基因表达调控

分子生物学、人卫九版，基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列、mRNA翻译成多肽链、多肽链装配成最终的蛋白质产物。

基因表达调控

• 基本概念与特点
  • 基因表达:基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列、mRNA翻译成多肽链、多肽链装配成最终的蛋白质产物。
  • 基因表达的时间特异性
    • 按功能需要，某一特异基因的严格表达按照一定的时间顺序发生
    • 多细胞生物基因表达的时间特异性又标阶段特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又标阶段特异性
  • 基因表达的空间特异性
    • 在个体生长和发育的过程中，同一基因产物在个体不同的组织或器官表达也可能不同
    • 同一个体内器官，组识织，细胞的差异性的基础是特异的基因表达或差异基因表达。
  • 基因表达的方式存在多样性
    • 管家基因（基本基因）：在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
    • 可诱导基因：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加
    • 可阻遏基因：在特定环境信号刺激下，相应的基因被阻遏，基因表达产物减少
    • 协同表达：在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达。
  • 基因表达受调控序列和调控分子共同调节
    • 顺式作用元件：和被调控的编码序列位于同一条DNA 链上的调控序列
    • 反式作用因子：一些远离被调控的编码序列的调控序列产生的调控编码基因的表达产物，有蛋白质和DNA两种
  • 基因表达调控呈现多层次和复杂性
    • 基因表达调控体现在基因表达的全过程中，其中转录水平的调控起着至关重要的作用，转录起始是基因表达的基本控制点。
• 原核基因表达调控
  • 原核基因组特点
    • ①原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
    • ②基因组中很少有重复序列
    • ③编码蛋白质的结构基因为连续基因，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍为多拷贝基因
    • ④结构基因在基因组所占的比例（约50%）远远大于真核基因组
    • ⑤许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
    • ⑥转录和翻译在同一空间进行，且时间上的差异不大
  • 操纵子是原核基因转录调控的基本单位
    • 多顺反子：携带了多条多肽链的编码信息的mRNA
    • 单顺反子：携带了单条多肽链的编码信息的mRNA
    • 调控序列包括启动子和操纵元件
    • 启动子是RNA聚合酶结合的部位，是决定基因表达效率的关键元件
    • 共有序列:各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在的一些相似序列
    • 共有序列决定启动子的转录活性大小
    • 调节基因编码能够与操纵元件结合的阻遏蛋白，阻遏蛋白可以识别、结合特异的操纵元件，抑制基因转录，所有阻遏蛋白介导负性调节。
  • 乳糖操纵子是典型的诱导性调控
    • 乳糖代谢酶基因的表达特点：在环境中没有乳糖时，这些基因处于关闭状态；只有当环境中有乳糖时，这些基因才被诱导开放。
    • 乳糖操作子的结构
      • 结构基因Z：编码β-半乳糖苷酶
      • 结构基因Y：编码通透酶
      • 结构基因A：编码乙酰基转移酶
      • 操纵序列O：结合阻遏蛋白
      • 启动子P（上游有一个CAP结合位点）
      • 调节基因I：具有独立的启动子（PI），编码阻遏蛋白
      • 由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区
    • 乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节
      • Lac阻遏蛋白的负性调节
      • CAP的正性调节
      • 协同调节
  • 色氨酸操纵子通过阻遏作用和衰减作用抑制基因表达
    • 大肠杆菌色氨酸操作子是一个阻遏操纵子。在细胞内无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵序列结合，因此色氨酸操纵子处于开放状态，结构基因得以表达，反之，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白形成复合物并结合到操纵序列上，关闭色氨酸操纵子，停止表达用于合成色氨酸的酶
    • 转录衰减：通过促进已经开始转录的mRNA合成终止来加强色氨酸操纵子的关闭
  • 原核基因表达在翻译水平受到精细调控
    • 蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节
    • 翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控
    • 反义RNA利用结合mRNA翻译起始部位的互补序列调节翻译起始
    • mRNA密码子的编码频率影响翻译速度
• 真核基因表达调控
  • 真核基因组的特点
    • ①具有超螺旋结构的线性双链DNA分子
    • ②真核基因组比原核基因组大得多
    • ③真核基因组含有大量重复序列
    • ④真核生物的结构基因是断裂基因
    • ⑤真核生物没有操纵子，转录生成的mRNA是单顺反子
    • ⑥存在染色质结构
    • ⑦遗传信息不但存在于核DNA上，还存在于线粒体DNA上
  • 染色质结构水平的调节
    • 转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
    • 转录活化染色质的组蛋白发生改变
    • CpG岛甲基化水平降低
  • 转录起始的调节
    • 顺式作用元件是转录起始的关键调节部位
      • 1、启动子提供转录起始信号
        • 启动子是DNA分子上能够介导RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的序列
        • （1）Ⅰ类启动子【GC盒子】：主要启动编码rRNA的基因，包括核心启动子和上游启动子元件
        • （2）Ⅱ类启动子【TATA盒子】：主要启动编码mRNA和snRNA
        • （3）Ⅲ类启动子：主要启动编码5S rRNA、tRNA、U6snRNA等
      • 2、增强子增强邻近基因
        • 增强子是可以增强真核启动子工作效率的顺势作用元件，是真核基因最重要的调控序列，决定着每一个基因在细胞内的表达水平。它发挥作用与其位置方向无关。
      • 3、沉默子是负调控元件
        • 沉默子是可抑制基因转录的特定DNA序列，当其结合一些反式作用因子时对基因的转录起遏制作用，使基因沉默
      • 4、绝缘子阻碍增强子的作用
        • 绝缘子是基因组上对转录调控起重要作用的一种元件，可以阻碍增强子对启动子的作用，或保护基因不受附近染色质环境的影响
    • 转录起始复合物的组装是转录调控的主要方式
  • 转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能
    • mRNA的稳定性影响真核生物基因表达
      • 5’-端的帽结构可以增加mRNA的稳定性
      • 3’-端的poly（A）尾防止mRNA的降解
    • 一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默
    • mRNA前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达
  • 真核基因表达在翻译及翻译后仍可受到调控
    • 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行
    • RNA结合蛋白参与翻译起始的调节
    • 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达
    • 小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
    • 长非编码RNA在基因表达调控 中的作用不容忽视