基因表达的调节

第五章基因表达的调节（Generegulation）基因表达（geneexpression）：基因被转录产生RNA，编码着蛋白质结构信息的mRNA被翻译成蛋白质，总之，基因的信息被转录，翻译成终产物的过程称为基因表达。一.引论a.基因的多样性及表达的差异性细胞在任何给定的时间内都表达的基因只有一小部分；肽链延长因子，细菌细胞中大量存在的蛋白质（基因产物）之一；DNA损伤修复酶，每个细胞只有几个拷贝；代谢途径的酶，因食物来源不同而变化数量；一些影响细胞分化的蛋白只存在极短时间。b.基因表达的调节是细胞代谢平衡及维持发育期间不同细胞的结构和功能差异的关键；c.蛋白质（或RNA）在细胞内浓度可以在六个水平上被调节；RNA的转录；mRNA的转录后修饰和加工；mRNA的降解；蛋白质合成（翻译）；翻译后修饰；蛋白质降解；所有以上过程，转录水平的调节了解的最多也是最主要的。二.转录水平调节的方式基因产物的功能不同，调节方式也不同1.Housekeepinggenes（看家基因，持家基因）或称组成型表达基因（constituteexpressiongene）这些基因的产物是所有细胞，所有时候都需要的，基因的表达水平相对稳定；2.因为某种信号分子的出现引起表达增加的基因称为可诱导（inducible）的基因，由于信号分子的出现导致基因表达增加的过程称诱导作用（induction）；3.因为某种信号分子浓度的增加而表达减少的基因称为可阻遏（repressible）基因，由于信号分子的出现导致基因表达减少的过程称阻遏作用（repression）；基因表达的调节是由蛋白质和DNA之间的相互作用介导的。三.启动子调节（promoter）原核启动子与RNA多聚酶的亲和力决定转录起始频率，相差可达1000倍以上。四.能与DNA结合的蛋白质因子的调节1.特异性因子：能促使RNA多聚酶对特定的一些启动子的结合的蛋白质因子（σ70普通σ因子；σ32，forheatshock）；2.阻遏子（repressors）：能结合于启动子阻遏RNA多聚酶与起动子结合的蛋白质因子；3.激活子（activators）：真核生物称反激活子，能结合于启动子附近增加RNA多聚酶和启动子结合的蛋白质因子。由一种阻遏蛋白阻断转录的调节称为负调节（negativeregulation）；由激活子增加转录作用的调节称为正调节（positiveregulation）；五.许多原核基因是以操纵子（operon）为单位调节的，操纵子是细菌基因表达的调节单位（unit），包括结构基因和由调节子基因产物识别的DNA控制元件（序列）。一个操纵子通常有2-6个基因，最多可含20多个基因，是细菌普遍的基因表达调控方式；1.乳糖操纵子（Lacoperon）2.乳糖操纵子的负调控组成型（constitute）突变确定阻遏子的负调控作用a.LacI基因的突变或缺失造成LacZ，Y，A的组成型表达；部份二倍体lacI－/lacI+恢复正常的调控，说明lacI是反式作用因子（transactingfactor，有游离转录产物，因而功能可以互补于另一同源染色体的等位基因位点。b.操纵基因（operator）为顺式显性因子（cis-acting，cis-dominant），它的突变造成它下游基因的组成型表达；顺式行为因子：只调节与它共价相连的基因表达的DNA顺序单位，一般无转录产物；3.Lacoperon的正调节可诱导的分解代谢操纵子受CAP蛋白的总调节（globalcontrol）；a.当E.coli生长在含葡萄糖的介质中时，许多其它糖类分解代谢酶基因的表达受到抑制，在有葡萄糖存在时，细菌优先利用葡萄糖；b.葡萄糖降低细胞中c-AMP的浓度，抑制了其它糖代谢基因的表达；c.CAP蛋白（CatabolitegeneActivationProtein，CAP，分解代谢基因激活蛋白）与c-AMP结合形成活性结构，结合在启动子上游DNA顺序，促进RNA多聚酶对启动子的结合和LacmRNA的转录，CAP的结合使Lac操纵子的表达增强50倍。crp基因（cAMPreceptorprotein，CRP）：与腺苷酸环化酶基因突变抑制Lacopreon的表达。CAP的作用位点（见图）：Lac-72to-52，gal-50to-23，ara-107to-78，可能的作用方式模型I.CAP-RNA多聚酶相互作用形成转录复合物；II.CAP弯曲所结合的DNA片断，帮助RNA多聚酶转录复合物的形成；由于CAP是除葡萄糖以外的许多糖分解代谢操纵子的正调节因子，这种受一种调节蛋白所控制的操纵子网络总称调节网（regulon）。III.CAP受cAMP的激活，促进LacmRNA的转录；IV.葡萄糖存在时cAMP的水平下降，结果是葡萄糖存在时，E.coli先利用葡萄糖不用乳糖。乳糖操纵子的三种状态表明只有阻遏蛋白不在而cAMP-CAP存在时LacmRNA才被大量转录。六.调节蛋白与DNA的结合1.调节蛋白有着独特的与DNA结合的特殊结构域（domain），结合DNA特殊顺序的能力比普通顺序高出105-107倍。用于与DNA结合的是调节蛋白中的几个二级结构元件的固定组合，称为模序（或模体，motif），motif是核酸或蛋白质中的超二级结构。a.在双螺旋DNA的大沟与小沟中有着可供识别的碱基上的氢键供体和受体及疏水基团；b.调节蛋白识别结构模序中常含Asn，Gln，Lys或Arg，可与碱基形成氢键；2.调节蛋白与DNA结合motif的结构类型a.螺旋－转角－螺旋（Helix-Turn-Helix）这种结构含两个α-螺旋（7－9个氨基酸)由β-转角（20个氨基酸）连系，其中一个螺旋为识别螺旋，通常含有许多与DNA接触的氨基酸残基，位于大沟之中；b.锌指（ZincFinger）真核生物调节蛋白常含有许多由30个氨基酸组成的“锌指”，其中4个AA残基（4个Cys或2个Cys＋2个His），配位结合着锌粒子，形成指状结构。3.调节蛋白还和其他蛋白相互作用调节蛋白的其它结构域参加与RNA多聚酶结合或者与同一种蛋白结合成二聚体或多聚体。介导蛋白质－蛋白质相互作用的结构模序具有特征性，如转录辅因子中的亮氨酸拉链（LeucineZipper），α-螺旋中每7个氨基酸出现一个Leu。七.阿拉伯糖操纵子：一种既进行正调节也能起负调节作用的调节蛋白。araoperon调节方法：几种特殊的调节机制。1.araC蛋白既能进行正调控也能进行负调控，信号分子的结合使它由阻遏子变构成激活子；2.araC蛋白调节它本身基因的表达。当它细胞内含量多时阻遏自己基因转录，这种现象叫自我调节（autoregulation）；3.一些调节顺序能远距离起作用，通过蛋白对蛋白和蛋白对DNA的互相作用把远距离顺序靠DNA的环化（DNAlooping）引到启动子附近，这种特点使ara调节系统成为真核生物基因远距离调控的一个重要范例。a.araoperon的组成三个结构基因araA，B，D编码着阿拉伯糖异构酶，核酮糖激酶，5－磷酸核酮糖差向异构酶，通过三步反应把ara变Xyl－5－P（5－磷酸－木糖），一个五碳糖代谢的中间体）；ara操纵子的调节蛋白araC基因在ara操纵子的上游。在araoperon有三个araC的结合顺序araO1，O2，I，还有CAP结合位点，结构基因araBAD转录方向与araCmRNA相反；b.当细胞中araC蛋白浓度超过40copies/cell，它结合O1，阻止自身基因的转录了；c.araC既是阿拉伯糖操纵子的正调节因子，又是负调控因子。（1）当glucose丰富而ara不存在时araC结合于araO1，O2和I，结合在O2和I上的araC蛋白相结合使DNA形成一个环，阻止araBAD基因的转录；（2）当葡萄糖不存在（或低水平）而ara糖存在时，此时CAP-cAMP结合于araI附近，arabinose作为诱导物与araC结合改变的蛋白的构象结合于araI，成为基因激活子和CAP-cAMP协调作用以诱导araBAD基因的转录；（3）ara，glu都存在或（4）都不存在时，操纵子都处阻遏状态；以上事实说明araoperon是个复杂的调节系统，对环境改变可提供迅速的可逆反应。八.色氨酸操纵子的双重控制1.色氨酸操纵子是可以阻遏的终产物色氨酸为辅阻遏子(co-repressor)promoter－40到+18oprerator－10（－23到－3）RNApolymerase与repressor对promoter的结合互相排斥；基线水平表达（basal或repressedlevel）2.色氨酸操纵子还被转录弱化作用控制弱化子（或衰减子，Attenuator）：能使弱化作用发生的DNA顺序（转录产物RNA两种不同的二级结构控制后续的转录）。色氨酸操纵子mRNA的前导顺序（leadersequence）有不同的碱基配对结构。转录衰减机制：由于转录和翻译偶联，前导顺序中富含色氨酸密码，可作为细胞中色氨酸浓度的传感器，前导肽合成的速度影响核糖体的位置，进而影响前导顺序的二级结构。当色氨酸丰富时，终止子结构形成；当色氨酸处于饥饿状态时，终止子顺序不形成有效的转录终止结构，使mRNA的转录得以继续；弱化作用：用与翻译偶联的转录终止作用来调节一个细菌操纵子的表达的过程。3.弱化子调节的普遍性多价阻遏（multivalentrepression）：前导肽中有两种或两种以上用于弱化调节作用的氨基酸残基的现象。SOS反应的诱导SOSrugulon的调节蛋白LexA和RecALexA阻遏子，调节所有SOS基因，能在Ala-Gly肽键发生自我切割而灭活，激活所有的SOS基因；RecA蛋白，多功能蛋白，被单链DNA激活，能使同源DNA顺序交叉互换，有ATPase活性，同时还是蛋白酶和辅蛋白酶（coprotease）活性。SOS反应SOS反应诱导的部分基因基因功能polBDNA多聚酶IIuvrA,B,C核苷酸切割修复内切酶umuC,D差错倾向修复所需recA……DNA损伤触发SOS反应是由一种阻遏蛋白水解导致的；recA蛋白是一种多功能蛋白，当它和ssDNA结合时，它有蛋白水解酶活性；LexA蛋白是recA合成的阻遏子；LexA蛋白被recA水解造成recA蛋白本身及其他蛋白的合成；九.噬菌体λ的发育调控λ的转录调控用级联（cascade）调控方法，为了有序地组装噬菌体颗粒，把基因分组分阶段表达；λ决定溶源化或溶菌命运的调控，为了解真核生物的发育调控提供了一种模式。1.溶菌（Lysis）和溶源化（Lysogeny）λ进入细菌细胞后的两种命运：溶菌周期（lyticcycle）：新一代噬菌体颗粒产生并导致细胞溶解；溶源化：噬菌体DNA在寄主染色体上整合，并随寄主DNA复制传代的过程。λ的调节因子及功能调节因子功能cIλ阻遏子，在PR和PL的阻遏子，PRM的激活子，也是PRM的阻遏子cIIPRE和Pint的激活子Cro反阻遏子PRM的阻遏子，高浓度时也阻遏PR,PLN作用于tL1，tR1,tR2的反终止子Q后期基因转录的反终止子启动子PRλ右向转录主启动子PLλ左向转录主启动子PRMcI基因启动子（用于溶原维持）PREcI基因启动子（用于溶原建立）Pintλ整合和切出有关基因启动子环化λ噬菌体遗传图2.λ溶菌和溶原的选择是五种调节蛋白cI，cII，Cro，N，Q作用于λ调节顺序的结果，它们调节不同启动子上的转录；溶菌a.寄主RNA多聚酶转录前早期蛋白N，Cro，cII；b.N蛋白在nutR，nutL与RNA多聚酶结合使之通读tL1，tR1，tR2，产生Q蛋白；c.Q蛋白使后期基因得以转录表达，λ完成溶菌周期，细胞溶解；反终止蛋白（Antiterminationprotein）：能使RNA聚合酶通过终止点而继续转录的蛋白。4.λ溶原的建立和维持（1）λ的溶原化是由cII基因产物cII蛋白支配的，cII激活子刺激从PRE，Pint的转录。从P