生物化学 基因表达调控

这是一篇关于生物化学 基因表达调控的思维导图，基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制，使细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化作出反应的复杂过程。

基因表达调控

• 基本概念
  • 概念
    • 基因表达调控
      • 并不是所有基因表达都经过转录和翻译（rRNA、tRNA等非编码RNA）
      • 转录起始阶段最重要（基因表达的基本控制点）
    • 差异基因表达
      • 同一个体不同器官、组织、细胞差异性的基础
    • 基因表达谱
      • 基因表达强度、种类，决定细胞分化状态和功能
    • 基因组
      • 一个生物体内所有遗传信息的总和
  • 基因表达特点
    • 时间特异性
      • 对多细胞生物，称为阶段特异性
      • 某一特定基因的表达严格按照一定时间顺序发生
      • 甲胎蛋白α-AFP（胎儿肝细胞活跃、肝癌诊断指标） P306
    • 空间特异性
      • 又称细胞特异性/组织特异性
      • 同一基因产物在不同的组织器官表达水平不同，实际上是由细胞在体内的分布决定
  • 基因表达方式
    • 管家基因：基本基因表达/组成性基因表达
      • 几乎在个体生长发育各阶段大多或几乎所有细胞中持续表达或变化很小，不受环境影响
      • 只受启动子/RNA pol的影响
    • 可诱导基因/可阻遏基因
      • 受环境影响，对环境信号做出应答，被诱导/阻遏
    • 协同表达
      • 功能相关的一组基因，无论何种表达方式，均需协调一致、共同表达
• 基因表达调控
  • 原核生物
    • 基因特点
      • 1. 重复序列少
      • 2. 结构基因占比大
      • 3. 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
      • 4. 编码蛋白质的结构基因连续编码，多为单拷贝 编码rRNA的基因是多拷贝基因
    • 转录调控基本单位：操纵子
      • 组成
        • 结构基因
          • 多个功能相关基因串联，构成编码区，共用一个启动子、转录终止信号序列，产生多顺反子mRNA
        • 调控序列
          • 操纵元件
            • 与启动子重叠，能被原核阻遏蛋白识别结合，负性调节转录
          • 启动子
            • 结合RNA pol
          • 启动子上游元件
            • -10区、-35区共有序列
          • 结合激活蛋白的序列（促进转录）
            • 如：分解（代谢）物基因激活蛋白CAP结合位点
        • 调节基因
          • 编码阻遏蛋白
            • 阻遏蛋白识别、结合特异DNA序列──操纵序列，抑制基因转录
            • 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录
      • 其他调控蛋白质
        • 激活蛋白
          • 激活蛋白结合启动子邻近DNA序列，增强RNA pol转录活性（如：CAP）
          • 有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列
        • 特异因子
          • 决定RNA pol对一个/一套启动子特异性识别、结合能力
      • 例子
        • 乳糖（lac）操纵子
          • • 结构特点
              • I基因有独立的启动子PI
              • 调控区包括：CAP结合位点、P、O
            • 表达特点
              • 环境中乳糖存在时表达，乳糖不存在时不表达
            • 调节
              • 阻遏蛋白的负性调节
                • 无半乳糖--->阻遏蛋白表达--->抑制RNA pol结合P--->抑制转录
                  • 不绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚，故细胞中有少数几个酶产生
                • 有乳糖--->通透酶催化，乳糖进入细胞--->β-半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖--->阻遏蛋白构象变化--->与O解离--->启动转录
                  • 别乳糖类似物IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）诱导作用极强，基因工程中广泛应用
              • CAP的正性调节
                • GLU缺乏--->胞内cAMP↑--->CAP结合cAMP--->CAP-cAMP结合CAP结合位点，提高RNA pol转录活性
                • P作用弱，CAP必不可少
              • 协同调节
                • 上两种调节相辅相成
                  • 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
              • 分解代谢阻遏
                • 细菌优先利用GLU，故GLU与乳糖共同存在时，cAMP↓ → CAP无法发挥正性调节作用，抑制细菌利用乳糖
        • 色氨酸操纵子
          • 表达特点
            • 阻遏操纵子（环境中含相应AA，则此AA合成代谢途径关闭）
          • 调节
            • 阻遏作用
              • Trp存在，Trp（辅阻遏物）+阻遏物，结合操纵元件
              • Trp不存在，阻遏物无法发挥作用
            • 转录衰减
              • 定义
                • 促进已经开始转录的mRNA合成终止
              • 机制
                • Trp浓度高，序列3/4形成发夹结构，转录终止
                • Trp浓度低，序列2/3形成发夹结构，转录继续
    • 翻译水平的精细调控
      • 蛋白质结合于启动子/启动子周围
        • 自我控制
          • 调节蛋白作用于自身mRNA
        • SD序列与16S rRNA的互补程度影响翻译起始的效率
      • 蛋白质结合自身mRNA
        • 调节蛋白结合起始密码子，阻断与核糖体的结合
      • 反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列调节翻译起始
        • 反义控制
          • 反义RNA结合mRNA翻译起始部位，阻断小亚基的结合
      • mRNA密码子的编码频率影响翻译速度
        • 常用密码子翻译速度快
  • 真核生物
    • 基因特点
      • 1. 基因组大得多
      • 2. 编码基因很少，有大量重复序列
      • 3. 基因不连续，转录后需要切除内含子
      • 4. 一个结构基因转录生成一条mRNA，mRNA是单顺反子：许多功能相关的蛋白质，即使是同一蛋白质的多个亚基也涉及多个基因的协调表达
      • 5. DNA与多种蛋白质结合形成染色质
      • 6. 遗传信息存在于核DNA和mtDNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立又相互协调
    • 染色质结构与基因表达
      • 转录活化的染色质对核酸酶敏感
        • 染色质活化，出现对核酸酶高度敏感的超敏位点
      • 转录活化的染色质组蛋白发生改变
        • 1. 组蛋白H1↓
        • 2. H2A-H2B组蛋白二聚体不稳定性↑，更易被置换
        • 3. 核心组蛋白H3、H4可发生乙酰化、磷酸化以及泛素化等修饰
        • 组蛋白对DNA亲和力↓
          • 甲基化增强组蛋白对DNA亲和力
      • 转录活跃的染色质CpG岛甲基化程度降低
        • CpG岛：基因启动子、第一外显子区域的许多CG序列，其高甲基化促进染色质形成致密结构，不利于基因表达
        • 表观遗传
          • DNA甲基化，组蛋白乙酰化、甲基化，sncRNA的调控等，均可遗传（DNA甲基转移酶）
    • 转录起始的调节
      • 顺式作用元件
        • 启动子
          • 核心序列
            • TATA盒（TATAAAA），结合TF IID、RNA pol
              • 有些启动子不含TATA盒，而是富含GC，或两者都不含
          • 具有方向性，倒置后不发挥作用
        • 启动子上游元件
          • GC盒（GGGCCG）、CAAT盒（GCCAAT）
        • 增强子
          • 1. 常与启动子交错覆盖或连续，单拷贝/多拷贝串联形式存在
          • 2. 与调控基因位于一条DNA链上
          • 3. 远距离调控，基因上下游皆可发挥作用
          • 4. 不具有方向性，倒置后仍发挥作用
          • 5. 组织特异性转录因子结合部位
          • 6. 启动子依赖性，专一性不强
        • 沉默子
          • 结合特异蛋白因子，发挥负性调节作用
          • 远距作用，不具方向性，对异源基因也可作用
        • 绝缘子
          • 一般位于增强子/沉默子与启动子之间，结合特异蛋白因子从而阻碍增强子/沉默子对启动子的作用
          • 也可位于常染色质、异染色质之间，保护常染色质的基因表达不受异染色质结构的影响
          • 不具方向性
      • 转录因子
        • 通用转录因子
          • RNA pol介导基因转录所必需，对所有基因必需，无组织特异性
          • 中介子位于RNA pol与反式作用因子之间，有时归为辅激活因子
        • 特异转录因子
          • 个别基因转录必需，有组织特异性，决定基因表达的时空特异性
          • 分类
            • 转录激活因子
              • 通常是增强子结合蛋白EBP
            • 转录抑制因子
              • 沉默子结合蛋白质/通过蛋白质-蛋白质相互作用中和转录激活因子 或 TF IID
            • 上游因子
            • 辅激活因子
            • 可诱导因子
              • 结合远隔调控序列的反式作用因子
        • 转录因子的结构特点
          • DNA结合结构域
            • 锌指模体结构zinc finger
            • 碱性螺旋-环-螺旋结构bHLH
            • 碱性亮氨酸拉链bZIP
          • 介导蛋白质-蛋白质相互作用的结构域
            • 二聚化结构域
          • 转录激活结构域
            • 酸性激活结构域
              • 富含酸性AA，与TF IID相互作用协助转录起始复合物的组装
            • 富含Gln结构域
              • 与GC盒结合
            • 富含Pro结构域
              • 与CAAT盒结合
      • 顺式作用蛋白
      • 转录起始复合物的组装（主要方式）
    • 转录后调控
      • mRNA稳定性
        • 5' -端帽结构
          • 防止5' -核酸外切酶降解
          • 与帽结合蛋白结合，参与mRNA向细胞质的转运，提高翻译效率
        • 3' -Poly(A)尾
          • 组蛋白mRNA3' 端形成发夹结构
          • 防止3' -核酸外切酶降解
      • mRNA的选择性剪接
      • ncRNA
        • miRNA、piRNA、siRNA等可引起基因沉默
    • 翻译及翻译后调控
      • 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行
        • 翻译起始因子eIF-2α的磷酸化抑制翻译起始
          • eIF-2参与起始氨酰-tRNA的活化，α亚基磷酸化后，活性可被抑制
        • eIF-4E及eIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始
          • eIF-4E是帽结合蛋白，磷酸化后对帽结构结合力加强
      • RNA结合蛋白（RBP）参与了对翻译起始的调节
        • 基因表达的许多调节环节都有RNA结合蛋白的参与，如转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞质内稳定性控制以及翻译起始等
      • 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达
        • 通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平
        • 通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式
      • ncRNA
        • 小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
          • miRNA
            • 属小分子非编码单链RNA，长度约22个碱基，由一段具有发夹环结构的前体加工后形成
            • miRNA与其他蛋白质组成RISC，降解mRNA/抑制mRNA的翻译
          • siRNA
            • 是细胞内的一类双链RNA，在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度（21～23个碱基）和特定序列的小片段RNA
            • 双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程
          • RNA干扰
            • miRNA和siRNA都参与介导基因表达抑制
        • lncRNA在基因表达调控中的作用不容忽视
          • lncRNA
            • 不直接参与基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传、转录和转录后水平调控基因的表达ncRNA