基因表达调控基本原理

　　一、原核基因表达调控

　　(—)原核基因表达调控的特点  原核基因表达及其调控具有下述特点：①因为原核细胞没有核，所以原核基因表达时转录与翻泽过程紧密偶联；②原核生物如细菌的大多数基因按功能相关性成簇地串联，形成操纵子。这些基因在同一操纵子机制下共同开启或关闭。因此，操纵子调节机制在原核基因调控中具有普遍的意义；③在操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节；④由于操纵子内编码基因串联在一起，所以原核基因转录合成多顺反子mRNA；⑤原核基因表达中，转录起始仍为最关键的调节机制，即基因转录开关是控制基因活性的关键。

　　原核启动序列-10及-35区域含有两个保守的核心序列，该核心序列与共有序列的同源性愈高，启动序列活性也愈强。-10或-35元件为不同的σ因子识别的结构基础，即决定着启动子的特异性；两元件之间的间隔对RNA聚合酶结合启动序列的效率起着关键作用。除上述调节转录活性的机制外，控制原核启动效率活性的第二个机制是阻遏蛋白。阻遏蛋白是一种DNA结合蛋白，结合DNA的位点与RNA聚合酶结合位点相近或重叠，因此阻遏蛋白可阻断RNA聚合酶与启动序列的结合，或阻断转录起始。

　　(二)操纵子  所谓操纵子就是由功能上相关的一组基因在染色体上串联共同构成的一个转录单位。一个操纵子只含一个启动序列及数个可转录的编码基因。通常，这些转录基因为2～6个，有的多达20个以上。除启动序列和编码序列，操纵子内还含有其它具有调节功能的序列。

　　1、乳糖操纵子的结构  大肠杆菌的乳糖操纵子含z、y及a 3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、一个启动序列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，操纵子受阻遏而处于关闭状态。在启动序列p上游还有一个分解代谢物基因激活蛋白(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。3个酶的编码基因z、y和a即由同一个调控区调节，共同表达或关闭。

　　2．阻遏蛋白的负性调节  在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态。此时，i基因表达一种阻遏蛋白，此阻遏蛋白与o序列结合，阻碍RNA聚合酶与p序列结合，抑制转录起动。当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。

　　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浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激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，因此乳糖操纵子表达下降。

　　【执业】2．一个操纵子通常含有　(2002)

　　A.一个启动序列和一个编码基因

　　B.一个启动序列和数个编码基因

　　C.数个启动序列和一个编码基因

　　D.数个启动序列和数个编码基因

　　E.两个启动序列和数个编码基因

　　答案：B

　　二、真核基因表达调控

　　(一)真核基因结构特点

　　1．单顺反子  真核基因的转录产物为单顺反子，即一个结构基因经转录生成一个mRNA分子，经过翻译过程合成一条多肽链。

　　2．重复序列  所谓重复序列就是在整个DNA分子中有多个重复出现的核苷酸序列。这种现象在原核也有存在，但在高等真核基因中表现更多、更普遍。某些重复序列发生在调控区，可能对DNA复制、转录调控具有重要意义。

　　3．基因不连续性  真核结构基因两侧存在不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在可转录的基因序列内部也有一些不为蛋白质编码的间隔序列，称内含子，编码序列称为外显子。因此真核基因是不连续的。内含子与外显子相间排列，共同被转录。初级转录本的内含子对应序列在转录后经一定规律的剪切后被去除，使外显子转录本连接在一起，形成成熟的mRNA，这个过程称为剪接。不同的剪接方式形成不同的mRNA，翻译出不同的多肽链，因此转录后产物的剪接过程也是真核基因表达调节的重要环节。

　　(二)真核基因的转录特点  在下述方面真核与原核基因转录存在明显差别。

　　1．活性染色质结构变化  当真核基因被激活时，可观察到染色质转录区域发生多种结构变化及某些性质改变。例如，活化的基因对核酸酶变得极为敏感，出现一些DNaseI(一种脱氧核糖核酸酶)的高敏位点；处于转录活化状态的某些基因5’连接区CpG序列(又称“CpG”岛)甲基化修饰程度降低；组蛋白、主要是H1样组蛋白减少以及组蛋白乙酰化等化学修饰变化。上述染色质结构及性质变化均与染色质活化有关。

　　2．正性调节占主导  核RNA聚合酶对启动子的亲和力极小或根本没有实质的亲和力，转录起始需依赖某些激活蛋白的作用，即真核基因组广泛存在正性调节机制。

　　3．转录与翻译分隔进行  真核细胞具有细胞核，转录过程在核内进行，翻译过程在胞浆进行。这与原核基因转录与翻译紧密偶联进行的特点差异极大。

　　(三)真核基因转录激活调节

　　1、顺式作用元件  它们是转录调节因子的结合位点，包括启动子、增强子和沉默子。真核基因启动子是原核启动序列的同义语。真核启动子是指RNA聚合酶及转录起始点周围的一组转录控制组件，每个启动子包括至少一个转录起始点以及一个以上的功能组件，转录调节因子即通过这些机能组件对转录起始发挥作用。在这些调节组件中最具典型意义的就是TATA盒子，它的共有序列是TATAAAA。TATA盒子通常位于转录起始点上游—25至—30区域，控制转录的准确性和频率。TATA盒子是基本转录因子TFIID结合位点，TFⅡD则是RNA聚合酶结合DNA必不可少的。除TATA盒子外，GC盒子(GGGCGG)和CAAT盒子（GCCAAT）也是很多基因中常见的，它们位于起始点上游-30至—llObp区域。

　　【执业】3.属于顺式作用元件的是　(2001,2005)

　　A.转录抑制因子

　　B.转录激活因子

　　C.σ因子

　　D.ρ因子

　　E.增强子

　　答案：E

　　所谓增强子就是远离转录起始点、决定组织特异性表达、增强启动子转录活性的特异DNA序列，其发挥作用的方式与方向、距离无关。增强子与启动子非常相似：都是由若干组件组成，有些组件既可在增强子、又可在启动子出现。从功能方面讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子，增强子也无法发挥作用。增强子和启动子有时分隔很远，有时连续或交错覆盖。

　　某些基因有负性调节元件——抑制子(沉默子)存在。有些DNA序列既可作为正性、又可作为负性调节元件发挥顺式调节作用，这取决于不同类型细胞中DNA结合因子的性质。

　　2、反式作用因子  又称转录因子、转录调节因子或转录调节蛋白。按功能特性可将转录因子分为如下三类：①基本转录因子——RNA聚合酶I、II、Ⅲ各有一组转录因子，它们是三种RNA聚合酶结合各自启动子所必需的。例如，TFⅡ类转录因子为所有mRNA转录启动共有，故称基本转录因子，包括TFⅡD、TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE和TFⅡF等；②转录激活因子——凡是通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用起正性转录调节作用的因子均属此范畴，增强子结合因子就是典型的转录激活因子。可见，这类反式作用因子是某一种或一类基因所特有；③转录抑制因子——包括所有通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用产生负性调节效应的因子。这类因子往往属某一基因所特有。大多数转录因子可被分为不同的功能区，如DNA结合区、转录激活区；有些蛋白质因子还具有介导蛋白质-蛋白质相互作用(包括二聚化、多聚化)的结构区。激活因子、抑制因子均属特异转录因子。

　　顺式作用元件与反式作用因子之间的DNA-蛋白质相互作用、反式作用因子之间的蛋白质-蛋白质相互作用是转录起始复合物形成过程中重要的反应形式。这样，对于某一确定的基因而言，组织或细胞内特殊转录因子的性质、表达数量的多寡或有无即成为调节转录激活的关键。

　　3．mRNA转录激活及其调节  与原核不同，真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别启动子，而是先由基本转录因子TFIID识别TATA元件或启动元件并与之特异性结合，形成TFIID-启动子复合物，这一过程由TFⅡA促进；接着由TFIIB加入装配，结合到启动子DNA上。在TFIIF等参与下，RNA聚合酶Ⅱ与TFIID、TFIIB聚合，形成一个功能性的前起始复合物。在几种基本转录因子中，TFⅡD是惟一具有与位点特异的DNA结合能力的因子，在复合物组装过程起关键性作用。很多特异转录调节因子均以TFⅡD为靶分子控制转录起始。

　　真核基因转录起始调节是复杂的、多样的。不同的DNA元件相互结合可产生各种类型的转录调节序列；很多转录调节因子可结合不同基因内相同或相似的DNA序列，从而使基因调控方式既表现为某些共同性又有特殊性。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件，转录起始调节仅是其中重要的调节环节。至于转录过程中的调节及其他水平的调节对一个基因表达产物水平的高低也有影响，有时甚至是重要的影响。

　　【解析】本章属于难点内容。主要内容为基因表达调控的基本概念。原、真核基因表达调控的基本原理，其中，操纵子的概念为重点概念，内容大部分为理解性内容，理解后记忆就方便多了。