第十四章 基因表达调控
一、教学的基本要求
解释基因表达的概念，简述基因表达方式和特点。 叙述原核生物、真核生物基因表达调控的意义
记住基因表达调控的要素，解释重要的概念，如顺式作用元件、反式作用因子、启动子和启动序列、增强子、转录因子等
描述乳糖操纵子结构及调解原理，解释乳糖操纵子概念 写出原核真核基因调控的主要区别。
二、教学内容精要
（一）基因表达的概念，规律（特点）及方式 1.基因组(genome)
一个细胞或病毒携带的全部遗传信息或整套基因，称为基因组。不同生物基因组所含的基因多少不同。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同生活环境下，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。
2.基因表达
基因表达（gene expression）就是基因转录和翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA和tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。
3.基因表达的规律
基因表达表现为严格的规律性，即时间特异性（temporal specificity)、空间特异性（special specificity）。基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（promoter）和／或增强子（enhancer）与调节蛋白（regulatory protein）相互作用决定。
(1)时间特异性：噬菌体、病毒或细菌侵人宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段发展生长环境变化，有些基因开启（turn on)，有些基因关闭(turn off)。按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。因此多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stage specificity）。
(2)空间特异性：在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所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（tissue specificity）。
4.基因表达的方式
不同种类的生物遗传背景不同，同种生物不同个体生活环境的差异，可导致不同的基因功能和性质也不相同。因此不同基因的表达方式或调节类型存在很大差异。
(1)组成性表达(constitutive gene expression）：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因（housekeeping gene)。例如，三羧酸循环是一中枢性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。管家基因较少受环境因素影响，它在个体各个生长阶段以及几乎全部组织中持续表达，变化很小。与其他基因的区别是这类基因表达被视为基本的、或
组成性基因表达。这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响。事实上，组成性基因表达水平“不变”是相对的。
(2)诱导和阻遏：与管家基因不同，另有一些基因表达极易受环境变化影响。因外界信号的变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导（induction）的。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为诱导。例如有DNA损伤时，修复酶基因就会在细菌内被诱导激活，使修复酶反应性地增加。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏（repression）的。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。例如，当培养基中色氨酸供应充分时，在细菌内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达就会被抑制。可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，尚受其他机制调节；这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。
（二）原核生物、真核生物基因表达调控的意义
1.适应环境、维持生长和增殖：生物体赖于生存的外环境是在不断变化的。从低等生物到高等生物，都必须对外环境的变化作出适当反应，调节代谢，使生物体能更好地适应变化的外环境。这种适应调节的能力与某些蛋白质分子的功能有关。细胞内某种功能的蛋白质分子有或无、多或少等数量变化是由这些蛋白质分子的编码基因表达与否、表达水平高低等状况决定的。原核生物、单细胞生物调节基因的表达就是为适应环境、维持生长和细胞分裂。高等生物也普遍存在适应性表达方式。经常饮酒者体内醇氧化酶活性高即与相应基因表达水平升高有关。
2.维持个体发育与分化：在多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大；即使在同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。高等哺乳类动物各种组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的。当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。
（三）基因表达调控的要素和概念 1.基因表达的多级调控
对于一个基因的编码产物—蛋白质来说，至少有以下几个环节可调节蛋白质在细胞内的浓度，即基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰及蛋白质降解等。上述任一环节机制发生异常均会影响某个基因的表达水平。所以，基因结构活化、转录起始、转录后加工及载运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点，其中转录起始是基因表达的基本控制点。
2.基因转录激活调节基本要素
(1)特异DNA序列：不同基因特异的表达方式与基因结构有关，这里主要指具有调节功能的DNA序列。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子（元）机制实现的。操纵子（operator）通常由2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中串联组成。各种原核基因启动序列在转录起始点上游-10及-35区域，这些序列常常表现类似称为共有序列。一些细菌启动序列的共有序列（consensus sequence）在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒（Pribnow box），在-35区域为TTGACA。这些共有序列中的任一碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始。操纵序列与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启动序列交错、重叠，它是原核阻遏蛋白的结合位点。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，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子（元）调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白CAP，此时RNA聚合酶活性增强，使转录激活，介导正性调节（positive regulation)。
真核生物基因转录激活调节的序列比原核复杂。绝大多数真核基因调控（gene control）机制几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列—顺式作用元件（cis-acting element）。所谓顺式作用元件就是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。与原核基因类似，在不同真核基因的顺式作用元件中也会时常发现一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件并非都位于转录起始点上游（5′端）。根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉默子(silencer）等。
(2)调节蛋白：原核生物基因调节蛋白(regulation protein）都是一些DNA结合蛋白，分为三类：特异因子（specific factor）、阻遏蛋白(repressor）和激活蛋白（activator）。
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)阻遏蛋白：可结合特异DNA序列－——操纵序列，阻遏基因转录。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在
3)激活蛋白：可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）就是一种激活蛋白。某些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或全然不能结合启动序列。
真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子（transcription factor,TF）。绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用(DNA-蛋白质相作用)反式激活另一基因的转录，故称反式作用蛋白或反式作用因子(trans-acting factor)。
(3)DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用：DNA-蛋白质相互作用指反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。这种结合通常是非共价结合，形成DNA-蛋白质复合物。绝大多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction)形成二聚体(dimer)或多聚体。两分子单体通过一定结构域结合成二聚体，是调节蛋白结合DNA时最常见的形式。二聚体有同种分子间形成的同二聚体(homodimer)和异种分子间形成的杂二聚体(heterodimer)。杂二聚体比同二聚体具有更强的DNA结合能力；有时，有些调节蛋白经二聚活化后会丧失结合DNA的能力。另有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质-蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录，这在真核生物很常见。不同的真核细胞中所含的转录调节因子种类及浓度不同，所以同一基因在不同细胞中的表达状态不同。
(4)RNA聚合酶：DNA元件、调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。启动序列/启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚合酶活性影响很大。
1)启动序列/启动子与RNA聚合酶活性：原核启动序列或真核启动子是由转录起点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节元件组成。启动序列或启动子核苷酸序列会影响与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录启动的频率。如果一个启动序列的共有序列被置换为非共有序列，或非公有序列被置换为共有序列，则会得到使转录活性降低或增加两种截然不同的结果。真核RNA聚合酶单独存在时与启动子的亲和力低或无亲和力，必须与基因转录子形成复合物才能与启动子结合。真核RNA聚合酶的活性不仅与启动子序列有关，也与转录调节因子相关。
2)调节蛋白与RNA聚合酶活性：许多基因与管家基因不同，它们的基因产物浓度随环境信号而变化。因为这些基因激活所需要的一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，出现表达水平变化。诱导剂、阻遏剂等小分子信号所引起的基因表达都是通过使调节蛋白质分子构象改变，直接(DNA-蛋白质相互作用)或间接(蛋
白质-蛋白质相互作用)调节RNA聚合酶转录起动过程。原核特异因子σ决定RNA聚合酶识别启动序列的特异性。例如，当细胞发生热应激时，全酶中通常的σ70被σ32所取代，这时RNA聚合酶就会改变其对常规启动序列的识别、而结合另一套启动序列，启动一套基因表达。这就是所谓的热休克反应(heat shock response)。
(四)基因表达调控基本原理及真核与真核基因表达调控的区别 1.原核基因表达调控
(1)原核基因表达调控特点：原核特异记忆的表达也受多级调控，调控的关键机制主要发生在转录起始。概括原核基因转录调节有以下特点。
1）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性：原核生物细胞仅含有一种RNA聚合酶，核心酶参与转录延长，全酶参与转录起始。在转录起始阶段，σ亚基(又称σ因子)识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。
2）操纵子（元）模型的普遍性：除个别基因外，原核生物绝大数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位——操纵子（元），如乳糖（lac）操纵子、阿拉伯糖(ara)操纵子（元）及色氨酸（trp）操纵子（元）等。一个操纵子（元）只含一个启动序列及数个可转录的编码基因。通常编码基因为2～6个，多的可达20个以上，在同一启动序列控制下可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成。
3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：在很多原核操纵子（元）系统，特异的组遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏与去阻遏。原核基因的调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与得开关调节机制。 （2）乳糖操纵子（元）调节机制
1）乳糖操纵子（元）的结构：Ecoli的乳糖操纵子（lac operon）含Z、Y及A三个结构基因，分别编码β–半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列O(operator,O)、一个启动序列P(promoter,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（元）受阻遏而处于关闭状态。在启动序列P上游还有一分解代谢物基因激活蛋白（catabolite gene activator protein,CAP）结合位点。由P序列，O序列和CAP结合位点共同构成lac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调节。
2)阻遏蛋白的负性调节：在没有乳糖存在时，lac操纵子(元)处于阻遏状态。此时，I序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻遏RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录起动。当有乳糖存在时，lac操纵子(元)即可被诱导。在这个操纵子(元)体系中，诱导剂并非乳糖本身。乳糖经β-半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖，它是真正的诱导剂。异丙基硫代半乳糖(isopropylthio-galactoside,IPTG)时一种强诱导剂，不被细菌代谢，十分稳定，被实验室广泛应用。
3）CAP的正性调节：分解代谢物基因激活蛋白CAP是同二聚体，在其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度高时，cAMP与CAP结合，这时CAP与lac启动序列附近的CAP位点结合，刺激RNA转录活性，使之提高50倍；当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低,cAMP与CAP结合受阻，因此lac操纵子表达下降。由此可见，对lac操纵子(元)来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节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。
4）协调调节：lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作，当lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。可见，两种机制相辅相成、相互协调、相互制约。Lac操纵子(元)负性调节机制可以解释为：单纯乳糖存在时细菌是如何利用乳糖作碳
源的。因细菌生长环境是复杂的，倘若有葡萄糖或葡萄糖/半乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖才是最节能的。这时，葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolec repession)。Lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需要缺乏葡萄糖。
(3)其他转录调节机制：原核基因通过操纵子(元)机制调节是主要的，此外尚有其他特异调节机制，如转录衰减、基因重组、SOS反应等。
2.真核基因表达调控 (1)真核基因组结构特点
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1）真核基因组结构庞大：哺乳类动物基因组DNA由约3×10bp(碱基对)的核苷酸组成。其中表达的基因约占全部基因组的6%。
2）单顺反子：与原核不同，真核基因转录产物是单顺反子(monocistron)，即一个编码基因转录生成一个mRNA分子、经翻译生成一条多肽链。有很多真核蛋白质由几条不同的多肽链组成，因此存在多个基因协调表达的问题。
3）重复序列：在真核DNA中重复出现的核苷酸序列较原核更普通。根据重复序列出现
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的频率可将重复序列区分为高度重复序列(10次)、中度重复序列(10～10次)及单拷贝序列。
4）基因不连续性：真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有一些不为蛋白质编码的间隔序，称内含子(intron)；编码序列称外显子(exon),因此真核基因是不连续的。
(2)真核基因表达调控特点：同原核一样，转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。但在下述方面与原核存在明显差别：
1）活性染色体结构变化：当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化，如活化基因对核酸酶高度敏感；当基因活化时，转录区DNA由拓扑结构变化；DNA碱基修饰(如甲基化)变化及组蛋白变化。
2）正性调节占主导：真核RNA聚合酶对启动子的亲和力极小或根本没有实质性的亲和力，必须依赖一种或多种激活蛋白的作用。尽管已发现某些基因含有负性顺式作用元件存在，很多真核调节一种既可作为激活蛋白又可作为阻遏蛋白发挥调节作用，但负性调节元件并不普遍存在。真核基因组广泛存在正性调节机制。在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白即没有活性；只有细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因方可被激活。
3）转录与翻译分隔进行：真核细胞由细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行。
4）转录后修饰、加工：真核基因转录后剪切及修饰等过程比原核复杂。 （3）真核基因转录激活调节
1）顺式作用元件：按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子。 a.启动子：是原核操纵子（元）中启动序列的同义语。真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录控制组件（module）,每一组件含7～20bp的DNA序列。启动子包括至少一个转录起始点（initiation site）以及一个以上的机能组件。在这些机能组件中最具典型意义的就是TATA盒，它位于转录起始点上游-25 ～ -30bp，控制转录起始的准确性及频率。TATA盒是基本转录因子TFⅡD结合位点。除TATA盒外，GC盒和CAAT盒也是很多基因常见的，它们通常位于转录起始点上游-30 ～ -110bp区域。此外，还发现很多其他类型的机能组件。由TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子。
b.增强子：是远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，它的作用方式通常与方向、距离无关。增强子也是由若干机能组件组成，有些机能组件既可在增强子、也可在启动子中出现。这些机能组件是特异转录因子结合DNA
第十四章基因表达调控
