基因表达调控

对于基因表达如何进行调控 包含了具有超螺旋结构，闭合环状DNA分子、很少有重复序列、为连续编码，多为单拷贝基因（rRNA为多拷贝基因）等。 其余有关分子生物学详见主页

基因表达调控

• 基因表达
  • 基本概念
    • 基因
      • 负载特定遗传信息的DNA片段
    • 基因组
      • 一个细胞或病毒携带的全部遗传信息
    • 基因表达
      • 基因转录，翻译的过程
        • 并非所有基因都合成蛋白质
    • cDNA称为基因，但是不含基因转录的调控序列
    • 顺式作用元件
      • 基因和调节因子在同一条DNA链上
    • 反式作用元件
      • 基因和调控因子不在同一条链上
  • 规律
    • 时间特异性
      • 阶段特异性
    • 空间特异性
      • 组织/细胞特异性
    • 由启动子，增强子，调节蛋白控制
• 表达方式
  • 管家基因
    • 在个体中几乎所有细胞中表达
    • 不受环境影响
    • 持续表达
    • 只受启动程序和启动子与RNApol的作用影响，不受其他机制调节
  • 可诱导/阻遏基因
    • 受特定环境的影响表达
    • 易受环境影响
    • 会使基因表达水平升高/降低
    • 受启动程序或启动子，RNApol的作用影响，还受其他机制调节
• 多级调控
  • 遗传信息水平
    • 基因组DNA的部分扩增
    • DNA重排，DNA甲基化
  • 转录起始（最重要）
  • 翻译阶段
    • 影响蛋白质合成因素
  • 转录后调控
    • mRNA的加工修饰，mRNA的转运，mRNA的细胞质定位，mRNA的稳定性
• 原核生物
  • 基因组特点
    • 1||| 具有超螺旋结构，闭合环状DNA分子
    • 2||| 很少有重复序列
    • 3||| 为连续编码，多为单拷贝基因（rRNA为多拷贝基因）
    • 4||| 结构基因占50%，大于真核细胞组
    • 5||| 基因连续，编码基因无内含子，结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
    • 6||| 转录产物为多顺反子
  • 操纵子
    • 绝大多数原核基因功能相关的结构基因成簇串联在同一条DNA链上
    • 是原核基因转录调控的基本单位
    • 组成
      • 由结构基因和调控序列组成
      • 上游--调控序列：启动子，操纵元件，调节基因
      • 下游--结构基因
      • 最后--转录终止子
  • 多顺反子
    • 指基因编码产物有很多
    • 一条mRNA长链上含有操纵子中多个结构基因的序列，可以指导合成多条肽链
    • 一条mRNA分子携带几个多肽链的编码信息，被称为多顺反子
  • 结构基因
    • 几个功能相关的基因序列串联排列，共同构成编码区
  • 调控序列
    • 启动子，操纵原件，一定距离外的调节基因，特异DNA序列
    • 启动子（正性调节）
      • 决定转录活性大小
      • 是RNA聚合酶结合特异性模板DNA的部位，最初与DNA结合的那段DNA序列
      • 结构
        • -35区
          • 识别区
            • 为RNApol σ亚基特异性识别TTGACA序列
              • sextama框
        • -10区
          • 结合区
            • 为RNApol β'亚基结合模板的部位，富含TATAAT
              • Pribnow盒
        • ＋1
          • 起始部位
            • 转录起始点
    • 操纵原件（负性调节）
      • 阻遏转录
      • 是一段能被特异阻遏蛋白识别，结合的DNA序列，位于启动子下游
        • 阻遏蛋白的结合位点
      • 功能：产生负性调控（阻遏蛋白），与其结合，会阻碍为RNApol与启动子结合
    • 调节基因
      • 编码能够与操纵序列结合的调控蛋白
      • 分类
        • CAP(激活蛋白）
          • 正
            • 特异DNA序列
        • 阻遏蛋白
          • 负
            • 操纵序列
        • 特异因子
          • 正
            • 启动序列
        • 结合
  • 乳糖操纵子
    • 普遍性：在调控中具有普遍性
    • 调节水平：转录水平调节
    • 调控方式：阻遏作用解除时，仍需CAP加强转录活性
    • 分类：乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子，色氨酸操纵子
    • 环境无乳糖
      • 乳糖代谢酶为关闭状态
    • 环境有乳糖
      • 乳糖代谢酶为开放状态，合成代谢乳糖所需的酶
    • 诱导剂
      • IPTG,别构乳糖
    • 结构
      • 1个启动序列，数个可转录的编码序列=调节基因I＋CAP结合位点＋P+O+3个结构基因
      • I基因
      • CAP
        • 分解代谢激活蛋白
    • 调节机制
      • 阻遏蛋白的负性调节
        • 有乳糖
          • 操纵子被诱导，激活转录
          • 乳糖转变为半乳糖，与阻遏蛋白结合，促进转录
        • 无乳糖
          • 操纵子被阻遏，抑制转录
          • 在PI启动序列作用下，I基因表达⬆，阻遏蛋白⬆与O序列结合， 阻碍RNApol与P序列结合，抑制转录启动
      • CAP的正性调节
        • 有葡萄糖（乳糖⬇）
          • cAMP浓度下降
          • cAMP与CAP结合受阻
          • 操纵子表达下降
        • CAP是同二聚体，分子内含有DNA结合区及cAMP结合位点
        • 无葡萄糖（乳糖⬆）
          • cAMP浓度上升
          • cAMP与CAP结合
          • RNA转录活性上升
      • 阻遏蛋白与CAP的协同调节
        • 有葡萄糖无乳糖
          • 阻遏蛋白⬆
          • CAP结合受阻
          • 无转录
        • 具有独立的启动子（PI），编码的是一种阻遏蛋白，与O序列结合，使操纵子受阻遏，处于关闭状态
        • 无葡萄糖有乳糖
          • 阻遏蛋白⬇
          • RNA转录
• 真核生物
  • 基因组特点
    • 1||| 人类基因组结构庞大
    • 2||| 10%的序列为编码基因，90%参与调控
    • 3||| 正性调节为主导
    • 4||| 含有大量重复序列
    • 5||| 基因不连续，编码基因有内含子，外显子，结构基因即内含子和外显子
    • 6||| 转录产物为单顺反子
  • 基因激活后染色质对核酸酶极敏感
    • 出现对核酸酶高度敏感的位点，位于5'侧翼区1kb内
    • 转录活化染色质的组蛋白变化
      • 1||| 富含赖氨酸H1组蛋白含量降低
      • 2||| H2A,H2B组蛋白二聚体更加不稳定
      • 3||| 核心组蛋白发生乙酰化，磷酸化，泛素化等修饰， 使核小体变得松散而不稳定，易于基因转录
    • CpG岛甲基化水平降低
      • CpG岛：真合基因组中GC含量>60%，称为CpG岛
      • 甲基化促进染色质形成致密结构，不利于基因表达，抑制转录
      • CpG岛甲基化程度降低，发生在碱基C的第五位
  • 顺式作用元件
    • 真核生物参与起始的所有原件统称为顺式作用元件（在同一条链上）
    • 位于编码基因两侧，可影响自身基因表达活性的DNA序列，是转录起始的关键调节部位
    • 启动子
      • 是RNApol结合位点周围一组转录控制组件， 至少包括一个起始点，一个以上功能组件
      • TATA盒
        • 核心序列TATAAAA，最有意义的功能组件，位于-25~-30bp区域
          • 转录因子TFⅡD结合位点
      • GATT盒
        • GCCAAT
          • -30~-110bp区
            • C/EBP的结合位点
      • GC盒
        • GGGCGG
          • -30~-110bp区
            • SP1的结合位点
    • 增强子
      • 正性调节
      • 能够结合特异性基因调节蛋白，促进临近，或远离特定基因表达的DNA序列
      • 功能
        • 1||| 是组织特异性转录因子的结合部位，只在某些组织细胞中， 存在与之相结合的特异性转录因子时方能表现活性
        • 2||| 在基因的上游或下游，或远距离，都能实现调节作用
        • 3||| 作用与序列方向性无关，顺式调节
        • 4||| 有启动子才能发挥作用，没有启动子其无活性
        • 5||| 对启动子没有专一性，可影响启动子不同的转录
        • 6||| 无物种和基因的特异性，与外部信号有关
    • 沉默子
      • 负性调节
      • 真核基因调控区中抑制阻遏基因转录的DNA序列
      • 功能
        • 促进局部DNA的染色质形成致密结构，阻止转录
  • 转录因子（TF）
    • 真核基因的转录调节蛋白，即真核生物中的反式作用因子
    • TF由其编码基因表达后，进入细胞核与顺式作用元件结合，增强或降低相应基因的表达
    • 分类
      • 通用转录因子
        • TFⅡD
          • 概念：是由TBP(TATA结合蛋白），8-10个相关因子（TAFs）共同组成的复合物
          • 特点
            • 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质因子
            • 决定三种RNA的转录类别
            • 没有组织特异性，对基因的时空选择性并不重要
      • 特异转录因子
        • 转录激活因子----增强子结合蛋白
        • 转录抑制因子----沉默子结合蛋白
        • 特点
          • 大多数TF是DNA结合蛋白，有两个结构域
            • DNA结构域
              • 锌指模体结构
                • 每个指状含23个AA，形成一个α-螺旋，两个β-折叠 每个β-折叠上有一个Cys残基，α-螺旋有两个His残基 4个AA与二价锌离子之间形成配位键
              • 碱性螺旋环-螺旋模体
                • 由两个α-螺旋，一个短肽段形成的环组成， 其中一个α-螺旋,N-末端富含碱性AA，为DNA结合域
              • 碱性leu拉链环
                • 蛋白质C-末端，每隔6个AA含有一个疏水性的leu残基 C-末端形成α-螺旋时，肽键每旋转两周出现一个leu残基， 且都出现在α-螺旋同一侧，形同拉链
            • 转录激活域
              • 酸性激活结构域
                • 与TFⅡD结合
              • 谷氨酰胺富含结构域
                • N-末端谷氨酰胺基因高达25%
                  • 与GC盒结合
              • 脯氨酸富含结构域
                • C-末端脯氨酸基因高达20%-30%
                  • 与CAAT盒结合
  • 转录起始复合物的调控
    • 启动子与RNApol活性
      • 启动子的核苷酸序列影响其与RNApol的亲和力，从而影响转录起始
    • 调节蛋白与RNApol活性
      • TFⅡD与RNApolⅡ（不能单独结合，识别启动子）形成一个功能性转录前起始复合物
• 浮动主题