基因表达调控

这是一篇关于基因表达调控 的思维导图，生物化学基因表达调控内容，包括真核，原核生物的表达调控，详细介绍了各部分主要内容

基因表达调控

• 基因表达调控的基本概念与特点
  • 基因表达产生有功能的蛋白质和RNA
    • 基因表达（gene expression)：就是基因转录及翻译的过程
    • rRNA.tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达
    • 不同生物的基因组含有不同数量的基因
    • 生物体中具有某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间，环境而变化
  • 基因表达具有时间特异性和空间特异性
    • 时间特异性
      • 基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子（序列）和（或）调节序列与调节蛋白相互作用决定
      • 时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生
      • 阶段特异性
    • 空间特异性
      • 在多细胞生物个体某发育，生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达水平也可能不同
      • 基因表达伴随时间或阶段顺序表现出的这种空间分布差异实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性或组织特异性
      • 差异基因表达
      • 细胞的基因表达谱，即基因表达的种类和强度决­定了细胞的分化状态和功能
        • 换言之在个体内决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式
  • 基因表达的方式存在多样性
    • 有些基因几乎在所有细胞中持续表达
      • 也叫基本表达
      • 管家基因
        • 只受启动子和RNA聚合酶等因素的影响，而基本不受其他机制调节
    • 有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏
      • 诱导基因和阻遏基因
      • 诱导和阻遏是同事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径
      • 经典模型：乳糖操纵子机制是认识诱导和阻遏表达的经典模型
    • 生物体内不同基因的表达受到协调调节
      • 基因的协调表达体现在生物体的生长发育全过程
      • 生物体通过协调调节不同基因的表达以适应环境，维持生长和增殖
      • 原核生物单细胞生物调节基因表达就是为适应环境维持生长和细胞分裂
      • 在多细胞生物基因表达调控的意义还在于维持细胞分化与个体发育
  • 基因表达受调控序列和调节分子共同调节
    • 顺式调节元件(CRE)
    • 调节蛋白(regulatory protein)
      • 反式作用因子(trans-acting facor)
      • 对处于同条DNA链上的结构基因的表达进行调控，对不在一条链上的结构基因的表达起到同样的作用
    • 作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通过特异地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互作用
  • 基因表达调控呈现多层次和复杂性
    • 首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNA分子中，基因拷贝数越多其表达产物也会越多，因此基因组DNA的部分扩增可影响基因表达
    • 其次，遗传信息经转录由DNA传递给RNA的过程，是基因表达调控最重要.最复杂的一个层次
    • 蛋白质生物合成翻译是基因表达的最后一步，影响蛋白质合成的因素也能调节基因表达
    • 转录起始是基因表达的基本控制点
• 原核基因表达调控
  • 原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子。其结构特点有
    • ① 基因组中很少有重复序列
    • ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍是多烤贝基因
    • ③结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因
    • ④许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
  • 一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位
    • 原核生物在转录水平的调控主要取决于转录起始速度，即主要调节的是转录起始复合物形成的速度
    • 操纵子
      • 结构基因
        • 通常包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区
      • 调控序列
        • 主要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
          • 操纵子：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列
      • 调节基因
        • 调节基因编码能够与操纵元件结合的阻遏蛋白
        • 调控蛋白质
          • ① 特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力
          • ② 激活蛋白可结合启动子邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正性调节
  • 二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控
    • 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合成代谢乳糖所需要的酶 .
    • 乳糖操纵子是最早发现的原核生物转录调控模式
    • 乳糖操纵子的结构
      • Z结构基因
        • 编码β-半乳糖苷酶
      • Y结构基因
        • 编码通透酶
      • A结构基因
        • 编码乙酰基转移酶
      • 操纵元件0
      • 启动子P
      • 启动子P上游有一个CAP结合位点
      • 共同构成乳糖操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因表达产物的协同表达。
      • 调节基因I
        • 具有独立的启动子（PI）1编码一种阻遏蛋白，后者与0序列结合使操纵子受阻遏而处于关闭状态
    • 乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节
      • 阻遏蛋白的负性调节
      • CAP的正性调节
      • 两种机制根据存在的碳源性质及水平协调调节lac操纵子的表达
      • 协同调节
  • 三、色氨酸操纵子通过阻遏作用和衰减作用抑制基因表达
    • 原核生物体积小，受环境影响大，在生存过程中需要最大限度减少能源消耗，对非必需氨基酸都尽量关闭其编码基因
    • 转录衰减
      • 利用原核生物中转录与翻译过程偶联进行，转录时先合成一段前导序列L来实现的
      • 前导序列的结构特点
        • 前导序列发挥了随色氨酸浓度升高而降低转录的作用，故将这段序列称为衰减子
        • ① 它可以转录生成段长度为162bp.内含4个特殊短序列的前导mRNA；
        • ②其中序列I1有独立的起始和终止密码子，可翻译成为一个有14个氨基酸残基的前导肽，它的第10位和第11位都是色氨酸残基；
        • ③序列1和序列2间、序列2和序列3间、序列3和序列4间存在一些互补序列，可分别形成发夹结构，形成发卡结构的能力依次是1/2发夹＞2/3发夹＞3/4发夹；
        • ④序列4的下游有一个连续的U序列，是一个不依赖ρ因子的转录终止信号
      • 转录衰减的机制
        • 色氨酸浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行
        • 色氨酸浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减
  • 四、原核基因表达在翻译水平受到精细调控
    • (一) 蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节
    • (二)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
    • (三)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
      • 反义控制
    • （四）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度
• 真核基因表达调控
  • 真核基因表达特点
    • ①真核基因比原核基因组大得多
    • ② 原核基因组的大部分序列都为编码基因而哺乳类基因组中大约只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重复序列，功能至今还不清楚
    • ③真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次。
    • ④原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制，而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子，许多功能相关的蛋白质，即使是一种蛋白质的不同亚基也将涉及多个基因的协调表达；
    • ⑤真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；
    • ⑥真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在于线粒体DNA上，核内基因与线粒体基团的表达调控既相互独立又需要协调。
  • 染色质结构与真核基因表达密切相关
    • 转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
      • 超敏位点
    • 转录活化染色质的组蛋白发生改变
      • 转录活跃区域的染色质中的组蛋白特点是
        • 富含赖氨酸的HI组蛋白含量降低
        • H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加，使它们容易从核小体核心中被置换出来；
        • 核心组蛋白H3、 H4可发生乙酰化磷酸化以及泛素化等修饰。
        • 使得核小体变得松弛而不稳定，降低核小体DNA的亲和力，易于基因转录。
      • 在真核细胞中，核小体是染色质的主要结构单位i四种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4各两分子)组成的八聚体构成核小体的核心区。其外面盘绕着DNA双螺旋链
      • 组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
        • 
        • 此外，组蛋白修饰还包括泛素化修饰和DP-核糖基化
    • CpG岛甲基化水平降低
      • DNA甲基化是真核生物在染色质水平控制基因转录的重要机制
      • CpG岛主要位于基因的启动子和第一外显子区域，约有60%以上基因的启动子含有CpG岛
      • CpG岛的高甲基化促进染色质形成致密结构，因而不利于基因表达
      • 表观遗传
        • 表观遗传对基因表达的调控不仅体现在DNA甲基化上，组蛋白的乙酰化、甲基化以及非编码小RNA的调控等都属于表观遗传调控的范畴。
  • 转录起始的调节
    • 装配速度决定着基因表达的水平
    • （一）顺式作用元件是转录起始的调节部位
      • 真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂
        • 真核生物启动子通常含有1个以上的功能组件，其中最具典型意义的就是TATA盒
        • 典型的Ⅱ类启动子由TATA盒或下游启动子元件(DPF)和起始元件( Inr)以及上游调控元件组成。
        • 不含TATA盒的启动子分为两类
          • 富含GC的启动子
          • 既不含TATA盒，也没有GC富含区
        • 真核生物主要有三种RNA聚合酶，它们分别结合在不同的启动子上负责转录不同的RNA
      • 增强子是一种能够提高转录效率的顺式作用元件
        • 增强子的功能及其作用特征
          • 增强子与被调控基因位于同一条DNA链上，属于顺式作用元件，
          • 增强子是组织特异性转录因子的结合部位，当某些细胞或组织中存在能够与之相结合的特异转录因子时，方能表现活性
          • 增强子不仅能够在基因的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用，个别情况下甚至可以调控30kb以外的基因
          • 增强子作用与序列方向性无关。
          • 增强子需要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。
      • 沉默子能够抑制基因的转录
      • 绝缘子阻碍其他调控元件的作用
    • （二）转录因子是转录起始调控的关键分子
      • 根据功能特性，转录因子分为
        • 通用转录因子
          • 所有基因都是必需的
          • 有人将其视为RNA聚合酶的组成成分或亚基，故又称为基本转录因子
          • 没有组织特异性
        • 特异转录因子
          • 决定该基团表达的时间空间特异性
          • 根据功能分为
            • 转录激活因子
              • 起转录激活作用
              • 通常是一些增强子结合蛋白(EBP)
            • 转录抑制因子
              • 起转录抑制作用
              • 通常是一些沉默子结合蛋白，但也有抑制因子以不依赖DNA的方式起作用，而是通过蛋白质-蛋白质相互作用“中和”转录激活因子或TFⅡD，降低它们在细胞内的有效浓度，抑制基因转录
          • 组织特异性转录因子在细胞分化和组织发育过程中具有重要作用
          • 此外还有
            • 上游因子蛋白质：SP1结合到GC盒上；C/EBP结合到CAAT盒上
            • 可诱导因子：远程调控
        • 转录因子的结构特点
          • DNA结合域+转录激活结构域，可还有介导蛋白质-蛋白质相互作用的结构域
          • DNA结构域
            • 锌指模体结构
            • 碱性螺旋一环一螺旋膜体结构(bHLH)
            • 碱性亮氨酸拉链膜体结构（bZIP）
          • 转录激活结构域
            • 富含酸性氨基酸的保守序列：形成带电子的β折叠，与TFⅡD相互作用促进转录
            • 富含谷氨酰胺结构域：可通过与GC盒结合发挥转录激活作用
            • 富含脯氨酸结构域：可通过与CAAT盒结合来激活转录
        • 二聚化是常见的蛋白质-蛋白质相互作用方式
          • 二聚化作用与bZIP的亮氨酸拉链、bHLH的螺旋-环-螺旋结构有关
    • （三）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
    • （一）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
        • 使mRNA免于被5’-核酸外切酶降解
        • 与相应的帽结合蛋白结合而提高翻译的速率，并参与转运
      • 3’-端的poly(A)尾结构防止mRNA降解
        • 防止被3’-核酸外切酶降解
        • 3’-poly(A)尾参与了翻译的起始过程
        • mRNA的3’UTR上的顺式调节元件与RNA结合蛋白相互作用可影响mRNA的稳定性
        • 例子
          • ARE：增加/降低mRNA稳定性
          • IRE(铁反应元件)：位于3’-URE，促进/抑制mRNA降解
          • TfR(铁转运蛋白)：Fe↓，TfR的mRNA稳定性↑； Fe↑，mRNA降解加快
    • (二)一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默
      • miRNA，siRNA，piRNA，snRNA
    • (三)mRNA前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达
      • 选择性剪接
      • 内含子可产生外显子移动
  • 真核基因表达在翻译及翻译后仍可受到调控
    • (一)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-4E及eIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起始
    • (二)RNA结合蛋白参与对翻译起始的调节
      • TRE-BP调节铁蛋白和ALA合成酶
      • IRE（铁反应元件）
        • 位于TfR mRNA的(铁转运蛋白受体，运Fe进入细胞)，位于3’-UTR，富含A-U
        • 位于铁蛋白和ALA合酶mRNA的(促进Fe利用)，位于5’-UTR，无A-U富含区
    • (三)对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达
      • 新生肽链的水解和运输
      • 蛋白质可逆的磷酸化，甲基化，酰基化修饰
    • (四)小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
      • 微RNA(miRNA)
      • 干扰小RNA（siRNA）
      • RNA干扰
        • siRNA与miRNA差异比较
          • 
    • （五）长非编码RNA在基因表达调控中的作用(polⅡ)
      • 不直接参与基因编码和蛋白质合成
      • 可在表观遗传水平，转录水平和转录后水平调控基因的表达