第十四章 基因表達調控
一、基因表達調控基本概念與原理：
1．基因表達的概念：基因表達（gene expression）就是指在一定調節因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質合成的過程。
2．基因表達的時間性及空間性：
⑴時間特異性：基因表達的時間特異性(temporal specificity)是指特定基因的表達嚴格按照特定的時間順序發生，以適應細胞或個體特定分化、發育階段的需要。故又稱為階段特異性。
⑵空間特異性：基因表達的空間特異性（spatial specificity）是指多細胞生物個體在某一特定生長發育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官不同，從而導致特異性的蛋白質分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性。
3．基因表達的方式：
⑴組成性表達：組成性基因表達（constitutive gene expression）是指在個體發育的任一階段都能在大多數細胞中持續進行的基因表達。其基因表達產物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeeping gene）。
⑵誘導和阻遏表達：誘導表達（induction）是指在特定環境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產物增加。這類基因稱為可誘導基因。阻遏表達（repression）是指在特定環境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產物減少。這類基因稱為可阻遏基因。
4．基因表達的生物學意義：①適應環境、維持生長和增殖。②維持個體發育與分化。
5．基因表達調控的基本原理：
⑴基因表達的多級調控：基因表達調控可見于從基因激活到蛋白質生物合成的各個階段，因此基因表達的調控可分為轉錄水平（基因激活及轉錄起始），轉錄后水平（加工及轉運），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉錄水平的基因表達調控最重要。
⑵基因轉錄激活調節基本要素：①順式作用元件：順式作用元件（cis-acting element）又稱分子內作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉錄調控有關的特殊順序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調控有關的蛋白質因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調控的目的。③順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數調節蛋白在與DNA結合之前，需先通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結合。這種結合通常是非共價鍵結合。
二、操縱子的結構與功能：
在原核生物中，若干結構基因可串聯在一起，其表達受到同一調控系統的調控，這種基因的組織形式稱為操縱子。典型的操縱子可分為控制區和信息區兩部分。信息區由一個或數個結構基因串聯在一起組成；控制區通常由調節基因（阻抑蛋白編碼基因）、啟動基因（CRP和RNA聚合酶結合區）和操縱基因（阻抑蛋白結合位點）構成。
1．原核生物乳糖操縱子：
原核生物乳糖操縱子(Lac operon)的控制區包括調節基因，啟動基因（其CRP結合位點位于RNA聚合酶結合位點上游）和操縱基因；其信息區由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串聯在一起構成。當培養基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時，乳糖作為誘導劑與阻抑蛋白結合，促使阻抑蛋白與操縱基因分離；另一方面，細胞中cAMP濃度升高，cAMP與CRP結合并使之激活，CRP與啟動基因結合并促使RNA聚合酶與啟動基因結合，基因轉錄激活。
2．原核生物色氨酸操縱子：
色氨酸操縱子（trp operon）屬于阻遏型操縱子，主要調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。色氨酸操縱子通常處于開放狀態，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結合而阻遏轉錄。而當色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結合而使基因轉錄關閉。色氨酸操縱子的調控還涉及轉錄衰減(attenuation)機制。即在色氨酸操縱子第一個結構基因與啟動基因之間存在有一衰減區域，當細胞內色氨酸酸濃度很高時，通過與轉錄相偶聯的翻譯過程，形成一個衰減子結構，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導致轉錄終止。
3．原核生物轉錄的整體調控模式：
由成群的操縱子組成的基因轉錄調控網絡稱為調節子。通過組成調節子調控網絡，對若干操縱子及若干蛋白質的合成進行協同調控，從而達到整體調控的目的。典型的整體調控模式是SOS反應，這是由一組與DNA損傷修復有關的酶和蛋白質基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當有紫外線照射時，細菌體內的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導致與DNA損傷修復有關的基因表達。
三、真核基因組結構特點：
1．轉錄產物為單順反子：真核基因的轉錄產物一般是單順反子（mono-cistron），即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。
2．大量重復序列：真核基因組中含大量的重復序列，這些重復序列大部分是沒有特定生物學功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據重復頻率可將其分為高度重復序列、中度重復序列和單拷貝序列。
3．斷裂基因：真核生物中的基因具有不連續性，即一個基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開。基因中能夠轉錄并進一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉錄后會被剪除的部分則稱為內含子（intron）。
三、真核基因表達調控的特點：
1．RNA聚合酶活性受轉錄因子調控：真核生物中存在RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ三種不同的RNA聚合酶，分別負責轉錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應的轉錄因子形成復合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。
2．染色質結構改變參與基因表達的調控：真核生物DNA與組蛋白結合并形成核小體的結構，再進一步形成染色質。當真核基因被激活時，染色質的結構也隨之發生改變。主要的改變有：
⑴單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉錄，從而形成一些對DNAaseⅠ的超敏位點。
⑵DNA拓樸結構改變：天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在，當基因激活后，則轉錄區前方的DNA拓樸結構變為正性超螺旋。正性超螺旋可阻礙核小體形成，并促進組蛋白解聚。
⑶核小體不穩定性增加：由于組蛋白修飾狀態改變，巰基暴露等原因而引起核小體結構改變。
4．正性調節占主導：真核基因一般都處于阻遏狀態，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調控的主要機制。
5．轉錄和翻譯過程分別進行：轉錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細胞部位，可分別進行調控。
6．轉錄后加工修飾過程復雜：特別是mRNA，轉錄后僅形成其初級轉錄產物——HnRNA，然后再經剪接、加帽、加尾等加工修飾，才能轉變為成熟的mRNA。
四、真核基因轉錄調控元件及激活機制：
1．順式作用元件（分子內作用元件）：
⑴啟動子：存在于結構基因上游，與基因轉錄啟動有關的一段特殊DNA順序稱為啟動子。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。
⑵增強子：位于結構基因附近，能夠增強該基因轉錄活性的一段DNA順序稱為增強子。增強子的特點是：①在轉錄起始點5’或3’側均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發揮作用與受控基因的遠近距離相對無關；④對異源性啟動子也能發揮作用；⑤通常具有一些短的重復順序。
⑶沉默子：能夠對基因轉錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調控元件。
2．反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉錄因子（transcription factor，TF）。
(1)轉錄因子的種類：①非特異性轉錄因子（基本轉錄因子）：非選擇性調控基因轉錄表達的蛋白質因子稱為非特異性轉錄因子。真核生物中存在的三種RNA聚合酶分別有相應的轉錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中，TFⅡ一共有六種亞類。TFⅡD是唯一能識別啟動子TATA盒并與之結合的轉錄因子，而TFⅡB則可促進聚合酶Ⅱ與啟動子的結合。②特異性轉錄因子：能夠選擇性調控某種或某些基因轉錄表達的蛋白質因子稱為特異性轉錄因子。目前較清楚的是調控免疫球蛋白基因表達的核內蛋白質因子（NF）。
(2)轉錄因子的結構：反式作用因子至少含有三個功能域，即DNA結合功能域，轉錄活性功能域和其它轉錄因子結合功能域。DNA結合功能域帶共性的結構主要有：①HTH和HLH結構： 由兩段α-螺旋夾一段β-折迭構成，α-螺旋與β-折迭之間通過β-轉角或成環連接，即螺旋-轉角-螺旋結構和螺旋-環-螺旋結構。②鋅指結構：見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構成。每四個半光氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結合。③亮氨酸拉鏈結構：見于真核生物DNA結合蛋白的C端，與癌基因表達調控有關。由兩段α-螺旋平行排列構成，其α-螺旋中存在每隔7個殘基規律性排列的Leu殘基，Leu側鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA相結合。
⑶轉錄因子的作用特點：①同一DNA順式作用元件可被不同的轉錄因子所識別；②同一轉錄因子也可識別不同的DNA順式作用元件；③TF與TF之間存在相互作用；④當TF與TF，TF與DNA結合時，可導致構象改變；⑤TF在合成過程中，有較大的可變性和可塑性。
3．轉錄激活及其調控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依賴多種轉錄因子，并與之形成復合體。其過程首先是由TFⅡD識別啟動子序列并與之結合；繼而RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、B等聚合形成一個功能性的前起始復合體——PIC；最后，結合了增強子的轉錄因子與前起始復合體結合，從而形成穩定的轉錄起始復合體。
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