基因表达的调控

参照复旦大学出版社出版的《生物化学与分子生物学》整理，基因表达调控：细胞或生物体在接受内外信号刺激或适应环境变化的过程中，基因表达水平的改变方式及其过程。

基因表达的调控

• 基因表达与基因表达调控
  • 基因表达调控：细胞或生物体在接受内外信号刺激或适应环境变化的过程中，基因表达水平的改变方式及其过程
  • 基因表达及其特点
    • 时间特异性
      • 甲胎蛋白AFP：胎儿肝细胞中可以表达，在胎儿血浆中可以检测到，作为肝癌早期诊断的标准
    • 空间特异性
    • 基因表达的持续性
      • 管家基因：一个生物个体几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件影响的基因
    • 基因表达的可诱导性
      • 诱导基因与阻遏基因：在某些环境信号改变时，一些基因的表达产物会迅速出现升高或降低的现象
  • 基因表达调控
    • 基因表达调控的多层次性
      • DNA水平的调节
        • DNA重排
        • DNA甲基化
      • 遗传信息由DNA通过转录流向RNA
        • 调控最复杂的层次
      • 真核生物初级转录产物经过转录后加工才能成为有功能的成熟RNA，并由细胞核转运到细胞质
      • 蛋白质生物合成
    • 基因表达调控的协调性
      • 协同调节：功能上相关的一组基因协调性共同表达
    • 基因表达调控的主要方式
      • 顺式作用元件：基因组中除了可转录的结构基因，还有能够影响结构基因表达的调节序列，这一序列称为顺式作用元件
      • 反式作用因子：一些调控基因远离被调控的结构基因，本身可以表达并翻译出特定蛋白，可以结合DNA调节序列并发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用因子
    • 基因表达调控的生理意义
      • 适应环境、维持生长和细胞增殖
• 原核生物基因表达调控
  • 原核基因转录调节特点
    • 操纵子：有结构基因和调控序列组成
      • 结构基因通常包括数个功能上有关联的基因，串联排列，共同构成编码区
      • 调控序列
        • 启动子
        • 操纵序列
          • 能够被特异的阻遏蛋白或激活蛋白识别并结合的DNA序列
        • 调节基因（一定距离以外）
          • 编码能够与操纵序列结合的调控蛋白
            • 特异因子：决定RNApol对一个或一套启动序列的特异性识别或结合的能力
            • 阻遏蛋白：特异性识别、结合操纵序列，介导负性调节
            • 激活蛋白：特异性识别、结合操纵序列，介导正性调节
  • 乳糖操纵子调节机制
    • 乳糖操纵子结构
      • 结构基因
        • Z：编码β-半乳糖苷酶
        • Y：编码通透酶
        • A：编码乙酰基转移酶
      • 操纵基因
        • O1：位于转录启动子附近，主要的调节位点
        • O2：位于lac Z后面
        • O3：位于lac I后面
        • O1可以与O2或O3配对形成局部DNA环状结构并与阻遏蛋白结合，实施基因的阻遏
      • I基因编码阻遏蛋白，后者编码阻遏蛋白与O序列结合，使操纵子处于关闭状态，别乳糖或IPTG等可与阻遏蛋白结合，使其构象变化而去阻遏
      • 启动子区上有还有一个CAP结合位点
      • 调控区组成
        • P、O以及CAP结合位点
        • 调控3个酶的编码基因的开关，实现基因产物的协同表达
    • 乳糖操纵子的调节
      • 阻遏蛋白的负调节
        • 没有乳糖时，乳糖操纵子阻遏蛋白与O序列结合，阻遏RNApol与P序列结合，乳糖操纵子处于关闭状态
        • 阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚，因此每个细胞中可能有寥寥数个分子的β-半乳糖苷酶、通透酶和乙酰转移酶生成
        • 有乳糖时，乳糖经过通透酶催化进入细胞，在β半乳糖苷酶作用下转化为别乳糖，别乳糖与阻遏蛋白结合从而使其变构，导致阻遏蛋白与O序列解离，RNApol可顺利与P序列结合
      • CAP正性调节
        • 同二聚体，分子内有DNA结合区以及cAMP结合区
        • 没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，可以结合cAMP从而结合到乳糖操纵子启动序列附近的CAP位点，提高RNA转录活性
        • 有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，CAP的结合受阻，lac操纵子表达下降
      • 协同调节
        • 乳糖操纵子启动子是弱启动子
        • 乳糖操纵子阻遏蛋白阻止转录时，CAP对该系统无效
        • 如果没有CAP来加强活性，那么即便阻遏蛋白从操纵序列上解离，转录活动依然很低
  • 色氨酸操纵子
    • 色氨酸操纵子结构
      • 结构基因
        • trpE、trpD、trpC、trpB、trpA
      • 操纵基因
        • trpR
          • 编码阻遏蛋白
          • 阻遏蛋白与调控序列结合，从而关闭色氨酸操纵子
      • 衰减子
        • trpL
          • 具有随着色氨酸浓度升高而造成转录衰减的作用
          • 一段长度为162bp，含有4个短序列的前导mRNA，末端有连续的U序列，是不依赖于ρ因子的转录终止信号
    • 色氨酸操纵子的调节
      • trpL序列1有独立的起始子和终止子，可以独立翻译出一段14个氨基酸残基的前导肽
      • 形成发夹的能力1-2>2-3>3-4
      • 序列1的第10、11位有两个连续的色氨酸，当色氨酸量不足时，2,3形成发夹序列，转录继续进行
      • 色氨酸量充足时，前导肽顺利翻译，核糖体继续向前，3,4形成发夹序列，下游的多聚U序列协同使得转录终止
• 真核基因表达调控
  • 染色质的活化
    • 活性染色质：基因被激活时，可以观察到染色质相应区域发生某些结构或性质上的变化，这些具有转录活性的染色质被称为是活性染色质
    • 染色质活化后，常出现一些对于核酸酶（如DNase I）高度敏感的位点，称为超敏位点
    • 超敏位点通常位于一些调节元件处，如启动子、增强子，一般在被活化基因的5'-侧翼区1000bp内，这些活化区域是DNA裸露区
    • 组蛋白修饰
      • 具有转录活性的染色质组蛋白具有一定的变化
        • H1组蛋白含量降低
        • H2A, H2B不稳定性增加，容易从核小体核心被置换下来
        • H3, H4被特异性修饰
      • 组蛋白乙酰化修饰能够中和组蛋白尾巴上碱性氨基酸残基的正电荷，减弱组蛋白与带有负电荷的DNA之间的结合，选择性地使某些染色质区域的结构从紧密变得松散
      • 组蛋白甲基化可以增加其疏水性和碱性，更好地结合DNA
      • 组蛋白磷酸化在细胞有丝分裂和减数分裂期间染色体浓缩以及基因转录激活过程中发挥重要作用
      • 染色质重塑：组蛋白修饰造成的局部染色质结构改变，进而影响转录活性的过程，需要基因活化蛋白、染色质重组复合体参与，并由ATP水解供能的复杂机制
      • 组蛋白密码
        • 各种组蛋白修饰及其之间的组合及其作用，可作为一类染色质活化类型的标签
      • 乙酰基转移酶HAT（转录辅激活因子），去乙酰基酶HDAC（转录辅抑制因子）
    • DNA甲基化
      • 真核基因组中位于CG序列中的胞嘧啶第5位碳原子可以在DNA甲基化转移酶作用下发生甲基化。
      • 一般发生于CG含量达到60%以上，长度为300~3000bp的区域，该区域称为CpG岛
      • 转录活性区域CpG岛甲基化程度下降
      • 细胞内有维持甲基化作用的甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链甲基化位置催化子链DNA相同位置发生甲基化
  • 转录起始的调控
    • 顺式作用元件
      • 可影响自身基因表达活性的DNA序列
      • 启动子
        • 转录起始点及其上游的100~200bp序列，其中含有若干个具有独立功能的DNA序列元件
        • 启动子至少包括一个转录起始点和1个以上的功能组件
        • 最常见的功能组件是TATA盒，此外还有GC盒和CAAT盒较为常见
      • 增强子
        • 提高转录效率的顺式调控元件，通常位于被调控基因同一条DNA链上，可以使被调控的基因转录活性提高100倍
        • 核心组件常为8~12bp，可以单拷贝或多拷贝的形式存在；也可以由若干功能组件构成，是特异转录因子结合DNA的核心序列
        • 是组织特异性转录因子结合区域，一旦与转录因子结合，可以调控近距离旁侧序列或者远端的序列
        • 增强子作用与方向性无关，将增强子方向倒置后依然能起作用
        • 可以对应多个启动子
      • 沉默子
        • 与增强子类似，但是介导基因转录的抑制
    • 转录因子
      • 反式作用因子：特定基因编码的蛋白质分子，通过与其他基因启动子区顺式作用元件结合，从而激活另一个基因的转录
      • 顺式作用因子：基因自身表达产物与自身的调节序列结合从而调节自身基因的开启或者关闭
      • 通用转录因子
        • 基因转录时所必需的一类辅助蛋白，帮助RNA pol与启动子结合并起始转录，对所有基因都是必须的，也称为基本转录因子
        • TFIID是由TBP和TAF结合组成的复合物
          • TBP支持基础转录但是不支持诱导所致的转录增强
          • TAF对诱导引起的转录增强是必要的，人类TAF至少有十二种，不同TAF与TBP结合可以激活不同的启动子，又将TAF称为辅激活因子
          • 中介子：在反式作用因子与RNA pol之间的蛋白质复合体，与某些反式作用因子作用，也能够促进TFIIH对RNA pol II羧基末端结构域的磷酸化，也可称为辅激活因子
          • TF II D是三种RNA pol共用的，大多数成分是不同RNA pol特有的
      • 特异性转录因子
        • 个别基因转录所必须的，决定该基因的时间、空间特异性表达，故又称为特异转录因子
        • 转录激活因子EBP
          • 与增强子结合
        • 转录抑制因子
          • 与沉默子结合，或者通过蛋白质-蛋白质相互作用，与转录激活因子或TF II D结合，降低他们细胞内的浓度
      • 上游因子：与启动子上游元件特异性结合
        • GCbox：SP1
        • CAATbox：C/EBP
      • 可诱导因子：在特殊的生理或病理条件下与增强子等远端序列结合
        • MyoD在肌肉细胞中高表达
        • HIF-1α在缺氧组织中高表达
    • 顺式作用元件与转录因子的结合
      • 锌指结构
        • 1个α螺旋和2个反向平行的β折叠组合成的二级结构
        • 1个α螺旋上有两个His残基，1个β折叠上有1个Cys残基
        • 每一个锌指结构单位可以嵌入DNA大沟中；SP1就有三个锌指重复结构
      • bHLH结构
        • 含有2~3个α螺旋通过短肽段相连，其中一个α螺旋的N端结构域富含碱性氨基酸，是与DNA结合的结构域，可以嵌入DNA大沟内
      • 碱性亮氨酸拉链
        • 在蛋白质C端氨基酸序列中，每隔6个氨基酸就会出现一个亮氨酸残基，形成的α螺旋每隔一圈就有一个亮氨酸，且均位于α螺旋同侧
        • 可以通过亮氨酸残基之间的疏水作用形成二聚体，类似于拉链
        • N端富含碱性氨基酸残基，可以与磷酸离子键结合
    • 转录起始复合物的生成
      • 真核RNA pol II不能单独识别结合启动子，而是先有基本转录因子TF II D的组成成分TBP识别TATA盒，有时依赖于TAF的协助
      • TF II D是基本转录因子中唯一具有位点特异性的DNA结合因子，在有序组装过程中起到关键作用
      • EBP在迂回折叠的DNA构象中，与增强子结合后可与前起始复合物中的TBP接近，或者通过特异的TAF与TBP联系，形成稳定的转录起始复合物，此时RNA pol II才能真正启动mRNA转录
  • 其他水平的调控
    • 转录后调控
      • mRNA稳定性
        • 5'帽子结构与多聚A尾可以防止核酸外切酶对mRNA的降解，同时增加其稳定性
        • 组蛋白mRNA尾部没有多聚A尾，但是其3'端会形成发夹结构，防止降解
        • ARE结合蛋白会结合到多聚A尾
        • 铁转运蛋白受体3'UTR区有特异性的IRE，可以形成茎环结构，并富含AU序列，可以在铁离子多的时候，介导TfR的mRNA降解；铁离子缺乏时，IRE-BP会与IRE茎环结构结合，抑制降解
      • mRNA选择性剪切
    • 翻译及翻译后调控
      • 对翻译起始因子活性的调节
        • eIF-2参与Met-tRNAi的进位，其α亚基可以被磷酸化（cAMP依赖的蛋白激酶），导致蛋白质的翻译受阻，血红素可以抑制cAMP依赖的蛋白激酶的活化，促进珠蛋白的合成
        • 宿主细胞产生双链RNA激活蛋白激酶，使得eIF-2α磷酸化，从而抑制病毒蛋白质的合成
        • eIF-4E及其结合蛋白的磷酸化使得具有更高的5'帽子结合活性，提高了蛋白质的合成速率。胰岛素及其他生长因子均可以促进其磷酸化，促进细胞增殖，同时磷酸化eIF-4E结合蛋白使其失去抑制功能，进一步促进翻译
      • RNA结合蛋白的调节
        • RBP特指可以结合RNA的蛋白
        • IRE-BP
          • 在铁蛋白和ALA合成酶的mRNA的5'UTR中具有IRE，但是没有富含AU序列，所以不能介导降解，铁缺乏时，IRE-BP与IRE结合，从而抑制其翻译；铁离子浓度高时，IRE-BP解离，从而使得顺利翻译
      • 翻译产物的调节
    • 小分子RNA对于基因表达的调控
      • miRNA
        • 转录形成pri-miRNA，经过Drosha和DRCG8剪接生成pre-miRNA
        • pre-miRNA转运出核，在胞浆中被Dicer剪接形成miRNA
        • miRNA与其他蛋白质一起组装成RNA诱导的沉默复合体RISC，通过与其靶mRNA的3'UTR互补结合而抑制该mRNA分子的翻译
          • 完全互补：降解
          • 不完全互补：翻译停滞
      • siRNA
        • 内源性或外源性的特定序列的小片段RNA，也可参与RISC组成，与特异的靶mRNA互补结合使其降解，阻遏蛋白质合成，这种由siRNA介导的基因表达抑制作用称为RNA干扰
        • 只能识别、清除外源的dsRNA或同源单链RNA，是生物体本身固有的一种对抗外源基因侵害的自我保护现象