2015临床助理医师考试生物化学第十一单元

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　　第十一单元 基因表达调控

　　第一节 基因表达调控概述

　　一、基因表达的概念及基因调控的意义

　　(一)基因表达的概念 基因表达就是指基因转录和翻译的过程。井非所有基因表达过程都产生蛋白质分子，有些基因只转录合成RNA分子而无翻译过程，如rRNA、tRNA等编码基因即是如此。这些基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

　　(二)基因调控的意义 生物体赖以生存的外环境是在不断变化的。从低等生物到高等生物，包括人体中的所有活细胞都必须对内、外环境变化作出适当反应，调节代谢，以使生物体能更好地适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关，即与基因表达及调控有关。原核生物，如无核的单细胞细菌调节基因表达是为适应化学、物理等环境变化，调节代谢、维持细胞生长与分裂;真核生物，如真菌、植物、动物乃至人类在环境变化及个体生长、发育的不同阶段调节基因的表达既为适应环境变化、调节代谢的需要，也为控制生长、发育及分化的需要。

　　二、基因表达的时间特异性和空间特异性

　　(一)时间或阶段特异性 在特定的环境中，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。例如，在多细胞生物中，细胞发育、分化为组织和器官。从受精卵到组织器官形成经历不同发育阶段。在各个发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启和关闭，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性又称阶段特异性。按发育阶段出现的这些基因表达产物与特定代谢功能有关，并决定细胞向特定方向发育、分化。

　　(二)空间或组织特异性 与基因表达的阶段特异性一致，多细胞真核生物同一基因产物在不同的组织器官含量有无或多寡是不一样的，即在发育、分化的特定时期内不同基因产物在不同组织细胞内外非平均分布，而是按一定空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达的空间特异性又称组织特异性。基因表达的组织特异性在分化、成熟的组织中适应了不同组织器官功能的需要。例如，血红蛋白在红细胞的高水平表达适应红细胞运输氧和二氧化碳的功能需要。

　　三、基因的基本表达、诱导和阻遏

　　(―)基本表达 对生物体来说，有些基因产物在整个生命过程中都是需要的或必不可少的。这类产物的编码基因在生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因通常被称之为管家基因。例如，三羧酸循环是一种重要的代谢途径，为该途径中各反应阶段起催化作用的酶编码基因就属此类基因范畴。为区别于其他基因，这类基因表达称为基本表达(或组成性表达)。基本基因表达并非一成不变，更非无控制表达，事实上基本的基因表达也是在一定机制控制下进行的。

　　(二)诱导与阻遏 与管家基因不同，另有一些基因表达状况极易受外环境变化的影响，随外环境变化，这类基因表达水平可升高或降低。有一类基因，其表达水平在特定环境中会出现增高的现象，即这类基因是可诱导的，此类基因在特定环境中表达增强的过程称作诱导。例如，有严重DNA损伤发生时，细菌内为基因修复酶编码的基因就会被诱导激活，使修复酶反应性地增加。相反，如果基因在对环境信号应答时表现为表达水平降低，这种基因就是可阻遏的，此类基因表达水平降低的过程称作阻遏。例如，当培养基中色氨酸供给充分时，会导致细菌体内与色氨酸合成有关的酶基因表达的抑制。

　　诱导和阻遏是同一事物的两种表现方式。不论是细菌还是真核生物以及人体内均有这两种基因表达方式存在。调节这类基因表达的信号分子都是小分子，刺激诱导发生的分子称为诱导剂，引起阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂。

　　【执业】1.细菌经紫外线照射会发生DNA损伤，为修复这种损伤，细菌合成DNA修复酶的基因表达增强，这种现象称为

　　A.DNA损伤

　　B.DNA修复

　　C.DNA表达

　　D.诱导

　　E.阻遏

　　答案：D

　　四、基因表达的多级调控

　　从基因激活蛋白质合成，至少有下述几个环节可调节细胞内蛋白质的浓度，即基因活化、如转录起始，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。上述任一环节发牛异常，均会影响某个基因的表达水平。可见，基因表达调控是在多级水平 上进行的复杂事件。

　　五、基因表达调控基本要素

　　基因表达调控是在多级水平上进行的，其中转录起始(转录激活)是基本控制点。下面以mRNA转录为例，说明参与mRNA转录激活调节的基本要素。

　　(一)DNA元件 DNA元件即具有调节功能的特异DNA序列。原核生物大多数基因的表达通过操纵子机制调控。操纵子由启动序列、操纵序列等调节序列及其下游的编码序列串联组成。启动序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列，在原核基因启动序列的转录起始点上游―10及―35区域往往存在一些共同的或相似的序列，称为共有序列。这些共有序列中的任一碱基突变或天然变化都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始，因此，共有序列决定着启动序列的转录活性。操纵序列一般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。原核操纵子还有一些具有调节功能的DNA序列，可结合激活蛋白，使RNA聚合酶活性增强，促进转录激活，介导正性调节。

　　与原核操纵子模型不同，大多数真核基因调控以正性调节为主。基因表达调节机制几乎普遍涉及编码序列两侧的DNA序列，这些具有调节功能的DNA 序列称为顺式作用元件。不同基因具有各自特异的顺式作用元件。与原核基因类似，在不同的真核基因顺式作用元件中也会时常发现一些共有序列存在，如TATA 盒、CAAT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合酶或转录调节蛋白的结合位点。顺式作用元件可位于转录起始点的上游5’旁侧区，也可位于编码序列的下游(3’旁侧区)或编码序列内或之间 (即内含子序列)。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机能元件区分为启动子、增强子及沉默子。

　　(二)调节蛋白 根据调节蛋白的功能，可将原核调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。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及结合能力。例如，大肠杆菌RNA聚合酶全酶中的σ因子就是―种典型的特异因子，调节全酶与特异启动序列的结合。阻遏蛋白可结合操纵序列。当有阻遏蛋白结合操纵序列时会阻断RNA聚合酶与启动序列的结合，或阻遏RNA聚合酶的转录活性，起负性调节作用。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(见原核调控)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，因此激活蛋白介导正性调节。激活蛋白的正性调节作用在真核基因表达调控中具有更普遍的意义。

　　真核基因转录调节蛋白又称转录(调节)因子，或反式作用因子，，这些反式作用因子由某一基因表达后，通过DNA-蛋白质或蛋白质-蛋白质相互作用控制另一基因的转录。转录因子又分为基本转录因子、增强子结合因子和转录抑制因子三类(见真核基因调控)。

　　(三)RNA聚合酶 RNA元件与调节蛋白对转录激活的调节作用最终由RNA聚合酶活性体现。启动序列或启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚合酶活性影响很大。

　　1.启动序列与RNA聚合酶活性的关系 启动序列或启动子由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节元件组成。启动序列或启动子的核苷酸序列会影响其与聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录启动的频率。原核基因启动序列在-10和-35区的核苷酸序列与共有序列愈接近，与RNA聚合酶的亲和力愈大，RNA聚合酶的转录活性也愈强;差异愈大则转录活性愈低，甚至完全失去转录活性。一般来说，真核RNA聚合酶单独存在时与启动子亲和力极低或无亲和力，必须与基本转录因子形成复合物才能与启动子结合。因此，对真核RNA聚合酶活性来说，除启动子序列，尚与所存在的转录调节因子有关。

　　管家基因呈持续表达，其表达水平或高或低视基因而定(通常是较低水平的表达)。对这类基因来说，启动子-RNA聚合酶相互作用是影响转录启动频率的惟一因素。

　　2.调节蛋白与RNA聚合酶的活性的关系 与管家基因不同，可诱导基因或可阻遏基因都有―个由启动序列或启动子序列决定的基础转录启动频率，另外有一些调节蛋白在有环境信号刺激时表达水平改变，并通过改变蛋白质-DNA相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用的能力影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平升高或降低。诱导剂、阻遏剂等小分子信号所引起的基因表达水平变化都是通过调节蛋白质分子构象改变，直接或间接调节RNA聚合酶转录起动过程。

　　第二节 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。

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