基因表達(dá)的調(diào)控

1、第十五章基因表達(dá)的調(diào)控每種生物在生長發(fā)育和分化的過程中，以及在對外環(huán)境的反應(yīng)中各種相關(guān)基因有條不紊的表達(dá)起著至關(guān)重要的作用。在原核生物中，一些與代謝有關(guān)的酶基因表達(dá)的調(diào)控主要表現(xiàn)為對生長環(huán)境變化的反應(yīng)和適應(yīng)。與原核生物相比，真核生物基因表達(dá)的調(diào)控更為復(fù)雜，真核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要是指編碼蛋白質(zhì)的mRNA勺形成與使用的調(diào)節(jié)與控制?；虮磉_(dá)的過程，以真核生物為例，包括以下幾個環(huán)節(jié)：基因的活化轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后的加工mRNA專運至細(xì)胞質(zhì)一一翻譯一一翻譯后加工，上述各個環(huán)節(jié)都可以是受調(diào)控的點，本章所介紹的主要是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。第一節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物在對外環(huán)境突然變化的反應(yīng)中，是通過誘導(dǎo)或阻遏合

2、成一些相應(yīng)的蛋白質(zhì)來調(diào)整與外環(huán)境之間的關(guān)系。由于原核生物的轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程是偶聯(lián)的（圖151），而且這種過程所經(jīng)歷的時間很短，只需數(shù)分鐘，同時由于大多數(shù)原核生物的mRNAE幾分鐘內(nèi)就受到酶的影響而降解，因此就消除了外環(huán)境突然變化后所造成的不必要的蛋白質(zhì)的合成。與真核生物相比，原核生物基因表達(dá)的一個特點是快速。下面分別以大腸埃希菌（E.coli）的乳糖操縱子（lactoseoperon,屬可誘導(dǎo)操縱子）和色氨酸操縱子（triptophanoperon,屬可阻遏操縱子）為例介紹原核生物轉(zhuǎn)錄起始和轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控。一、乳糖操縱子（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)劑所謂操縱子是指一些成簇排列、相互協(xié)同的基因所

3、組成的單位，也稱基因表達(dá)的協(xié)同單位（acoordinatedunitofgeneexpression）。在乳糖操縱子中有Z基因（編碼3-半乳糖昔酶，3galactosidase）,丫基因（編碼通透酶，permeas9,a基因（編碼轉(zhuǎn)乙?；?，transacetylas®,上述Z、Y、a是結(jié)構(gòu)基因；P（啟動子，promoter）,0（操縱基因，operator）是調(diào)控基因；I（編碼Lac阻遏物，Lacrepressor）不屬于乳糖操縱子。（圖152）。大腸埃希菌能利用乳糖作為碳源，但要將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖，催化此水解反應(yīng)的是3-半乳糖甘酶。由于Z、Ya以多順反子（polycist

4、ron）形式存在，即三種基因被轉(zhuǎn)錄到同一條mRNA上，因此乳糖能同時等量地誘導(dǎo)三種酶的合成。通透酶的作用是使乳糖能透過細(xì)菌壁，轉(zhuǎn)乙?；傅淖饔眠€不清楚。在大腸埃希菌內(nèi)，真正生理性的誘導(dǎo)劑并非乳糖，而是別位乳糖（allo-lactose），也是由乳糖經(jīng)3-半乳糖甘酶（未經(jīng)誘導(dǎo)少量存在于細(xì)菌內(nèi)）催化形成，并再經(jīng)3-半乳糖甘酶水解為半乳糖和葡萄糖（圖15-3）。（二）Lac阻遏物的作用Lac阻遏物是一種具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，4個亞基相同（分子質(zhì)量37000），都有一個與誘導(dǎo)劑（生理性誘導(dǎo)劑為別位乳糖，實驗常用的誘導(dǎo)劑是異丙基硫代半乳糖一IPTG）的結(jié)合位點。在沒有誘導(dǎo)劑的情況下，Lac阻遏物能快速與

5、操縱基因O結(jié)合，從而阻礙結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有誘導(dǎo)劑與Lac阻遏物結(jié)合后，阻遏物的構(gòu)象就發(fā)生變化，導(dǎo)致阻遏物從操縱基因O上解離下來，RNA聚合酶不再受阻礙，能轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因Z、Y、a（圖15-4）。Lac阻遏物與操縱基因O結(jié)合時所覆蓋的區(qū)域為28bp。（三）CAP與cAMPM合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用大腸埃希菌具有優(yōu)先利用葡萄糖作為能源的特點。當(dāng)大腸埃希菌在含有葡萄糖的培養(yǎng)劑中生長時，一些分解代謝酶，如3-半乳糖甘酶、半乳糖激酶、阿拉伯糖異構(gòu)酶、色氨酸酶等的水平都很低，這種葡萄糖對其他酶的抑制效應(yīng)稱為分解物阻遏作用（cataboliterepression），這種現(xiàn)象與cAMPW關(guān)。葡萄糖能降低

6、大腸埃希菌中cAMP的濃度，而加入外源性cAMP能逆轉(zhuǎn)葡萄糖的這種抑制作用。cAMP能刺激多種可誘導(dǎo)的操縱子（inducibleoperon）,包括乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的啟動。從這點上來說，cAMP在細(xì)菌和哺乳動物中的作用是相同的，都是作為饑餓信號（hungersignal）,但作用機(jī)制全然不同，在哺乳動物細(xì)胞，cAMP勺作用是激活蛋白激酶，再由蛋白激酶磷酸化其他靶蛋白質(zhì)分子，例如，調(diào)控糖原合成和分解的機(jī)制；而細(xì)菌中cAMP的作用是通過和一種稱為分解物基因激活物蛋白（catabolitegeneactivatorprotein，CAP）結(jié)合后發(fā)揮作用。CAP是一種具有兩個相同亞基的蛋白質(zhì)，每個亞基都

7、具有與DNA吉合的結(jié)構(gòu)域和與cAMP吉合的結(jié)構(gòu)域。CAP與cAMP吉合的復(fù)合物才能刺激操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。在乳糖操縱子上CAP與DNA吉合的區(qū)域正女?在啟動子P的上游。當(dāng)沒有葡萄糖存在（或低濃度葡萄糖）時,cAMP-CAP復(fù)合物結(jié)合到相應(yīng)的DNA歹U,并刺激RN咪合酶的車t錄作用（能使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍），這種作用當(dāng)然是在沒有Lac阻遏物與操縱基因O結(jié)合的情況下才能發(fā)生（圖15-5）。在沒有CAP-cAMP的情況下，RNA聚合酶與啟動子并不形成具有高效轉(zhuǎn)錄活性的開放復(fù)合體，因此乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的高表達(dá)既需要有誘導(dǎo)劑乳糖的存在（使Lac阻遏物失活），又要求無葡萄糖或低濃度葡萄糖的條件（增高c

8、AMP濃度，并形成CAP-cAMP復(fù)合物促進(jìn)轉(zhuǎn)錄）。乳糖操縱子調(diào)控模式在一定程度上也反映了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一般情況：第一，環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號，如葡萄糖，乳糖濃度的變化是乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因是否轉(zhuǎn)錄的外界條件和信號；第二，基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控（negativeregulation），即調(diào)控蛋白質(zhì)與相應(yīng)的DNA序列結(jié)合后，能阻遏基因的表達(dá)，如Lac阻遏物與操縱基因O結(jié)合后就抑制了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，在乳糖操縱子這種阻遏作用能被誘導(dǎo)劑解除；第三?；虮磉_(dá)的正調(diào)控（positiveregulation）,即調(diào)控蛋白與相應(yīng)的DNA列結(jié)合后，能促進(jìn)基因的表達(dá)。如CAP-cAMP就是一種在多

9、種原核生物操縱子中發(fā)揮正調(diào)控作用的復(fù)合物。二、色氨酸操縱子原核生物的轉(zhuǎn)錄終止階段，也可以是基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)，色氨酸操縱子的調(diào)控模式就是一個典型的例子。色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)基因包括編碼5種酶的基因E、D、C、B、A，5種酶在催化分支酸（chorismate）轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬倪^程中發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)基因中還包括L基因，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是前導(dǎo)mRNA調(diào)控元件有啟動子P和操縱基因Q圖15-6）。色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控有兩種機(jī)制，一種是通過阻遏物的負(fù)調(diào)控，另一種是通過衰減作用（attenuation）。（ 1） 阻遏物對色氨酸操縱子的調(diào)控色氨酸阻遏物是一種同二聚體蛋白質(zhì)（由兩個相同的亞基組成），每個亞基有107個氨

10、基酸殘基。色氨酸阻遏物本身不能和操縱基因O結(jié)合，必須和色氨酸結(jié)合后才能與操縱基因O結(jié)合，從而阻遏結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，因此色氨酸是一種共阻遏物（corepressor）。（ 2） 衰減作用對色氨酸操縱子的調(diào)控色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄的衰減作用是通過衰減子（attenuator）調(diào)控元件使轉(zhuǎn)錄終止。色氨酸操縱子的衰減子位于L基因中，離E基因5端約3060bp。大腸埃希菌在無或低色氨酸環(huán)境中培養(yǎng)時，能轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生具有6720個核甘酸的全長多順反子mRNA包括L基因和結(jié)構(gòu)基因。培養(yǎng)劑中色氨酸濃度增加時，上述全長多順反子mRN給成減少，但L基因5,端部分的140個核苷酸的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并沒有減少（圖15-6）。這種現(xiàn)象是由衰減

11、子造成的，而不是由于阻遏物-共阻遏物的作用所致。這段140個核苷酸序列就是衰減子序列。衰減子轉(zhuǎn)錄物具有4段能相互之間配對形成二級結(jié)構(gòu)的片段，如圖15-7所示，片段1-和2配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時，片段3和4同時能配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；而片段2和3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時，其他片段配對二級結(jié)構(gòu)就不能形成。片段3+和4及其下游的序列與p因子不依賴轉(zhuǎn)錄終止有關(guān)序列相似（見第十三章）。L基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（含片段1）能被翻譯產(chǎn)生具有14個氨基酸殘基的肽鏈（前導(dǎo)肽），其中含有兩個相鄰的色氨酸殘基（圖15-7）。編碼此相鄰的兩個色氨酸密碼，以及原核生物中轉(zhuǎn)錄與翻譯過程的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減作用的基礎(chǔ)。如圖15-8所示，當(dāng)L基因轉(zhuǎn)錄

12、后核糖體就與mRNA吉合，并翻譯L序列。在高濃度色氨酸環(huán)境中，能形成色氨酰-tRNA,核糖體在翻譯過程中能通過片段1，同時影響片段2和3之間的發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成，但片段3和4之間能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)就是P因子不依賴的轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)，因此RNA聚合酶的作用停止。當(dāng)色氨酸缺乏時，色氨酰-tRNA也相應(yīng)缺乏，此時核糖體就停留在兩個相鄰的色氨酸密碼的位置上，片段1和2之間不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，而片段2和3之間可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，結(jié)果使色氨酸操縱子得以轉(zhuǎn)錄。在轉(zhuǎn)錄水平，真核生物和原核生物的調(diào)控機(jī)制基本相似，但至少在三方面真核生物基因表達(dá)的調(diào)控有其自身的特征：第一，轉(zhuǎn)錄的激活與被轉(zhuǎn)錄區(qū)域的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)；第二，原

13、核生物基因表達(dá)有負(fù)調(diào)控和正調(diào)控，而真核生物基因表達(dá)以正調(diào)控為主；第三，真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程在細(xì)胞內(nèi)區(qū)域化上是分開的，轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，翻譯在細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行。一、具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化真核生物基因組中僅有很小部分的序列是編碼蛋白質(zhì)的。在哺乳動物，只有2%的DNA手列編碼蛋白質(zhì)，這部分序列的DNA信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯成為具有各種功能的蛋白質(zhì)。其中，有些基因的表達(dá)是比較恒定的，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在所有的組織細(xì)胞中都存在，這類基因稱為管家基因(housekeepinggenes)，這類基因的表達(dá)稱為組成性表達(dá)(constitutivegeneexpression)。有些基因的表達(dá)會因為細(xì)胞對信號分

14、子的反應(yīng)而發(fā)生變化，稱為可調(diào)控的基因表達(dá)(regulatedgeneexpression)。在具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)區(qū)域，可以觀察到一些變化，最明顯的是該區(qū)域?qū)怂崦附閷?dǎo)的DNA條解的敏感性增強(qiáng)。在具有轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域的一些DNA序列對DNA酶I的敏感性特別高，因此稱為DNABI的高敏感區(qū)(hypersensitivesites),這部分DNA列一般在100至200bp,常位于被轉(zhuǎn)錄基因5端1000bp范圍之內(nèi)。許多高敏感區(qū)和一些與基因表達(dá)有關(guān)的調(diào)控蛋白與DNA吉合的區(qū)域是一致的，這些區(qū)域一般不存在核小體結(jié)構(gòu)。具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)區(qū)域缺乏組蛋白Hi,其他組蛋白成分常發(fā)生乙酰化(acetylation

15、),或有一種叫泛素(ubiquitin)的蛋白質(zhì)附著。具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)區(qū)域的DNA通常是去甲基化的。啟動子附近DNA序列的甲基化可以抑制轉(zhuǎn)錄起始，與基因靜止相關(guān)。甲基化一般發(fā)生在具有CpG序列的胞喀咤第5位碳原子上。DNA甲基化的異常與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。上述這些具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，都是為轉(zhuǎn)錄的啟動作準(zhǔn)備，使RNA聚合酶和一些轉(zhuǎn)錄因子得以接近被轉(zhuǎn)錄基因的調(diào)控序列?；蚧罨倪^程是染色質(zhì)與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的結(jié)構(gòu)改變的過程，此過程稱為染色質(zhì)重建（chromatinremodeling）。二、參與基因調(diào)控的順式作用元件和反式作用因子（一）順式作用元件這類調(diào)控元件是指那些和被轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因在距離

16、上比較接近的DNA序列，包括啟動子（及啟動子上游近側(cè)序列）及增強(qiáng)子等。1. 啟動子和啟動子上游近側(cè)序列編碼蛋白質(zhì)基因的啟動子和啟動子上游近側(cè)序列中有3種短序列的突變能導(dǎo)致啟動子功能的喪失，這3種短序列分別是TATA盒、CAAT盒、GC盒（已在第十三章作初步介紹）。啟動子及啟動子近側(cè)的保守序列元件按它們對RNA聚合酶的影響，可分為兩類，一類是位于較上游的元件，能較強(qiáng)地影響轉(zhuǎn)錄起始的效率，CAAT盒和GC盒即屬于這類順式元件；另一類是位于距轉(zhuǎn)錄起始點較近的TATA盒，在選擇轉(zhuǎn)錄起始點的過程中起調(diào)控作用。2. 增強(qiáng)子增強(qiáng)子是一類能增強(qiáng)真核細(xì)胞某些啟動子功能的順式作用元件。增強(qiáng)子作用不受序列方向的制約

17、，即順的和反的序列都有作用，而且在離啟動子相對較遠(yuǎn)的上游或下游都能發(fā)揮作用，有的增強(qiáng)子位于基因中間（通常位于內(nèi)含子中）。有的增強(qiáng)子只能在特異的組織中作用，例如免疫球蛋白基因的增強(qiáng)子（Oct-2）只能在表達(dá)該基因的B淋巴細(xì)胞中發(fā)揮作用，這種具有組織特異性的增強(qiáng)子可能是作為某些特異基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組成部分而發(fā)揮作用。3. 反應(yīng)元件（responseelements）當(dāng)真核細(xì)胞處于某一特定環(huán)境時，有反應(yīng)的基因具有相同的順式作用元件，這類順式元件稱為反應(yīng)元件。例如熱激反應(yīng)元件（HSE）、激素反應(yīng)元件（HRE,在第十六章將彳較深入介紹），金屬反應(yīng)元件（MRE）等。這些反應(yīng)元件一般具有較短的保守序列，與

18、轉(zhuǎn)錄起始點的距離不固定，一般在200bp之內(nèi)。有些反應(yīng)元件在啟動子或增強(qiáng)子內(nèi)，如HSE在啟動子內(nèi)，糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件（GRE）在增強(qiáng)子內(nèi)。（二）反式作用因子反式作用因子（簡稱反式因子），也稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors），是一類在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)因子。反式因子的作用特點是：能識別啟動子、啟動子近側(cè)元件和增強(qiáng)子等順式元件中的特異靶序列，如轉(zhuǎn)錄因子TFHD能識別和結(jié)合TATA盒，轉(zhuǎn)錄因子Spl能識別和結(jié)合GC盒，CTFl能識別和結(jié)合CAAT盒（圖15-9）。RN咪合酶本身不能有效地啟動或不能啟動轉(zhuǎn)錄，只有當(dāng)反式因子與相應(yīng)的順式元件結(jié)合后才能啟動或有效啟動轉(zhuǎn)錄。這種對基

19、因轉(zhuǎn)錄啟動的調(diào)控是通過結(jié)合在不同順式元件上的反式因子之間或反式因子與RNA聚合酶之間的相互作用而實現(xiàn)的。反式因子具有兩個必需的結(jié)構(gòu)域，一個是能與順式元件結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，能識別特異的DNA序列；另一個是激活結(jié)構(gòu)域，其功能是與其他反式因子或RNA聚合酶結(jié)合，正是由于反式因子激活結(jié)構(gòu)域的這種功能，才能使一些離TATA盒較遠(yuǎn)（幾個kb）的順式元件所結(jié)合的反式因子能參與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控。由于DNA分子是柔性的，能成環(huán)狀，這是結(jié)合在相距較遠(yuǎn)的順式元件上的反式因子之間相互作用的基礎(chǔ)。真核生物基因轉(zhuǎn)錄的啟動由多個轉(zhuǎn)錄因子參與，而不同轉(zhuǎn)錄因子組合的相互作用能啟動不同基因的轉(zhuǎn)錄。（三）反式作用因子結(jié)構(gòu)的模式反式因子與

20、相應(yīng)順式元件結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，可歸納為如下幾種模式：1 .螺旋一轉(zhuǎn)角一螺旋（helix-turn-helix）具有這種結(jié)構(gòu)模式的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白最初在原核生物中發(fā)現(xiàn)，如本章提到的CAP2 .鋅指（zincfingers）鋅指結(jié)構(gòu)含有約30個氨基酸殘基，其中4個氨基酸殘基（兩個是半胱氨酸，兩個是組氨酸，或4個都是半胱氨酸）以配位鍵與Zn2+相互彳用（圖1510）。這種結(jié)構(gòu)模式在多種真核轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域中存在，而且都具有多個相同的鋅指，轉(zhuǎn)錄因子TFmA（與轉(zhuǎn)錄5sRNA基因有關(guān)）具有9個鋅指，每個鋅指都能與DNA雙螺旋大溝結(jié)合（圖15-11）3 .亮氨酸拉鏈（1eucinezippers）這種結(jié)構(gòu)是指在反式因子的一段肽鏈中每隔7個氨基酸殘基就有一個亮氨酸殘基出現(xiàn)，這段肽鏈所形成的a一螺旋就會出現(xiàn)一個由亮氨酸殘基構(gòu)成的疏水面，而另一面則是由親水性氨基酸殘基所構(gòu)成的親水面（圖15-12）。由亮氨酸殘基組成的疏水面即為亮氨酸拉鏈條，兩個具有亮氨酸拉鏈條的反式因子，就能借疏水作用形成二聚體（圖1513）,有些反式因子要形成二聚體后才能發(fā)揮作用，二聚體可以是同二聚體（homodimer,即由兩個相同的反式因子組成）,也可以是異二聚體（heterodimer,即由兩個不同的反式因子組成）。亮氨酸拉鏈對二聚體的形成是必需的，但不直接參與和DNA的相互作用，參與和DNA結(jié)合的是“拉