调控基因

2021年2月28日发(作者：冠心病早期症状)
启动子是基因（
gene
）的一个组成部分，控制基因表达（转录）的起始时间和表< br>达的程度。启动子（
Promoters
）就像“开关”，决定基因的活动。既然基因是
成序列的核苷酸（
nucleotides
），那么启动子也应由核苷酸组成。启动子 本身
并不控制基因活动，而是通过与称为转录（
transcription
）因子的 这种蛋白质
（
proteins
）结合而控制基因活动的。转录因子就像一面“旗子” ，指挥着酶
（
enzymes
）
(RNA
聚合酶
polym erases)
的活动。这种酶指导着
RNA
复制。基因
的启动子部分发生 改变（突变），则会导致基因表达的调节障碍。这种变化常见
于恶性肿瘤。




许多原核生物都含有这两个重要的启动子区：




启动子是位于结构基因
5ˊ端上游的一段
DNA
序列，能够指导全 酶
(holoenzyme)
同模板正确结合，
活化
RNA
聚合酶，
启动基因转录。
全酶是指酶蛋
白及其辅酶构成的有功能的复合物。
RNA聚合酶的核心酶虽可合成
RNA
，但不能
找到模板
DNA
上的转 录起始位点，只有带
σ
因子的全酶才能专一地同启动子结
合。
RNA
聚合酶沿着模板前进，直到终止子，转录产生一条
RNA
链。通常把基因
转录起点前面 即
5’端的序列称为上游
(upstream)
，起点后面即
3’端的序列称
为下游
(downstream)
。并把起点的位置记为十
1
，下游 的核苷酸依次记为
+2
，
+3
，??，上游方向依次记为—
1
，—
2
，—
3
，??。




RNA
聚合酶同启动子结合的区域称为启动子区。
将各种原核基因同
RNA
聚合
酶全酶结合后，
用
DNase
水解
DNA
，
最 后得到与
RAN
聚合酶结合而未被水解的
DNA
片段，这些片段有一个由5
个核苷酸
(TATAA)
组成的共同序列，以其发现者的名
字命名为< br>Pribnow
框
(Pribnowbox)
，这个框的中央位于起点上游10bp
处，所以
又称—
10
序列
(
—
10 sequence)
，后来在—
35 bp
处又找到另一个共同序列
(TTG ACA)
。
Hogness
等在真核基因中又发现了类似
Pribnow框的共同序列，即位
于—
25
～—
30 bp
处的
TA TAAAAG
，也称
TATA
框
(TATAbox)
。
TA TA
框上游的保守
序列称为上游启动子元件
(upstream promoter element
，
UPE)
或上游激活序列
(uptreamactivat ingsequence
，
UAS)
。另外在—
70
～—
7 8
bp
处还有一段共同序
列
CCAAT
，称为
CAAT< br>框
(CAAT box)



原核生物中—
10
区同—
35
区之间核苷酸数目的变动会影响基因转录活性的
高低，强启动子一 般为
17±1 bp，当间距小于
15 bp
或大于
20 bp
时都会降低
启动子的活性。




在真核基 因中，
有少数基因没有
TATA
框。
没有
TATA
框的真核 基因启动子序
列中，有的富集
GC
，即有
GC
框；有的则没有
GC
框。
GC
框位于—
80
～—
110bp
处的
GCCACACCC
或
GGGCGGG
序列。




TATA
框的主要作用是使转录精确地起始；
CAAT
框和
GC
框则主要是控制转录
起始的频率，
特别是
CAAT
框对转录起 始频率的作用更大。
如在
TATA
框同相邻的
UPE
之间插入核苷酸 ，也会影响转录使之减弱。




为什么
RNA
聚合酶能够仅在启动子处结合呢
?
显然启动子处的核苷酸顺序具
有特异的形状以便与< br>RNA
聚合酶结合，就好像酶与其底物的结构相恰恰适合一
样。
将
10 0
个以上启动子的顺序进行了比较，
发现在
RNA
合成开始位点的上游大约
10bp
和
35bp
处有两个共同的顺序，称为
-10
和
-35
序列。这两个序列的共同
顺序如下
,-35
区“AATG TGTGGAAT”，
-10
区“TTGACATATATT”。
大多数启动子均有共同顺序
(consensus sequence)
，只有少数几个核苷酸的差别。




-10
序列又称为
Pribnow
盒
(
原核生物
)
。
在真核生物中相应的序列位于
-35bp
处，称为
TATA
盒， 又称为
Goldberg-Hognessbox
，是
RNA
聚合酶Ⅱ的结合 部位。
-10
和
-35
这两个部位都很重要
:



[1]RNA
聚合酶能和
-35
和
-10
序列中 的碱基和
DNA
主链中的磷酸基相接触
;



[2]
离开共同顺序较远的启动子的活性亦较弱
;



[3]
最重要的是，破坏启动子功能的突变中有
75%
都是改变了共同顺序中 的
碱基，其余
25%
亦为离共同顺序较近的。
-35
和
-1 0
序列相距约
20bp
，即大致是
双螺旋绕两圈的长度。
因为这两个 结合区是在
DNA
分子的同一侧面，
可见此酶是
结合在双螺旋的一面。可以想 像，它能

感觉到每个结合区的沟底中碱基所产生
的特异形状。




原核生物亦有少数启动子缺乏这两个序列
（
-35
和< br>-10)
之一。
在这种情况下，
RNA
聚合酶往往不能单独识别这种启 动子，而需要有辅助蛋白质的帮助。可能是
这些蛋白质因子与邻近序列的反应可以弥补启动子的这个缺陷 。




在真核生物中，在转录起始位点上游
70-80 bp
处有
CAAT
顺序，也称为
CAAT
盒。这一顺序也是比较保守 的共同顺序：
GCCTCAATCT
。
RNA
聚合酶Ⅱ可以识别一
顺 序。
近年来在对家兔
β
珠蛋白基因
CAAT
顺序的研究中发现，用人工方法诱导
CAAT
顺序发生突变使家兔
β
珠蛋白基因的转录水平降 低。




启动子中的－
10
和
-35
序列是
RNA
聚合酶所结合和作用必需的顺序。
但是附
近其他
DNA
顺序也能影响启动子的功能。
例如，
在核糖体
RNA
合成的 起始位点的
上游
50
到
150
核苷酸之间的顺序就是对启动子的完全 活性所必需的。如果这一
段
DNA
顺序缺失并由其他外来
DNA
所取 代
(
例如克隆在质粒
DNA
中的
rRNA
基因
)< br>，
则转录起始的频率将降低
10
倍。同样，在其他情况下，远隔部位的富有AT
的
DNA
顺序被认为能增进转录起始的频率。
有时候上游顺序可以是 某些能直接激活
RNA
聚合酶的

激活蛋白

的结合部位。但是 ，上游顺序往往有另外的功能。例如
上游顺序可以吸引拓扑异构酶，
后者可导致结合的局部产生 有利于转录起始的超
螺旋状态。
上游顺序所引起的
DNA
结构的微细变化可能 在双螺旋上被传导到相当
远的距离，因此上游顺序的变化可以影响到
-10
和
-35
区的
DNA
结构细节。

增强子
(enhancer )
指增加同它连锁的基因转录频率的
DNA
序列。
增强子是通过启
动 子来增加转录的。有效的增强子可以位于基因的
5’端，也可位于基因的
3’
端，有的还可位于基因的内含子中。
增强子的效应很明显，
一般能使基因转录频
率增加
10
～
200
倍，
有的甚至可以高达上千倍。
例如，
人珠蛋白基因的表达水平
在巨细胞病毒
(cytomegalovirus
，
CMV)
增强子作用下可提高
600
～
1 000
倍。增
强子的作用同增强子的取向(5’一
3’或
3’一
5’)无关，
甚至远离靶基 因达几
千
kb
也仍有增强作用。




1981
年
Benerji
在
SV40DNA
中发现一个
1 40bp
的序列，
它能大大提高
SV40DNA
／兔
β
—血 红蛋白融合基因的表达水平，
这是发现的第一个增强子。
它位于
SV40
早期 基因的上游，由两个正向重复序列组成，每个长
72
bp
。目前发现的增强子
多半是重复序列，一般长
50bp
，通常有一个
8
—
12bp组成的“核心”序列，如
SV40
增强子的核心序列是
5’—
GGTGT GGAAAG
—3’。




增强子可分为细胞专一性增 强子和诱导性增强子两类：
①组织和细胞专一性
增强子。
许多增强子的增强效应有很高 的组织细胞专一性，
只有在特定的转录因
子
(
蛋白质
)
参与 下，
才能发挥其功能。
②诱导性增强子。
这种增强子的活性通常
要有特定的启 动子参与。
例如，
金属硫蛋白基因可以在多种组织细胞中转录，
又
可受类固醇 激素、锌、镉和生长因子等的诱导而提高转录水平。




增强子 能大大增强启动子的活性。
增强子有别于启动子处有两点
:[1]
增强子
对于 启动子的位置不固定，而能有很大的变动
;[2]
它能在两个方向产生相作用。
一个增 强子并不限于促进某一特殊启动子的转录，
它能刺激在它附近的任一启动
子。首先被发现的增强 子是
SV40
增强子。两个增强子位于基因组的两个串连的
72nbp
重复中 ，约在转录起始点上游
200bp
处，每个
72bp
重复中有一个。缺失实验显示两个重复缺失一个并不产生什么影响，
而如两个均缺失即将大大降低活
体内的转录 。
有人发现，
如果将
β
珠蛋白基因放在含有
72bp
重复的
DNA
分子中，
它的转录作用在活体内将增高约
200
倍以上，甚至 当此
72bp
顺序位于离转录起
点上游
1400bp
或下游
3000bp
时仍有作用。各个基因中的增强子顺序差别较大，
但有一个基本的核心顺序
(core sequence)
：
AAAGGTGTGGGTTTGG



增强子具有组织特异性，例如免疫球蛋白基因的增强子只有在
B
淋巴胞内，
活性才最高。
除此以外，
在胰岛素基因和胰凝乳蛋白酶基因的增强子中都发 现了
有很强的组织特异性。此外，所有的增强子中均有一段由交替的嘧啶
-
嘌呤残基< br>组成的
DNA
，这种
DNA
极易形成
Z-DNA
型； 故有人认为在形成一小段
Z-DNA
后，
增强子才有功能。
在酵母中有类似增 强子的顺序，
称为上游激活顺序
(UAS)
。
UAS
能向两个方向起 作用。
并位于启动子上游的任何距离处，
但在启动子下游则无作
用
(
有别于一般的增强子
)
。
小鼠乳腺肿瘤病毒
(MMTV)DNA
的转 录可受糖类固醇激
素的刺激。
这个能受激素影响的顺序位于转录起点上游约
100bp
处。
此顺序能和
激素及其蛋白受体组成的复合物相结合。
当将此顺序放在某基 因的启动子的任一
方面
(
即上游或下游
)
和各种不同的距离时，它仍能刺激该基因的转录。
所以增强
子激活作用可能是糖类固醇能调控一组靶基因的机制< br>:
糖类固醇激素进入细胞后
即与其受体结合。结合作用激活受体，使其能识别存在于增强 子中的共同顺序，
进而激活了在增强子附近能对糖类固醇起反应的基因。即当糖类固醇
-
受体复合
物和增强子结合时，其附近的启动子即起始转录。

终止子
DN A
分子中终止转录的核苷酸序列。而终止密码子是作为翻译终止的信
号，在下图中，
D NA
分子下面一条被从左到右转录，从画线
DNA
转录来的
RNA
片
段形成发夹环，
因为两框中核苷酸含有互补碱基顺序，
这就迫使
DNA/RN A
杂交区
域裂开，因为随后包括氢链结合较弱的多聚腺苷酸和尿嘧啶
mRNA
分子就从这个
位置脱离下来。




终止密码子：
;
起动子和终止子是不能转化为信使
RNA
。

调节基因





regulator gene



控制另一些远离基因的产物合成速率的基因。
能控 制阻碍物的合成，
后者能
抑制操纵基因的作用，
从而停止它所控制的操纵子中的结构基 因的转录。
这种基
因，主要的功能是产生一类抑制物，以制约其他基因的活动。也就是，一段有 效
的
DNA
片段，
它可转录翻译而产生调节蛋白，
该蛋白质与操纵基 因相互作用，
而
对操纵子的活动进行控制。
它在细胞中的作用犹如自动控制系统，它能使细胞在
需要时合成某种酶，
在不需要时则停止合成。
调节基因如发生突变，
在不需要这
种酶时，它仍能促进结构基因产生正常的酶，结果造成浪费。

结 构基因是一类编码蛋白质或ＲＮＡ的基因．
在大肠杆菌乳糖代谢的基因调节系
统中有３个连锁在 一起的结构基因。




Ｌ
acZ
基因：决定< br>β
－半乳糖苷酶的形成．而
β
－半乳糖苷酶将乳糖水解
成葡萄糖和半乳 糖，作为细菌代谢活动的碳源。




Ｌ
acY
基因：
决定
β
－半乳糖苷透性酶的合成。
该酶的作用是使乳糖易于进
入

的细胞中。




Ｌ
acA
基因：编码
β
－半乳糖苷乙酰基转移酶，此酶的功能尚不清楚。




这
3
个结构基因具有两方面的特征：
1.
它们彼此紧密连 锁。按
Z
，
Y
，
A
顺序
排列，而且在一起转录形成 一个多顺反子的
mRNA
；
2.
只有当乳糖存在时
,
这些基
因才迅速转录
,
形成多顺反子的
mRNA,
并翻译成相应的酶
.
所以这些酶
,
就是由乳
糖诱导产生的诱导酶
,
其活性的 产生和活性的提高不是已有的酶被激活所致
,
而
是在诱导物的诱导下酶的重新合成,
并随着合成的进行
,
酶的浓度迅速增加的结
果

MicroRNA
(miRNA)
：是含有茎环结构的
miRNA
前体，经过
Dicer
加工之后的一类
非编码的小
RNA
分子（~21-23
个核苷酸）。
MiRNA
，以及
miRISCs
（
RNA-
蛋白质
复合物）
在动物和植物中广泛表达。
因之具有破坏目 标特异性基因的转录产物或
者诱导翻译抑制的功能，
miRNA
被认为在调控发育过程 中有重要作用。




microRNAs
（
m iRNAs
）是一种小的，类似于
siRNA
的分子，由高等真核生物
基因组 编码，
miRNA
通过和靶基因
mRNA
碱基配对引导沉默复合体（
RISC
）降解
mRNA
或阻碍其翻译。
miRNAs
在物种进化中 相当保守，在植物、动物和真菌中发
现的
miRNAs
只在特定的组织和发育阶段表达 ，
miRNA
组织特异性和时序性，决
定组织和细胞的功能特异性，
表明miRNA
在细胞生长和发育过程的调节过程中起
多种作用。
尽管在
10
年前已经发表了第一篇关于
miRNA
的论文，
直到最近
miRNA
的普遍性和重要性才逐渐被人们所认识。

广泛存在于真核生物中
,
是一组不编码蛋白质的短序列
RNA ,
它本身不具有开
放阅读框架
(ORF)



通常的长度为
20
～
24 nt ,
但在
3′端可以有
1
～
2
个碱基的长度变化
;



成熟的
miRNA 5′端有一磷酸基团
,
3′端为羟基
,
这一特点使它与大多数
寡核苷酸和功能
RNA
的降解片段区别开来；




多数
miRNA
还具有高度保守性、时序性和组织特异性。

miRNA
基因通常是在核内由
RNA
聚合酶
II(polII)
转录的，最初产物为大的具有
帽子 结构
(7MGpppG)
和多聚腺苷酸尾巴
(AAAAA)
的
pre -miRNA
。
pre-miRNA
在核酸
酶
Drosha
和其辅助因子
Pasha
的作用下被处理成
70
个核苷酸组成的
pr e-miRNA
。
RAN
–
GTP
和
exportin
5
将
pre-miRNA
输送到细胞质中。
随后，
另一个核 酸酶
Dicer
将其剪切产生约为
22
个核苷酸长度的
miRNA: miRNA*
双链。
这种双链很快被引导
进入沉默复合体
(RISC)
复合体中，
其中一条成熟的单链
miRNA
保留在这一复合体
中。成熟的< br>miRNA
结合到与其互补的
mRNA
的位点通过碱基配对调控基因表达。



与靶
mRNA
不完全互补的
miRN A
在蛋白质翻译水平上抑制其表达（哺乳动物
中比较普遍）。然而，最近也有证据表明，这些< br>miRNA
也有可能影响
mRNA
的稳
定性。
使用这种机制的
miRNA
结合位点通常在
mRNA
的
3’端非翻译区。
如 果
miRNA
与靶位点完全互补（或者几乎完全互补），那么这些
miRNA
的结合往往引起靶
mRNA
的降解
(
在植物中比较常见
)
。
通过这种机制作用的
miRNAs
的结合位点通常
都在
mRNA的编码区或开放阅读框中。每个
miRNA
可以有多个靶基因，而几个
miRNA s
也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个
miRNA
来
调控多个基因的表达，也可以通过几个
miRNAs
的组合来精细调控某个基因的表
达 。
随着
miRNA
调控基因表达的研究的逐步深入，
将帮助我们理解高等真核 生物
的基因组的复杂性和复杂的基因表达调控网络。

目前只有一小部分
mi RNAs
生物学功能得到阐明。这些
miRNAs
调节了细胞生长，
组织分化 ，
因而与生命过程中发育、
疾病有关。
通过对基因组上
miRNA
的 位点分
析，显示其在发育和疾病中起了非常重要的作用。一系列的研究表明：
miRNAs在细胞生长和凋亡，血细胞分化，同源异形盒基因调节，神经元的极性，胰岛素
分泌，大脑形态形成 ，心脏发生，胚胎后期发育等过程中发挥重要作用。例如，
miR-273
和
lys- 6
编码的
miRNA
，参与线虫的神经系统发育过程；
miR-430
参与
斑马鱼的大脑发育；
miR-181
控制哺乳动物血细胞分化为
B细胞；
miR-375
调节
哺乳动物胰岛细胞发育和胰岛素分泌；
miR -143
在脂肪细胞分化起作用；
miR-196
参与了哺乳动物四肢形成，
miR-1
与心脏发育有关。另有研究人员发现许多神经
系统的
miRNAs
在大脑皮层培养中受到时序调节，表明其可能控制着区域化的
mRNA
翻译。对于新的
miRNA
基因的分析，可能发现新的参与器官形成、胚胎发
育和生长的调节因子，促进对癌症 等人类疾病发病机制的理解。

最近的研究发现，
miRNA
表达与多种癌症 相关，
大约
50%
得到注解的
miRNAs
在基
因组上定位 于与肿瘤相关的脆性位点（
fragile site
）。这说明
miRNAs
在肿瘤
发生过程中起至关重要的作用，这些
miRNAs
所起的作用类似于抑癌基因 和癌基
因的功能，有研究人员将
miRNA
命名为“oncomirs”。