本章的主要內(nèi)容：

　　 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念、特點(diǎn)、基本原理。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)、負(fù)性調(diào)控、正性調(diào)控、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄衰減、SOS反應(yīng)。真核基因及基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)、順式作用元件和反式作用因子的概念、種類和特點(diǎn). 以及它們?cè)谵D(zhuǎn)錄激活中的作用。

　　本章的要點(diǎn)：

　　第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理

　　一、 基因表達(dá)的概念

　　基因是一段DNA分子，編碼一種多肽鏈或 RNA?；蛲ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)生具有一定功能的蛋白質(zhì)的過(guò)程。大多數(shù)基因的表達(dá)產(chǎn)物是蛋白質(zhì)，部分基因如rRNA和tRNA 基因的表達(dá)產(chǎn)物是RNA.

　　二、基因表達(dá)的特點(diǎn)

　?。ˋ）時(shí)間特異性或發(fā)育階段特異性、（B）空間特異性或組織細(xì)胞特異性，（C）有兩種表達(dá)方式，管家基因幾乎在所有的細(xì)胞和所有的發(fā)育階段持續(xù)表達(dá)，基本不受環(huán)境因素的影響，只受啟動(dòng)子調(diào)節(jié)。另外一些基因的表達(dá)受環(huán)境因素的誘導(dǎo)或阻遏。（D）基因表達(dá)可在多層次上受到調(diào)節(jié)如基因、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工 翻譯和翻譯后加工等水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。但最主要的是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，本章討論的內(nèi)容是原核基因和真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。

　　三、基因轉(zhuǎn)錄激活的基本要素

　　 （A）特異的ＤＮＡ調(diào)節(jié)序列 是調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的ＤＮＡ片段,如原核生物操縱子調(diào)控區(qū)中的啟動(dòng)序列、操縱序列、ＣＡP蛋白結(jié)合位點(diǎn)和真核基因的啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等。（B）調(diào)節(jié)蛋白 是調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白因子，如原核生物的阻遏蛋白和ＣＡｐ蛋白、真核生物的基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子等。（C）ＲＮＡ聚合酶 是催化基因轉(zhuǎn)錄最主要的酶。原核生物只有一種ＲＮＡ聚合酶，催化所有ＲＮＡ的轉(zhuǎn)錄。真核生物有三種ＲＮＡ聚合酶，催化不同ＲＮＡ的轉(zhuǎn)錄。ＤＮＡ調(diào)節(jié)元件和調(diào)節(jié)蛋白可以通過(guò)影響RNA聚合酶的活性來(lái)調(diào)接基因轉(zhuǎn)錄激活。

　　第二節(jié) 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控

　　一 原核基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：

　　（A）σ因子決定ＲＮＡ聚合酶識(shí)別特異性，幫助ＲＮＡ聚合酶識(shí)別不同啟動(dòng)子，對(duì)不同基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。（B）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)普遍采用操縱子模式, 原核生物功能相關(guān)的基因往往串聯(lián)地排列在一起，在一個(gè)共同的調(diào)控區(qū)的調(diào)節(jié)下，一起轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)多順?lè)醋?，最終表達(dá)產(chǎn)物是一些功能相關(guān)的酶或蛋白質(zhì)，它們－起參與某種底物的代謝或某種產(chǎn)物的合成。（C）阻遏蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用是普遍存在的貢性調(diào)節(jié)。

　　二、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)、負(fù)性和正性調(diào)節(jié)及協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

　　（A）乳糖操縱子包括三個(gè)結(jié)構(gòu)基因（Z、 Y、 A）三個(gè)調(diào)節(jié)序列：?jiǎn)?dòng)序列、操縱序列和CAP蛋白結(jié)合位點(diǎn)，以及一個(gè)調(diào)節(jié)基因，調(diào)節(jié)基因編碼阻遏蛋白。（B）、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合抑制基因的轉(zhuǎn)錄屬于負(fù)性調(diào)節(jié)。操縱序列是控制操縱子中結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的開(kāi)關(guān),阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合可阻止RNA聚合酶對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)乳糖存在時(shí)，乳糖的分鮮產(chǎn)物半乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，導(dǎo)致阻遏蛋白與操縱序列解離，誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄。（C） CAP的正性調(diào)節(jié) 蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄屬于正性調(diào)節(jié)。在啟動(dòng)子上游子存在CAP結(jié)合位點(diǎn), CAP與其結(jié)合后可促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)秀列結(jié)合，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。但是,CAP單獨(dú)不能與其位點(diǎn)結(jié)合，只有與cAMP形成復(fù)合物后才能與CAP位點(diǎn)結(jié)合。細(xì)胞內(nèi)葡萄糖缺乏時(shí)，cAMP水平升高，cAMP一CAP復(fù)合物形成并與CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。葡萄糖豐富時(shí)，cAMP水平降低，cAMP一CAＭP復(fù)合物不能形成，ＣＡP不能與DNA結(jié)合，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。（D）、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 即阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)與ＣＡＰ蛋白正性調(diào)節(jié)的協(xié)同作用。當(dāng)阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合封閉轉(zhuǎn)錄后，ＣＡＰ不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，但是阻遏蛋白脫離操縱序列而解除封閉后，如果沒(méi)有ＣＡｐ的作用也不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，所以乳糖操子的誘導(dǎo)作用即需要乳糖的存在又需要葡萄糖的缺乏。

　　三、 操縱子的其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制

　?。ˋ）轉(zhuǎn)錄衰減作用 最早在阻遏型的色氨酸操縱子發(fā)現(xiàn)，當(dāng)色氨酸豐富時(shí)，核蛋白體迅速通過(guò)前導(dǎo)編碼序列！使后面的序列形成衰減子，導(dǎo)致ＲＮＡ聚合酶的脫落和轉(zhuǎn)錄終止。轉(zhuǎn)錄衰減實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)錄和前導(dǎo)肽翻譯過(guò)程的偶聯(lián)，，是原核生物特有的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制。（B）Ｓ0Ｓ反應(yīng) 是大腸桿菌特有的一種ＤＮＡ損傷修復(fù)機(jī)制 . 參與ＤＮＡ損傷修復(fù)的一些Ｓ0Ｓ基因受一個(gè)共同的LｅｘＡ阻遏蛋白的控制，正常情況下LｅｘＡ與ＤＮＡ結(jié)合阻止了這些基因的表達(dá)，當(dāng)紫外線照射造成ＤＮＡ損傷時(shí)，Ｒｅｃ蛋白產(chǎn)生蛋白水解酶活性，使LｅｘＡ蛋白水解失活，導(dǎo)致Ｓ0Ｓ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，并對(duì)損傷的ＤＮＡ進(jìn)行 修復(fù)

　　第三節(jié) 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

　　真核基因數(shù)量多，基因表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜，基因表達(dá)可在ＤＮＡ、染色質(zhì)、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯和翻譯后加工等水平上調(diào)節(jié)，但最主要的是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。

　　－、 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　?。ˋ） 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大，由30億堿基對(duì)組成，有4萬(wàn)多個(gè)基因。（B）單順?lè)醋?真核細(xì)胞一般以一個(gè)基因?yàn)檗D(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是單順?lè)醋印⒓淳幋a一種多肽的ｍＲＮＡ。（C）重復(fù)序列 真核基因組中編碼序列只占5一10%，其余80－90% 是非編碼序列，其中有大量的重復(fù)序列。重復(fù)序列長(zhǎng)短不同,重復(fù)率不等，而且具有種屬特異性。（D）基因不連續(xù)性 真核基因的編碼序列不連續(xù)排列，被一些非編碼序列間隔開(kāi)，編碼序列稱外顯子，非編碼序列稱內(nèi)含子。

　　二、真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)特點(diǎn)

　?。ˋ）RNA聚合酶 原核生物只有一種RNA 聚合酶，真核生物有三種，分別轉(zhuǎn)錄不同的RNA，RNA聚合酶II負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)的基因 ，因此該酶最為重要 。（B）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化 基因轉(zhuǎn)錄可在染色質(zhì)水平上調(diào)節(jié)，基因轉(zhuǎn)錄激活的染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上發(fā)生如下變化；（1） 由于轉(zhuǎn)錄激活區(qū)組蛋白部分脫落，產(chǎn)生DNase I超敏位點(diǎn) 。（2）DNA 拓?fù)錁?gòu)像發(fā)生變化，DNA轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA 聚合酶的前面是正超螺旋，后面是負(fù)螺旋。（3）DNA堿基修飾變化 轉(zhuǎn)錄激活的基因處于低甲基化狀態(tài)。（4）組蛋白的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾發(fā)生變化 （C）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)地位 蛋白質(zhì)與 DNA結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄是負(fù)性調(diào)節(jié)， 蛋白質(zhì)與 DNA結(jié)合后促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄是正性調(diào)節(jié)。 在原核生物中阻遏蛋白與 DNA結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄是負(fù)性調(diào)節(jié)。在真核生物中有許多轉(zhuǎn)錄激活因子，它們與增強(qiáng)子DNA結(jié)合促進(jìn)轉(zhuǎn)錄屬于正性調(diào)節(jié)。

　　三、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)

　　真核基因轉(zhuǎn)錄激活也需要DNA調(diào)節(jié)序列 調(diào)節(jié)蛋白和RNA聚合酶三大要素。（A）順式作用元件 真核生物的DNA調(diào)控元件稱為順式作用元件， 包括啟動(dòng)子，增強(qiáng)子和沉默子。它們通過(guò)DNA和蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)的相互作用，最終改變RNA聚合酶的活性而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。典型的啟動(dòng)子由TATA盒及其上游的GC盒和CAAT盒組成 。增強(qiáng)子是遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的、可促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控元件，其作用與方向和位置無(wú)關(guān)，而且具有組織特異性。它一般與轉(zhuǎn)錄激活因子結(jié)合，通過(guò)作用于轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物增強(qiáng)RNA聚合酶的活性 ，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。沉默子是一種負(fù)性調(diào)控元件，它與轉(zhuǎn)錄抑制因子結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄。（B）反式作用因子 是影響基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白，包括基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子，基本轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶構(gòu)成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，有人將它們稱為RNA聚合酶的亞基， 它們?cè)谒械募?xì)胞中都存在 ，對(duì)于三種RNA聚合酶，除個(gè)別基本轉(zhuǎn)錄因子都是通用的。特異轉(zhuǎn)錄錄因子包括轉(zhuǎn)錄激活因子和轉(zhuǎn)錄抑制因子，前者與增強(qiáng)子結(jié)合增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄，后者與沉默子結(jié)合抑制基因轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子一般含有DNA結(jié)合域和轉(zhuǎn)錄激活域，前者是轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的位點(diǎn)，如鋅指結(jié)構(gòu)和堿性氨基酸組成的螺旋. 后者是轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物中某種蛋白質(zhì)相互作用的位點(diǎn)，此外，某些轉(zhuǎn)錄因子還有蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)相互的結(jié)構(gòu)域

　　（三）mRNA基因轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)節(jié)

　　 mRNA基因是蛋白質(zhì)基因，在基因組中占據(jù)絕大多數(shù)，由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄，真核RNA聚合酶II與十幾種基本轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，對(duì)蛋白質(zhì)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄?；巨D(zhuǎn)錄因子中只有TFII D可以和TATA盒結(jié)合. TFII D由TBP（TATA結(jié)合蛋白）和十幾種TBP相關(guān)因子（TAF）構(gòu)成。真核基因調(diào)節(jié)的三大要素是順式作用元件 反式作用因子和RNA聚合酶，它們通過(guò)DNA和蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)的相互作用調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄。例如一種轉(zhuǎn)錄激活因子和某種增強(qiáng)子結(jié)合，通過(guò)作用于轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物中的某種蛋白質(zhì)引起RNA聚合酶的構(gòu)想改變或化學(xué)修飾，最終導(dǎo)致其活性增加，從而激活轉(zhuǎn)錄。雖然增強(qiáng)子距離啟動(dòng)子和RNA聚合酶很遠(yuǎn)，但是DNA可以彎曲，使轉(zhuǎn)錄激活因子與啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物靠近，與復(fù)合物中的某種蛋白質(zhì)（TBP或 TAF）相互作用，然后通過(guò)它作用于RNA聚合酶，從而激活轉(zhuǎn)錄。