第五章基因表达的调控 ( Regulation and control of gene expression )

第五章基因表达的调控(Regulation and control of gene expression)

概述

一、基因表达的概念 基因表达( gene expression) 生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。

（一）时间特异性 (temporal specificity) 按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。二、基因表达的时间性及空间性

（二）空间特异性(spatial specificity) 指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。

三、基因表达的方式 按对刺激的反应性分为两大类：（一）基本（组成性）表达 (constitutive gene expression) 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。如管家基因。

（二）诱导和阻遏表达 诱导表达(induction expression) 在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。阻遏表达(repression expression) 在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。

协调表达(coordinance expression) 在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。

机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。四、基因表达的调控的概念

蛋白质 ( 主要 ) 五、基因表达的调控因子： • 小分子RNA ( 某些环节 )

基因组 六、基因表达的调控水平 • 转录 • 转录后 • 翻译 • 翻译后

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。第一节原核生物基因表达的调控

1.只有一种RNA聚合酶。 2.基因表达以操纵子为基本单位。一、原核生物基因表达的特点 3.转录和翻译偶联进行。 4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列。

在起始密码AUG上游4～13个碱基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequence）为AGGAGG，能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3′端富含嘧啶的序列结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。 SD（ Shine-Dalgarno ）序列

5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。通常有两种方式： (1) 起始调控，即启动子调控； (2) 终止调控，即衰减子调控。

(一)转录起始的调控 1.б因子及RNA 聚合酶与转录起始的调控 (1) б因子调控RNA 聚合酶与DNA结合：确保RNA 聚合酶与特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。二、原核生物基因表达的调控机制

（2）RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用 RNA 聚合酶：大肠杆菌仅有的一种RNA 聚合酶，要识别相当数量的启动区，需依赖数目繁多的辅助蛋白（如б因子）完成这些功能。启动区序列：保守序列

启动序列 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 -35区 -10区 RNA转录起始 trp TTGACA N17 TTAACT N7 A A tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7 lac TTTACA N17 TATGTT N6 A recA N16 TATAAT N7 A TTGATA Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6 A 共有序列 TTGACA TATAAT

共有序列决定启动序列的转录活性大小。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。

操纵子（operon）：一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。操纵子（operon）：一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。 2.转录起始的负调控乳糖操纵子（lactose operon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。

调控区 结构基因 P O Z Y A Z： β-半乳糖苷酶 Y：透酶 A：乙酰基转移酶操纵元件阻遏基因I 启动子 CAP结合位点乳糖操纵子(lac operon)的结构 DNA

仅有葡萄糖 葡萄糖耗完，有乳糖存在

-10 +1 +10 +20 +30 . . . . . 5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′ 3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5′ lac操纵区序列是一个以+11位GC碱基对为中心的反向重复序列与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。

阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。 3.转录起始的正调控阿拉伯糖操纵子的基因结构图操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调节蛋白AraC。

AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图 不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录，但有低水平的araC基因转录。

AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图 当有阿拉伯糖时，AraC二聚体与阿拉伯糖形成复合物,使Ara C形状改变，I1和I2由一个AraC二聚体占据，从而激发B、A、D基因转录。此时，可有一过性高水平的araC mRNA形成，维持到O1-O2环结构形成。

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。 4．转录起始的复合调控

cAMP:环一磷酸腺苷 CAP：分解代谢基因激活蛋白质 (catabolite gene activator protein，CAP) cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓ 葡萄糖↓，cAMP↑ CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。

CAP CAP CAP CAP CAP CAP + + + +转录 DNA P O Z Y A 无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时

RNA-pol O O mRNA O O 有乳糖没有乳糖葡萄糖低 cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低

※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※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。

原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。（二）转录终止的调控例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式: a.通过阻遏蛋白的负调控 b.通过衰减子作用

Trp （2）转录衰减的调控调节区结构基因 P O RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA 6700个核苷酸 Trp 高时 ? 色氨酸操纵子 140个核苷酸

结构基因 调节区 P O trpR 前导mRNA 1 2 3 4 UUUU…… 终止密码子 trp 密码子衰减子区域衰减子结构 UUUU…… UUUU…… UUUU…… 前导序列 14aa前导肽编码区: 包含序列1 第10、11密码子为trp密码子形成发夹结构能力: 序列1/2>序列2/3>序列3/4

色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构引导序列由一段14氨基酸前导肽编码区和一个衰减子组成，AUG密码子后面紧跟13个密码子，第10、11为色氨酸密码子。

色氨酸操纵子的转录衰减作用 色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA 聚合酶停止在衰减子部位。色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。

意义：这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。意义：这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。 39

(三) 翻译水平的调控 翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子:RNA、蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。

反义RNA 指能与特定mRNA互补结合的RNA片段，反义RNA由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。反义RNA又称mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA, micRNA）。 1.反义RNA的调控作用 41

①反义RNA与mRNA 5ˊ端非翻译区包括SD序列相结合，阻止mRNA与核糖体小亚基结合，直接抑制翻译。反义RNA有三种作用方式： ②反义RNA与mRNA 5ˊ端编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。 ③反义RNA与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。 42

反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达示意图 Tn10转位酶基因由PIN启动子控制，反义RNA的基因由POUT启动子控制。两个启动子方向相反，转录区有35个碱基重叠，互补区覆盖了Tn10转位酶mRNA的翻译起始区，活性POUT比PIN更强。结果是转位酶的表达效率非常低，转位作用极少发生。细菌DNA突变机会减少，易于存活。 43

mRNA的降解速度是翻译调控的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，与许多细菌mRNA降解速度很快有很大关系。例：E.coli的许多mRNA在37℃时的平均寿命大约为2min，细菌可以对环境变化作出快速反应。 2. RNA的稳定性与调控的关系

3.蛋白质合成中的自身调控 大肠杆菌核糖体蛋白有50余种，它们既可与 rRNA 组装成核糖体，也可与自身 mRNA 翻译起始区结合。50种核糖体蛋白的基因分布在几个不同的操纵子中。

第二节真核生物基因表达的调控 单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。

（1）细胞具有全能性全能性：指同一种生物的所有细胞都含有相同的基因组DNA，都有发育成完整个体的潜能。 一、真核生物基因表达的特点（2）基因表达的时间性和空间性时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的。

（3）转录和翻译分开进行 真核生物DNA在核中转录生成 mRNA，在胞质中合成蛋白质。（4）初级转录产物要经过转录后加工修饰初级转录产物——核不均一性RNA（heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA），要经过戴帽(m7GpppN)、加PolyA尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，才形成成熟的mRNA分子。

（5）不存在超基因式操纵子结构 真核生物基因转录产物为单顺反子，一条 mRNA只翻译一种蛋白质。功能相关的基因大多数分散在不同的染色体上，分别进行转录。（6）部分基因多拷贝既可满足细胞的需要，也是表达调控的一种有效方式。

二、真核生物基因表达调控的机制 （一）基因组DNA水平的调控 1.染色质的丢失不可逆的调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。

2.基因扩增（gene amplification） 当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。

3.基因重排（gene rearrangement） 指某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位。调节表达产物多样性。

第五章基因表达的调控 ( Regulation and control of gene expression )