA寿命对翻译的的调控作用不同的mRNA有不同的降解速度1、降解mRNA的外切酶主要是3′外切核酸酶mRNA分子末端的二级结构能阻止3′外切酶进攻，凡降解终止子发夹结构的突变都造成mRNA稳定性降低，终止子除转录终止功能外，还决定mRNA的稳定性。2、降解mRNA的内切酶主要是RNaseⅢ发挥作用需要一定的二级结构特征，如RNaseⅢ对整合酶基因（int）的mRNA降解时就需要转录终止子序列所形成的发夹结构上又增添一个发夹结构，这个附加的发夹结构恰好构成了RNaseⅢ的识别位点和切割位点。（三）翻译产物对翻译的调控作用控制自身mRNA的可翻译性，大多是控制翻译的起始。1、RF2合成的自体调控利用释放肽链的职能提前终止其mRNA的翻译。