生物化学 药立波 b站视频配套 第十八章：基因表达调控

第十八章：基因表达调控

第一节：基因表达与基因表达调控的基本概念与特点

一：基因表达是基因转录和翻译的过程

基因表达：就是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，对于蛋白质编码基因，mrna继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。

二：基因表达具有时间特异性和空间特异性

（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生

（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同。

三：基因表达的方式存在多样性

基因表达调控：就是指细胞或生物体在接受内外信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质，在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。

（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达

管家基因：有些基因产物对生命全过程都是必须的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境条件的影响，这些基因通常被称为管家基因。

（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏

诱导：在特定的环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，即这种基因表达是可诱导的，可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程称为诱导。

阻遏：如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏基因，可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。

（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节

四：基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节

顺式作用元件：调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上，被称为顺式作用元件

反式作用因子：一些调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用。这样的调节基因产物不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控，而且还能对不在一条DNA链上的结构基因的表达起到同样的作用。因此，这些蛋白质分子被称为反式作用因子。

五：基因表达调控呈现多层次和复杂性

六：基因表达调控是生物体生长和发育的基础

（一）生物体调节基因表达以适应环境，维持生长和增殖

（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育

第二节：原核基因表达调控

 一：操纵子是原核基因转录调控的基本单位

多顺反子：原核生物的结构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mrna长链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mrna分子携带了几个多肽链的编码信息，被称为多顺反子。

操纵子由结构基因与调节序列组成

结构基因：通常包括数个功能上有关联的基因，他们串联排列共同构成编码区

调控序列：由启动子，操纵元件以及一定距离外的调节基因

启动子：是rna聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件

操纵元件：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：编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，分为特异因子，阻遏蛋白和激活蛋白

二：乳糖操纵子是典型的诱导型调控

（一）乳糖操纵子的结构

含有z，y，a三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列o，一个启动子p，及一个调节基因i，i基因编码一种阻遏蛋白，后者与o序列结合，使操纵子处于阻遏状态。在启动子p上游还有一个cap结合位点。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，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。

（二）乳糖操纵子受到阻遏蛋白和cap的双重调节

1.阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态，此时，i序列表达的阻遏蛋白与o序列结合，阻碍rna聚合酶与p序列结合，抑制转录启动。当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导，真正的诱导剂非乳糖本身，而是乳糖经过一系列酶促反应生成的半乳糖。半乳糖作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白质构象发生变化，导致阻遏蛋白与o序列解离，发生转录。

2.Cap的正性调节：当培养基中缺乏葡萄糖时，camp浓度升高，camp与cap结合，刺激rna转录活性。当有葡萄糖存在时，camp的浓度降低，camp与cap结合受阻，抑制rna转录活性。

3.协同调节：细菌在生长时，若乳糖和葡萄糖同时存在，细菌优先利用葡萄糖。

三：色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达

四：原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制

五：原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调控

（一）转录和翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性

（二）蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节

（三）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

（四）反义mrna结合实现对翻译起始的调控

（五）Mrna密码子的编码频率影响翻译速度

第三节：真核基因表达调控

一：真核基因表达特点

1.真核基因组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，而人的基因组中只有很少一部分序列编码蛋白质

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

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

5.真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因的表达

6.真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。

二：染色质结构与真核基因表达密切相关

（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感

（二）转录活化染色质的组蛋白发生改变

（三）Cpg岛甲基化水平降低

三：基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位

（一）真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂

（二）增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件

（三）沉默子能够抑制基因的转录

四：转录因子时转录调控的关键分子

（一）通用转录因子

（二）特异转录因子

（三）转录因子作用的结构特点

1.转录因子的DNA结合结构域主要有以下几种：

（1）锌指模体

（2）碱性螺旋-环-螺旋

（3）碱性亮氨酸拉链

2.转录因子的转录激活结构域

（1）酸性激活结构域

（2）谷氨酰胺富含结构域

（3）脯氨酸富含结构域

（四）二聚化是常见的蛋白质-蛋白质相互作用方式

五：转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式

（一）启动子与rna聚合酶活性

（二）调节蛋白与rna聚合酶活性

六：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的表达

1.5；-端的帽子结构可以增加mrna的稳定性

2.3；-端的多聚腺苷酸尾结构防止mrna降解

（二）一些非编码小分子rna可引起转录后基因沉默

（三）Mrna前体的选择性剪接可以调节真核生物基因的表达

七：真核基因表达在翻译及翻译后任可受到调控

（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行

（二）Rna结合蛋白参与了对翻译起始的调节

（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达

（四）小分子rna对基因表达的调节十分复杂

1.mirna 

2.Sirna

两个都可以抑制翻译过程

Rna干扰：双链sirna参与risc（rna诱导的沉默复合体）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。这种由sirna介导的基因表达抑制作用称为rna干扰。

（五）长链非编码rna在基因表达调控中的作用不容忽视