第五章 基因表达的调节（Gene regulation）基因表达（gene expression）：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。一一. 引引论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。二二. 转录水平水平调节的方式的方式 基因产物的功能不同，调节方式也不同1. Housekeeping genes（看家基因，持家基因）或称组成型表达基因（constitute expression gene） 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。三三. 启启动子子调节（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。四四. 能与能与DNA结合的蛋白合的蛋白质因子的因子的调节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（70普通因子；32，for heat shock）；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（negative regulation）；由激活子增加转录作用的调节称为正调节（positive regulation）；五五. 许多原核基因是以操多原核基因是以操纵子（子（operon）为单位位调节的，操的，操纵子是子是细菌基因菌基因表达的表达的调节单位（位（unit），），包括包括结构基因和由构基因和由调节子基因子基因产物物识别的的DNA控制元件（序列）。一个操控制元件（序列）。一个操纵子通常有子通常有2-6个基因，最多可含个基因，最多可含20多个多个基因，是基因，是细菌普遍的基因表达菌普遍的基因表达调控方式；控方式；1. 乳糖操乳糖操纵子（子（Lac operon）2. 乳糖操乳糖操纵子的子的负调控控 组成型（constitute）突变确定阻遏子的负调控作用a. Lac I 基因的突变或缺失造成LacZ，Y，A的组成型表达；部份二倍体lac I/lac I+ 恢复正常的调控，说明lac I是反式作用因子（trans acting factor，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. Lac operon的正的正调节 可诱导的分解代谢操纵子受CAP蛋白的总调节（global control）；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（Catabolite gene Activation Protein，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Lac mRNA的转 录，CAP的结合使Lac操纵子的表达增强50倍。crp基因（cAMP receptor protein，CRP）：与腺苷酸环化酶基因突变抑制Lac opreon的表达。CAP的作用位点（见图）： Lac -72 to-52，gal -50 to -23，ara -107 to -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Lac mRNA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Lac mRNA才被大量转录。六六. 调节蛋白与蛋白与DNA的的结合合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-螺旋（79个氨基酸)由-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（Zinc Finger） 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Cys2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（Leucine Zipper），-螺旋中每 7个氨基酸出现一个Leu。七七. 阿拉伯糖操阿拉伯糖操纵子：一种既子：一种既进行正行正调节也能起也能起负调节作用的作用的调节蛋白。蛋白。 ara operon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（DNA looping）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. ara operon的组成 三个结构基因ara A，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Xyl5P （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ara operon有三个araC的结合顺序araO1，O2，I，还有CAP结合位点，结构基因ara BAD转录方向与araC mRNA相反； b. 当细胞中araC蛋白浓度超过40 copies/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ara operon是个复杂的调节系统，对环境改变可提供迅速的可逆反应。八八. 色氨酸操色氨酸操纵子的双重控制子的双重控制1. 色氨酸操色氨酸操纵子是可以阻遏的子是可以阻遏的 终产物色氨酸为辅阻遏子(co-repressor) promoter 40到+18 oprerator 10（23到3） RNA polymerase与repressor对promoter的结合互相排斥； 基线水平表达（basal或repressed level）2. 色氨酸操色氨酸操纵子子还被被转录弱化作用控制弱化作用控制 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（leader sequence）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. 弱化子弱化子调节的普遍性的普遍性 多价阻遏（multivalent repression）：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反反应的的诱导 SOS rugulon的调节蛋白LexA和RecA LexA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 pol B DNA多聚酶II uvrA,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；九九. 噬菌体噬菌体的的发育育调控控 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； 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） 进入细菌细胞后的两种命运： 溶菌周期（lytic cycle）：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。的调节因子及功能 调节因子 功能 cI 阻遏子，在PR和PL的阻遏子， PRM的激活子，也是PRM的阻遏子 cII PRE和Pint的激活子 Cro 反阻遏子PRM的阻遏子，高浓度 时也阻遏PR,PL N 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 PR 右向转录主启动子 PL 左向转录主启动子 PRM cI基因启动子（用于溶原维持） PRE cI基因启动子（用于溶原建立） Pint 整合和切出有关基因启动子环化噬菌体遗传图2. 溶菌和溶原的选择是五种调节蛋白cI，cII，Cro，N，Q作用于调节顺序的结果，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， 完成溶菌周期，细胞溶解；反终止蛋白（Antitermination protein）：能使RNA聚合酶通过终止点而继续转录的蛋白。4.溶原的建立和维持（1）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PRE的转录产生cI蛋白（阻遏子），cI蛋白阻遏从PL和PR的转录但是它又是从PRM（维持启动子）的自动调节因子，使整合入寄主染色体，并维持溶原状态；（2）溶原或溶菌（烈性感染）途径的采取部份决定于寄主的营养状态，cII蛋白易 受寄主细胞蛋白酶的破坏，当细胞营养充足是，蛋白酶活性高，而使进入溶菌周期。 溶原状态的建立和维持（见图）5.反阻遏子Cro和从溶菌状态的诱导（1）整合状态的噬菌体称原噬菌体（prophase）；（2）当寄主受到DNA损伤试剂或紫外光等物理因子处理时诱发SOS反应，recA蛋白的蛋白酶活性激活，于是cI蛋白被水解， PL，PR的阻碍解除，Cro基因被转录，Cro反阻遏子合成；（3）Cro蛋白对O的亲和力与cI相反，是OR3 OR2 OR1，因而它先结合在OR3，阻遏cI基因的转录和翻译，PR，PL的转录开始，并逐步产生溶菌周期的蛋白，使从寄主DNA上切出，进入溶菌状态。6. cI蛋白与Cro蛋白的拮抗作用 阻遏子和Cro蛋白的六个结合位点一条链的碱基顺序操纵基因并列三个阻遏子结合位点 每个操纵基因结合位置有17bp，有轴对称性，六个结合位点都相似，但有一定的差异； cI阻遏子对操纵基因的亲和力 OL1OL2OL3 Cro反阻遏子相反 OR1OR2OR3阻遏子在操纵基因上的结合 阻遏子亚基27,000 daltons,分N末端区（92个氨基酸残基），C末端（132-236），40个残基的连接肽键。原核生物核糖体蛋白合成的自我调节及与rRNA合成的协调（autogenous contol）a. 核糖体蛋白（r-protein）与其他细胞中的蛋白质合成因子，RNA聚合酶亚基基因混合组成多个操纵子，以协调合成的速度；b. 自我调节发生在翻译水平，每个操纵子中编码着一种“关键”蛋白（key-protein），这种蛋白浓度增加时会结合于mRNA的翻译起始位置，造成“翻译阻遏”（translation repressor）协调细胞内氨基酸浓度的“应急反应”（stringent response） GDPATP 酶 ppGppAMP 导致rRNA合成的急剧减少；c. r-protein的合成受rRNA水平的调节十十. 基因表达的重基因表达的重组调节 生活在人小肠中的沙门氏杆菌（Salmonella）会周期性地改变鞭毛蛋白（phase variation，约1000细胞世代一次），鞭毛蛋白地周期性改变以逃避寄主免疫系统的攻击。十一十一. 真核基因表达的真核基因表达的调节 特点：a. 转录的激活与染色质结构的多种改变相关；(chromatin remodeling)b. 主要的调控是正调节；c. 转录和翻译在空间上是分离的（有核与核膜存在）；d,调节蛋白结构更复杂。一一. 转录活性染色活性染色质具有特殊性具有特殊性质1. 转录活化区域对核酸酶是高度敏感的，通常染色质被DNase降解,DNA片断长约为n200bp，转录活性区上游被 降解位点更不规则，产生不规则片断；这些位点称为高敏感区。2. 脱甲基化 胞嘧啶甲基化一般发生在CpG顺序，有转录活性的染色质DNA常被脱甲基化；3. 转录活跃染色质缺少组蛋白和相关蛋白，核小体核心蛋白常被乙酰化或与泛素（ubiquitin）相结合； 以上事实证明转录必需解除染色质结构中的障碍。二二. 大多数的真核启大多数的真核启动子是正子是正调控的控的1. 真核RNA多聚酶II对基因的转录依赖激活蛋白（activators），RNA polymerase II对启动子顺序很少或没有特殊亲和力，负调节因子不普遍；2. 真核生物采取正调节的两种原因 a. 真核生物基因组庞大，随着DNA量增加，负调控因子和DNA特殊顺序结合的特异性降低。转录起始使用多种正调节蛋白可以提高特异性。各种正调节因子 必须结合于不同的DNA顺序，然后形成转录复合物，转录辅因子的选择性组合具有多样性，转录的特异性就可被改善。 多细胞有机体一个基因的调节位点平均在五个以上；b. 在大基因组中使用正调节更有效，经济。 人（约4万个基因），通常大部分基因处于灭活状态，细胞只要选择性地合成一组激活蛋白，便可以使一组细胞所需的基因被转录；c. 增强子（enhancer）：真核细胞中普遍存在的正调控元件，激活转录特点：I. 可以在长距离内起作用，与被调节基因的相对位置无关，如SV40增强子，2个72bp的串联重复顺序，能在5.2kb长的整个基因组的任何一个位置起作用；II. 一种增强子只能在特定类型的细胞内起作用，如免疫球蛋白基因增强子只能在B淋巴细胞中有功能，负责基因表达的组织特异性；d, 在酵母中称UAS顺序。增强子介导糖皮质激素的作用 激素受体 结合于 糖皮质激素增强子 基因激活子 刺激有关基因表达十二十二. 真核基因表达的真核基因表达的调节蛋白蛋白一一. TATA结合蛋白（合蛋白（TBP） 组装预起始复合物(preinitiation complex)，含普通转录因子TFIIB，TFIIE，TFIIH，RNA聚合酶等，对调节不敏感，当promoter藏于染色质中时，不能形成复合物；二二. DNA结合反激活蛋白（合反激活蛋白（DNA-banding transactivators）激活能力因启动子不同而异；有些transactivators结合于增强子； Gal4p(-)，SP1（QQQ），CTF1（PPP）；三三. 辅激活蛋白复合物（激活蛋白复合物（coactivator protein complex），），是是DNA结合反激活蛋白与合反激活蛋白与RNA聚聚合合酶的中介物（的中介物（mediator），TFIID含TBP，TAFs，可能起替换核小体的作用； 其激活结构域 PPP Proline rich - - - 酸性 QQQ glutamine rich 有些激活因子可能通过中介蛋白（辅激活因子）起到转录激活作用。 UAS：upstream activator sequence，上游激活顺序。十三十三. 生物的生物的发育是由育是由调节蛋白蛋白级联控制的控制的果蝇与发育有关的基因1. 母性基因（母性基因（maternal genes） 功能：建立前部后部，胸部腹部轴心，由受精之前卵细胞的助细胞表达，保存在卵细胞前极。母性基因mRNA的主要特征是它的不对称分布；2. 节化基因（化基因（segmentation genes） 由母性基因的产物调节，如bcd基因调节 huachback基因，其中一种基因ftz基因控制体节的正确形成，缺失会造成七节；3. 同源异型基因（同源异型基因（homeotic genes） 丢失和突变会造成附肢和身体结构异常，这个基因产物与DNA结合的结构域已被证实，称homeodomain，其DNA顺序称homeobox。