第三章基因表達的調控

在同一機體的各種細胞內含有相同的遺傳信息，即相同的結構基因，它們在各種細胞中并非同時表達，而是根據機體生長、發育、繁殖的需要，隨著環境的變化，有規律的選擇性、程序性、適度地表達，以適應環境，發揮其生理功能。這就是所謂的調控，即基因表達的調節和控制（regulationandcontrol）。基因表達調控在機體適應環境、維持自身的生長和增殖及維持個體發育與分化等方面均具有重要的生物學意義。整個基因表達的過程分為幾個階段，即基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工等。在上述各個環節中均存在著基因表達調控的控制點。基因表達調控是在多級水平上進行的復雜事件。

原核生物和真核生物在基因表達調控的細節上盡管差異很大，但兩者的調控模式卻具有驚人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表達調控元件也具有統一性。然而，不管是原核生物還是真核生物，轉錄環節是最主要的調控位點。基因調控元件按其屬性可分為核酸和蛋白質兩大類，所有基因表達調控模式的實質無非是兩者之間的相互作用，包括核酸分子內或分子間的相互作用、核酸分子與蛋白分子之間的相互作用以及蛋白分子內或分子間的相互作用。其中第二種作用尤為重要。第一節

原核生物基因表達的調控一、轉錄水平的調控（一）影響轉錄的因素二、翻譯水平的調控（二）轉錄的調控機制（一）SD序列對翻譯的影響

（二）mRNA的穩定性

（三）翻譯產物對翻譯的調控

（四）小分子RNA的調控作用原核生物mRNA結構的特點：（1）原核生物mRNA往往是多順反子的，即每分子mRNA

帶有幾種蛋白質的遺傳信息（來自幾個結構基因）。在編碼區的序列之間有間隔序列，間隔序列中含有核糖體識別、結合部位。在5‘端和3＇端也有非編碼區。（2）mRNA5＇端無帽子結構，3＇端一般無多聚A尾巴。（3）mRNA一般沒有修飾堿基，即這類mRNA的分子鏈完全不被修飾。原核生物基因多以操縱子（operon）的形式存在。操縱子由調控區與信息區組成，上游是調控區，包括啟動子與操縱基因兩部分。啟動子是同RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異性DNA序列，操縱基因是特異的阻遏物結合區。原核生物基因表達調控的環節，主要在轉錄水平，其次是翻譯水平。

一、轉錄水平的調控1、啟動子2、σ因子

3、阻遏蛋白

4、正調控蛋白

5、倒位蛋白（inversionprotein）

（一）影響轉錄的因素6、RNA聚合酶抑制物

7、衰減子

（1）啟動子決定轉錄方向及模板鏈1、啟動子基因轉錄時，σ因子識別并結合-35區，而RNA聚合酶結合于-10區，全酶結合DNA后覆蓋的區域是-40～+20。開始合成RNA后，RNA聚合酶是沿著信息鏈的5′3′方向移動，只能以信息鏈的互補鏈為模板合成RNA。5＇—TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG—3＇-35-10+13＇—

ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC—5＇AGGUCCACG……RNA

3＇

轉錄5

＇

RNA聚合酶σ因子（2）啟動子決定轉錄效率

在E.coli啟動子中，在-35和-10的兩個序列稱為一致性序列（consensussequences）。兩個序列中各堿基的出現頻率為：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96。一般說來，強啟動子的序列與上述序列最接近，弱啟動子（基因表達較少量的mRNA）則與上述序列相差較大，這種調控作用與σ因子的作用有關。識別E.coli啟動子中一致性序列的σ因子主要是σ70亞單位。啟動子序列與上述序列越接近，σ70與之結合的能力越強。σ因子與RNA聚合酶緊密結合，轉錄啟動后，大約合成至8個核苷酸時，σ因子解離，游離的σ因子本身并不直接結合特定的DNA。不同的σ因子可以競爭結合RNA聚合酶。環境變化可誘導產生特定的σ因子，從而打開一套特定的基因。

2、σ因子σsigmarpoH基因翻譯被阻遏低溫或穩定生長狀態σ32減少σ70-RNA聚合酶增多正常基因表達溫度突然升高阻遏解除σ32濃度大大增加形成σ32–RNA聚合酶合成熱休克蛋白轉錄mRNAσ32控制熱休克蛋白基因的表達熱休克蛋白基因的啟動子阻遏蛋白是一類在轉錄水平對基因表達產生負調控作用的蛋白質。阻遏蛋白在一定的條件下與DNA結合。在E.coli中，主要有誘導（induction）和阻遏（repression）兩種類型。在這兩種類型中，阻遏蛋白都可以與特定的信號分子結合而發生變構，在不同構象時，阻遏蛋白或者與DNA結合，或者與DNA解離。

3、阻遏蛋白（repressor）與負調控相反，當調控蛋白結合于特異DNA序列后促進基因的轉錄，這種基因表達調控的方式稱為正調控。E.coli中的一些弱啟動子，本身結合RNA聚合酶的作用很弱，對于這些啟動子來說，正調控作用是很重要的。

（1）CAP蛋白（分解代謝物基因活化蛋白

catabolitegeneactivatorprotein）：這種蛋白可將葡萄糖饑餓信號傳遞給許多操縱子，使細菌在缺乏葡萄糖的環境中可以利用其他碳源。CAP結合DNA由cAMP控制。

（2）ntrC蛋白

4、正調控蛋白5、倒位蛋白（inversionprotein）

是一種位點特異性的重組酶（site-specificrecombinationenzyme）。倒位基因啟動子阻遏物基因啟動子H2H1H2H1啟動子啟動子阻遏物蛋白H2蛋白阻遏物基因可倒位區H1蛋白mRNAONONONONONOFFOFFOFFmRNAOFF7、衰減子

細胞中的mRNA轉錄和蛋白質翻譯合成是偶聯在一起的。這一特點使細菌的一些操縱子中的特殊序列可以在轉錄過程中控制轉錄水平。這些特殊的序列稱為衰減子（attenuator）。又稱弱化子。位于上些操縱子中第一個結構基因之前，是一段能減弱轉錄作用的順序。如色氨酸操縱子中的衰減子位于L基因中。

6、RNA聚合酶抑制物在氨基酸缺乏時，游離核糖體與空載的tRNA增加，在ATP的存在下，使RNA聚合酶構象改變，活性降低，rRNA和tRNA合成減少或停止。富含氨基酸時則相反。乳糖操縱子調控的機制

（二）轉錄的調控機制

在含有葡萄糖和半乳糖的培養基中，E.coli和某些腸道菌優先利用葡萄糖生長，當葡萄糖耗盡后，細菌暫時停止生長，開始合成與半乳糖利用有關的酶，然后細胞又恢復生長，這就是細胞二度生長現象。這種分解代謝產物阻遏有時也稱為葡萄糖效應。

在葡萄糖不存在、乳糖存在時，CAP發揮正調控作用，阻遏蛋白由于誘導劑的存在而失去負調控作用，基因被打開，啟動轉錄。其他幾種情況，基因都處于關閉狀態。CAPCAP結合位點啟動子操縱基因結構基因+葡萄糖+乳糖+葡萄糖-乳糖-葡萄糖-乳糖-葡萄糖+乳糖開放關閉關閉關閉轉錄mRNA阻遏物RNA聚合酶乳糖操縱子的實際應用

lacZ基因作為轉錄和翻譯融合體中的報告基因得到廣泛應用，從細菌到果蠅甚至人類細胞。該基因的產物—β-半乳糖苷酶可以將X-gal分解產生顯示出藍色的反應，利用這一特性可在基因克隆中進行藍白菌落篩選。含有重組DNA的菌落為無色，而含非重組DNA的菌落為藍色。1、SD序列（SDsequence）的順序及位置對翻譯的影響

SD序列，在mRNA的翻譯起始信號（AUG）前的核糖體結合部位，它是與核糖體16SrRNA3＇末端序列互補的核苷酸序列。一般與核糖體結合強的SD序列翻譯效率較高。不同的SD序列有一定的差異，因而翻譯起始效率不一樣。SD序列與起始密碼子之間的距離，也是影響mRNA翻譯效率的重要因素之一。另外，某些蛋白質與SD序列的結合也會影響mRNA與核糖體的結合，從而影響蛋白質的翻譯。二、翻譯水平的調控（一）SD序列對翻譯的影響2、mRNA二級結構隱蔽SD序列的作用在某些mRNA分子中，核糖體結合位點在一個二級結構（莖環）中，使核糖體無法結合，只有打破莖環結構，核糖體才能結合。

細菌mRNA通常是不穩定的。mRNA的降解速度是翻譯調控的另一個重要機制。蛋白質合成速率的快速改變，不僅是因為mRNA不斷合成以及mRNA合成與蛋白質翻譯偶聯，更重要的是，許多細菌mRNA降解很快。E.coli的許多mRNA在370C時的平均壽命大約為2min，很快被酶解。（二）mRNA的穩定性

細菌的生理狀態和環境因素都會影響mRNA的降解速度。另外，mRNA的一級結構和次級結構對mRNA的穩定性也有很大的影響，一般在其5＇端和3＇端的發夾結構可保護其不被外切酶迅速水解。mRNA的5＇端與核糖體結合，可明顯提高其穩定性。

不同操縱子轉錄出的mRNA分子的平均壽命是不同的，有些mRNA編碼的蛋白質是持續存在的,mRNA也較穩定.如:RNaseⅢ識別一種特殊的發夾結構，將其裂解，使RNA能夠被其它RNA酶降解。而這種發夾結構可能是其它RNA酶所不能破壞的。如果這種發夾結構被保護，mRNA的壽命就延長了。

有些mRNA編碼的蛋白質，本身就在蛋白質翻譯過程中發揮作用的因子。這些因子可對自身的翻譯產生調控作用。1、核糖體蛋白在細菌中，每個核糖體含有約50種不同的蛋白質，必須以同樣的速率合成，而且，合成這些蛋白質的速率是與細胞增殖相適應的。生長條件的改變，可以導致所有核糖體組分的迅速增加或降低，翻譯水平調控在這些協調控制中起著關鍵作用。2、翻譯終止因子RF2調節自身的翻譯

RF2識別終止密碼UGA和UAA,RF1識別終止密碼UAG和UAA。（三）翻譯產物對翻譯的調控

1、調整基因表達產物的類型

2、低水平表達基因的控制

（四）小分子RNA的調控作用主要有兩種類型：

低滲

高滲ompR蛋白ompF基因micF基因ompC基因啟動子啟動子ONONONOFFOFFOFFompF蛋白ompC蛋白ompCmRNA變構的ompR蛋白已轉錄的ompFmRNAmicmRNAmicmRNA：mRNA干擾性互補RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA）阻遏RNA阻遏RNApIN啟動轉錄pOUT啟動轉錄pOUTTn10轉位酶mRNATn10轉位酶mRNApIN轉錄核糖體mRNA核糖體DNAprotein第二節真核生物基因表達的調控

真核生物比原核生物基因表達的調控復雜得多。單細胞真核生物，如酵母基因表達的調控和原核生物表達的調控基本相同，主要通過及時調整酶系統基因的表達來適應環境變化。而多細胞真核生物的機體只有少數基因的表達調控與外界環境變化直接有關，絕大多數的基因表達與生物體的發育、分化等生命現象密切相連。真核細胞是有核的細胞，其轉錄主要在核內，翻譯則在細胞質中有規律地進行，而翻譯產物的分布、定位及功能活性調節也都是可控制的環節。真核生物基因表達的調控可以發生DNA水平、轉錄水平、轉錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平。

真核生物mRNA結構的特點：（1）5′末端有帽子結構。（2）3′端絕大多數均帶有多聚腺苷酸尾巴，其長度為20～30個腺苷酸。（3）分子中可能有修飾堿基，主要有甲基化。（4）分子中有編碼區與非編碼區。一、DNA水平的調控二、轉錄水平的調控三、轉錄后水平的調控四、翻譯水平的調控五、翻譯后水平的調控六、組織特異性表達和時相性

真核生物基因表達在DNA水平的調控主要通過一列幾種方式：1、染色質的丟失一些低等生物（如線蟲等）的細胞發育過程中發現染色質丟失現象及高等動物紅細胞在發育成熟過程中也有染色質的丟失，都是一些不可逆的調控。2、基因擴增（geneamplification）細胞在發育分化或環境改變時，對某種基因產物的需要量劇增，而單純靠調節其表達活性不足以滿足需要，只有增加這種基因的拷貝數（即基因的擴增或基因放大）來滿足需要。這是調控基因表達活性的一種有效方式。3、基因重排（generearrangement）基因重排是指基因片段改變原來存在順序，通過調整有關基因片段的銜接順序，再重排成為一個完整的轉錄單位。基因重排是DNA水平調控的重要方式之一。一、DNA水平的調控4、DNA甲基化在真核生物基因表達調控中，甲基化起著重要作用。一般認為，DNA甲基化與基因的表達呈反比關系。甲基化程度高，基因的表達則降低。去甲基化，又可使基因的表達增加。基因某一特定位點（尤其是靠近5＇端調控序列）的去甲基化可使基因的轉錄活性增加。5、染色質結構對基因表達的調控作用組蛋白與DNA結合，可保護DNA免受損傷，維持基因組穩定性，抑制基因的表達。去除組蛋白則基因轉錄活性增高。這種組蛋白與DNA結合與解離是真核基因表達調控的重要機制之一。

轉錄水平的調控是真核生物基因表達調控中重要的環節。調控作用主要是通過反式作用因子、順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用來完成的。調控作用主要是反式作用因子結合順式作用元件后影響轉錄起始復合物的形成。了解真核生物基因表達在轉錄水平的調控，主要是了解反式作用因子的特點以及反式作用因子對轉錄起始的調控。二、轉錄水平的調控

無論是原核生物還是真核生物，在轉錄起始復合物形成過程中，RNA聚合酶（RNApol）與啟動子的結合都是關鍵的一步。真核生物的RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ，識別不同的啟動子，需要不同的轉錄因子（transcriptionfactor,TF）：TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ。每一類又依發現先后命名為A、B……，如TFⅢA、TFⅢB等。真核生物的轉錄起始復合物的形成過程有三步：①TFⅡD結合TATA盒；②RNApol識別并結合TFⅡD-DNA復合物，形成的是閉合的復合物，DNA雙鏈沒有打開，尚不能啟動轉錄；③其它轉錄因子與RNApol結合，轉錄起始部位的DNA解鏈，形成轉錄起始復合物，或稱開放的復合物（opencomplex），開始轉錄。在轉錄調控過程中，反式作用因子的作用主要是促進或抑制TFⅡD與TATA盒結合、RNApol與TFⅡD-DNA復合物結合以及轉錄起始復合物的形成。（一）轉錄起始復合物的形成1、反式作用因子（trans-actingfactor）

真核細胞內含有大量的序列特異性的DNA結合蛋白，其中一些蛋白的主要功能是使基因開放或關閉，稱為反式作用因子，簡稱反式因子，這是一類細胞核內蛋白因子。在結構上含有與DNA結合的結構域，是結合特異的DNA序列所必需的。反式作用因子在細胞中的數量很小，大約每3000個核小體中有一個分子，或每個哺乳類細胞中有104個左右。這些蛋白質識別特定的DNA序列（通常8—15個核苷酸），與DNA結合后，可以促進（正調控）或抑制（負調控）一個鄰近基因的轉錄。在多細胞有機體中，不同的細胞類型具有不同的反式作用因子群體，引起每一細胞類型表達不同的成套基因。

（二）反式作用因子①一般具有三個功能結構域：DNA識別結合域，轉錄活性域，結合其它蛋白的結合域。這些功能區含有幾十到幾百個氨基酸殘基。②能識別并結合上游調控區中的順式作用元件。③對基因表達有正性和負性調控作用，即激活和阻遏基因的表達。具有正性調節作用的反式因子和相應的順式元件結合后，可能還要通過與RNA聚合酶或其它反式因子與相應的順式元件結合后才能產生效應。2、反式作用因子的主要特點3、反式作用因子結構域的模式（1）DNA結合域（DNA-bindingdomain）①鋅指結構（zincfingermotif）指在結合DNA的結構域中含有較多的半胱氨酸和組氨酸的區域，借肽鏈的彎曲使2個Cys和2個His或4個Cys與一個鋅離子絡合成的指狀結構。②同源結構域（homodomain,HD）指在結合DNA的結構域中的一段保守序列，由60個左右氨基酸組成的螺旋-回折-螺旋結構。③亮氨酸拉鏈結構在結合DNA結構域中有一段約由30個氨基酸組成的核心序列，可形成兩性α-螺旋。在螺旋的一側以帶電荷的氨基酸殘基為主，具有親水性，另一側是排列成行的亮氨酸，具有疏水性，稱為亮氨酸拉鏈區。兩個具有亮氨酸拉鏈區的反式作用因子以疏水力作用形成亮氨酸拉鏈。（2）轉錄活化結構域（transcriptionalactivationdomain）②富含谷氨酰胺結構域（glatamine-richdomain）④螺旋-環-螺旋（helix-loop-helix,HLH）結構⑤堿性α-螺旋（alkalineα-helix）指DNA結合域具有α-螺旋結構，并含有高密度的堿性氨基酸，無鋅指結構、同源結構域及亮氨酸拉鏈結構。100～200個氨基酸的肽段，具有兩個能形成兩性α-螺旋的區域。①

酸性α-螺旋結構域（acidicα-helixdomain）含有較多的負電荷，能形成親脂性α-螺旋。③富含脯氨酸結構域（proline-richdomain）1、反式作用因子的活性調節（三）轉錄起始的調控2、反式作用因子與順式元件的結合3、反式作用因子的作用方式4、反式作用因子的組