考研生化 基因表达调控

临床医学考研--生化--基因表达调控，基因表达 = 转录 可有翻译，还图文展示了真核生物基因表达的多层次复杂调控。

基因表达调控

• 基因表达 = 转录 + 可有翻译
  • 时间（阶段）特异性
    • eg.编码甲胎蛋白（AFP）的基因在胎儿肝细胞表达活跃，成年后—表达水平很低
  • 空间（组织细胞）特异性：同一基因在不同空间表达不同
    • eg.编码胰岛素的基因只在胰岛β细胞表达
  • 管家基因：在几乎所有细胞持续表达（基本（组成性）表达）
    • 时空特异性差；很少受环境影响
    • eg.三羧酸循环各阶段的酶的编码基因
  • 可诱导 / 阻遏基因
    • 特定环境被激活 / 抑制（很容易受环境影响）
    • eg.DNA损伤修复酶的编码基因—可诱导基因
• 基因表达全过程都受调控
  • • DNA和染色质水平—活性染色质：
      • 常出现对核酸酶高度敏感的超敏位点
      • 组蛋白
        • H1 ↓
        • H2A、H2B不稳定
        • H3、H4发生乙酰化、磷酸化、泛素化…
        • 核小体松弛 → 组蛋白与DNA亲和力↓（裸体DNA易转录）
      • CpG岛甲基化↓
        • 乙酰化：染色质变松→利于转录
        • 甲基化：染色质变紧→不利于转录
    • 转录和转录后水平
      • *最关键最复杂：转录起始（基本控制点）
        • 原核—操纵子
          • 乳糖操纵子（诱导型～）
            • 结构
              • • 调节基因 I：编码阻遏蛋白
                • 调控序列
                  • CAP结合位点：结合cAMP-CAP（无葡萄糖）
                  • 启动子P：结合RNApol
                  • 操纵序列（元件 / 基因）O：结合阻遏蛋白（无乳糖）
                • 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
                  • 分解乳糖
                  • *结构基因转录出一条mRNA → 多条肽链：多顺反子
            • 阻遏蛋白—负性调节
              • • 别乳糖可结合阻遏蛋白 → 阻遏蛋白变构 → 阻遏蛋白与O解离
            • CAP—正性调节
              • • 无葡萄糖：cAMP结合CAP → cAMP-CAP结合CAP结合位点 → 提高RNApol活性（转录出分解乳糖的酶（Z、Y、A结构基因））
                • 有葡萄糖：RNApol活性很低（用葡萄糖供能而不分解乳糖！）
            • 协同调节
          • 色氨酸操纵子（阻遏型～）
            • 无 / 低色氨酸 → 操纵子开放
            • 高色氨酸 → 操纵子关闭
              • 阻遏作用的粗调（主要）：色氨酸结合阻遏蛋白 → 结合操纵序列（O）→ 转录无法起始
              • 衰减作用的精调：前导序列（衰减子）→ 前导mRNA → 前导肽（高Trp-tRNATrp）→ 已经起始的转录停止
        • 真核
          • 真核的顺式作用元件
            • *顺式作用元件：与结构基因在同一条DNA的调控序列
              • *每个结构基因都有各自的顺式作用元件
            • 启动子（提供转录起始信号）
              • 结合RNApol
                • 三类启动子分别对应三种RNApol、相关蛋白质
                • eg.真核RNApol II
                  • II 类启动子构成
                    • 核心序列：-25～-30区的TATAAAAA（TATA box / Hogness盒）
                    • 上游元件（TATA盒的上游）：CAAT盒、GC盒
            • 增强子（结合转录激活因子）
              • 增强真核启动子的效率
              • 对启动子无严格专一性（同一增强子可影响不同启动子）
              • 能在启动子任何方向、位置发挥作用
              • 属于远端调控元件（远离转录起始点）：发挥作用距离所调控基因可近可远（与距离无关）
              • 决定基因表达时空特异性最主要的顺式作用元件
              • 与序列方向无关
                • *启动子与序列方向有关，增强子、沉默子、绝缘子与序列方向无关
            • 沉默子（结合转录抑制因子）
            • 绝缘子
              • 在增强子 / 沉默子与启动子之间，阻碍它们对启动子的作用
              • 在常染色质与异染色质之间，保护常染色质的基因表达不受异染色质影响
          • 真核的反式作用因子（转录因子）
            • *调节蛋白：识别结合特异的顺式作用元件
              • *反式作用因子（转录因子）：某一基因编码的蛋白质调节另一基因转录
            • 结构
              • • 转录激活结构域
                  • 酸性激活结构域（与TF IID相互作用协助组装转录起始复合物）
                  • 富含谷氨酰胺结构域（结合GC盒）
                  • 富含脯氨酸结构域（结合CAAT盒）
                • DNA结合结构域
                  • 锌指结构、亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋（模体）
                • 介导蛋白质-蛋白质相互作用结构域
                  • eg.二聚化结构域
            • 类型
              • 通用（基本）转录因子（高度保守）
                • 帮助 RNApol 结合启动子
                  • *对比原核：启动子可直接结合RNApol
                • RNApol I / II / III对应相应类型的启动子、转录因子（TF）
                  • TFII D（中的TBP亚基）：结合TATA盒
                  • TFII F：随RNApol II进入延长阶段
                  • TFII H：ATP酶 + 解旋酶 + 蛋白激酶活性
                    • *解旋：使闭合复合物变为开放复合物
                    • *激酶：使RNApol II移动—磷酸化
              • 上游因子
                • 结合启动子上游元件
                  • SP1结合GC盒
                  • C / EBP（上游因子）结合CAAT盒（II 类启动子上游元件）
              • 特异转录因子
                • 结合增强子、沉默子、绝缘子
                  • *转录激活因子：结合增强子，抑制因子：结合沉默子
                • 个别基因转录需要，以决定基因表达的时空特异性
                  • *决定基因表达时空特异性最重要的顺式作用元件：增强子，增强子的反式作用因子：转录激活因子（特异转录因子）
              • 特异—可诱导因子
                • 属于转录激活因子（结合增强子），但只会在特定时间、组织被诱导产生
                • eg.
                  • 生肌决定因子MyoD：肌细胞高表达
                  • 缺氧诱导因子HIF-1：缺氧时表达
                    • 不缺氧：HIF-1被蛋白酶体降解（泛素打标记高，消耗ATP）
                    • 缺氧：HIF-1降解减少 → 结合EPO编码基因的增强子 → EPO ↑
                      • *肾衰—肾性贫血治疗：罗沙司他（模拟HIF-1）
          • *RNApol II结合启动子的具体过程
            • 参与的蛋白质
              • • TF II（通用转录因子）：结合启动子、RNApol II
                • 上游因子：结合启动子上游元件
                • 转录激活因子（eg.可诱导因子）：结合增强子
                • 中介子、TAF：在上游因子、转录激活因子与RNApol II-TF II复合物之间，起中介、桥梁作用
                  • TBP亚基 ：TATA binding protein 结合TATA盒
                  • *TAF亚基：TBP associate factor（TBP相关因子）
            • 具体步骤
              • TFII D → A → B → F-RNApol II复合物 → E → H
                • 记忆：哒哒阿布拉二胡一哈
              • • D的TBP亚基结合TATA盒（DNA上II 类启动子核心序列）
                • A加强、B稳定（TFII D（TBP）-DNA）
                • F结合RNApol II
                • B募集RNApol II-F
                • E募集H与上述结合形成闭合转录起始复合物（转录起始前复合物 / PIC）
                • H使闭合→开放转录复合物（H：解旋酶、蛋白激酶、ATP酶）
                • E结合单链DNA以稳定解链状态
                • H的蛋白激酶活性使RNApol II的CTD磷酸化→RNApol II开始移动至转录起始点转录
                  • *CTD：RNApol II的羧基末端结构域
                • 延长阶段：F仍然结合RNApol II
          • *转录后的调控
            • 影响前体mRNA的加工修饰
            • 影响mRNA从细胞核转运至细胞质
            • 转录后基因沉默（RNA干扰 / RNAi）
              • piRNA、microRNA、siRNA（小干扰RNA）
                • microRNA
                  • 来源：内源（RNApol II催化转录）
                  • 单链（转录而来）
                  • 组成RISC（RNA诱导的沉默复合物）→ 结合靶mRNA—降解mRNA（完全互补）
                  • *结合靶mRNA3端非翻译区→抑制翻译（不需完全互补）
                  • 调节发育过程
                • siRNA
                  • 来源：内源、外源
                  • 双链（从双链RNA剪切下来）
                    • 酶：Dicer
                  • 组成RISC →结合靶mRNA—降解mRNA（完全互补）
                  • 抑制转座子活性、病毒感染
    • 翻译和翻译后水平