第十八章基因表達調控RegulationofGeneExpressionLifangfang2016-12-12第一節

基因表達與基因表達調控的基本概念與特點BasicConceptionsandCharactersofGeneExpressionandit’sRegulation一、基因表達是基因轉錄和翻譯的過程是細胞以基因DNA為模板，轉錄出RNA，以及，以mRNA為模板，翻譯出蛋白質的過程如果基因表達了，那么，就有相應的mRNA和蛋白質出現否則，就是基因沒有表達基因表達(geneexpression)每一個基因的表達是受調控的。二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性某一特定基因的表達嚴格按一定的時間順序發生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。

多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。胚胎發育期（二）空間特異性一種基因在個體的不同組織不同細胞或器官表達，這就是基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。又稱細胞特異性(cellspecificity)或組織特異性(tissuespecificity)。三、基因表達的調控基因表達調控（regulationofgeneexpression）細胞或生物體在接受內外環境信號刺激時在基因表達水平上做出應答的分子機制按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本（或組成性）表達誘導或阻遏表達（一）有些基因幾乎在所有細胞中持續表達某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達，不易受環境條件的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。這類基因表達被視為基本（或組成性）基因表達(constitutivegeneexpression)。ActinGAPDH（二）有些基因的表達受到環境變化的誘導和阻遏在特定環境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，即這種基因表達是可誘導的。如：熱應激蛋白可誘導基因(induciblegene)在一定的環境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。

如果基因對環境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)。四、基因表達：受順式作用元件和反式作用因子共同調節順式作用元件(cis-actingelement)：調控基因轉錄的DNA序列，一般可以和反式作用因子結合，包括：啟動子，增強子和沉默子反式作用因子(trans-actingfactor)

能夠和順式作用元件結合，調控基因表達的蛋白質分子

研究重點每一個特定基因的順式作用元件和反式作用因子的相互作用五、基因表達調控呈現多層次和復雜性DNA層次：轉錄起始(最重要、最復雜)mRNA的加工蛋白質生物合成翻譯后加工mRNA的降解第二節

原核基因表達調控RegulationofGeneExpressioninProkaryote原核生物大多數基因表達調控是通過操縱子機制實現一、操縱子是原核基因轉錄調控的基本單位

蛋白質因子特異DNA序列編碼序列

啟動元件

操縱元件

其他調節基因(promoter)(operator)操縱子模型的普遍性多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個多肽鏈的編碼信息。啟動子是RNA聚合酶和各種調控蛋白作用的部位，是決定基因表達效率的關鍵元件。各種原核基因啟動序列特定區域內，通常在轉錄起始點上游-10及-35區域存在一些相似序列，稱為共有序列。共有序列在-10區域是TATAAT，在-35區域為TTGACA共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。圖18-15種E.coli啟動序列的共有序列

基因表達有正調控和負調控調節原核生物基因表達的效應蛋白可分：阻遏蛋白----負調控因素激活蛋白----正調控因素調節基因（regulatorygene）編碼能夠與操縱序列結合的調控蛋白，可以分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。調控蛋白的作用分別是①特異因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力；②阻遏蛋白可以識別、結合特異DNA序列──操縱序列，抑制基因轉錄，所以阻遏蛋白介導負調節（negativeregulation）。阻遏蛋白介導的負性調節機制在原核生物中普遍存在；③激活蛋白可結合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結合能力，從而增強RNA聚合酶的轉錄活性，是一種正調控（positiveregulation）。二、乳糖操縱子是典型的誘導型調控（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶ZYAOPDNA圖18-2lac操縱子與阻遏蛋白的負性調節mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節阻遏基因1.阻遏蛋白的負性調節mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶圖18-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調節++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時2.CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP分解代謝阻遏單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)3.協同調節當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。。

mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO圖18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導劑對lac操縱子的調節乳糖操縱子的開放條件（環境因素）1當僅有Glc時，乳糖操縱子不開放2當有Glc和Lac時，乳糖操縱子不開放3當沒有Glc也沒有Lac時，不開放4只有一種條件可以開放：沒有Glc，有Lac：開放第三節

真核基因表達調控RegulationofGeneExpressioninEukaryote圖18-5真核生物基因表達的多層次復雜調控二、染色質結構與真核基因表達密切相關活性染色質(activechromatin)具有轉錄活性的染色質超敏位點（hypersensitivesite)當染色質活化后，常出現一些對核酸酶（如DNaseI）高度敏感的位點基因被激活的區域染色質對核酸酶極為敏感轉錄活化染色質的組蛋白發生改變組蛋白結構及其化學修飾（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體組蛋白修飾和組蛋白密碼1組蛋白的修飾直接影響染色質或核小體的結構，2化學修飾征集了其他調控基因轉錄的蛋白質，為其他功能分子與組蛋白結合搭建了一個平臺。這些理論構成了“組蛋白密碼”的假說。組蛋白氨基酸殘基位點修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化裝配H4Lys-12乙酰化裝配H4Lys-16乙酰化核小體裝配H4Lys-16乙酰化FlyX激活組蛋白修飾對染色質結構與功能的影響

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)：CG重復出現，長度約300-3000bp稱為CpG島，存在于整個基因組中，特別是常常位于基因的啟動子和第一外顯子區域。CpG島：C可以被甲基化修飾，它的多少與基因被激活有關表觀遺傳

（epigeneticinheritance)

：染色質結構對基因表達的影響可以遺傳給子代細胞，其機制是細胞內存在著具有維持甲基化作用的DNA甲基轉移酶，可以在DNA復制后，依照親本DNA鏈的甲基化位置催化子鏈DNA在相同位置上發生甲基化DNA相同，DNA的甲基化不同，基因表達不同同卵雙生子，長相和行為有差異三、基因組中的順式作用元件是轉錄起始的關鍵調節部位順式作用元件

指可與反式作用因子結合，影響基因表達活性的DNA序列包括：啟動子，增強子和沉默子圖18-7 順式作用元件

A、B分別代表同一基因中的兩段特異DNA序列。B序列通過一定機制影響A序列，并通過A序列控制該基因的轉錄起始的準確性及頻率。A、B序列就是調節這個基因轉錄活性的順式作用元件（一）真核基因啟動子結構和調節啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒

啟動子某一特定基因的轉錄起始點和上游200bp長的DNA序列，可以與反式作用因子結合，起始轉錄，稱為CCAAT盒GC盒TATA盒轉錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉錄起始點酵母真核基因啟動子的典型結構特點啟動子啟動轉錄增強子增加轉錄的頻率啟動子必需有轉錄起始位點增強子遠離轉錄起始位點（二）增強子能夠提高轉錄效率增強子的功能及其作用特征與被調控基因位于同一條DNA鏈上，屬于順式作用元件。是特異性轉錄因子的結合部位不僅能夠在基因的上游或下游起作用，而且還可以遠距離實施調節作用作用與序列的方向性無關需要有啟動子才能發揮作用（三）沉默子能夠抑制基因的轉錄沉