基因表現調控筆記

基因表現的調控

B. 轉錄的調控

轉錄調控的類型

  • 原核生物 (Prokaryotes) 的轉錄調控:

    • 乳糖操縱子 (lac-Operon)

    • 色胺酸操縱子 (trp-Operon)

  • 真核生物 (Eukaryotes) 的轉錄調控:

    • 反應元件 (Response Elements, HRE)

基因表現調控的需求

  • 大腸桿菌 (E. coli) 擁有約 40004000 種不同的蛋白質。

  • 人類擁有約 21,00021,000 種蛋白質。

  • 細胞僅在特定情況下需要有限數量的蛋白質，這取決於：

    • 細胞的位置/狀態

    • 營養需求

    • 細胞種類

  • 因此，需要對蛋白質生物合成（基因表現）進行調控。

基因表現的過程概覽

基因表現是一個多步驟的過程，大致如下：

  1. DNA

  2. 轉錄 (Transkription): 從 DNA 產生。

  3. 初級轉錄本 (Primärtranskript): 經由核糖核苷酸合成。

  4. 轉錄後加工 (Weiterverarbeitung nach der Transkription): 進一步處理初級轉錄本，使其成熟。

  5. 成熟 mRNA (reife mRNA): 準備進行翻譯。

  6. 翻譯 (Translation): 從 mRNA 蛋白質合成，經由胺基酸完成。

  7. 非活性蛋白質 (Protein (inaktiv)): 最初形成的蛋白質。

  8. 翻譯後加工 (Weiterverarbeitung nach der Translation): 對非活性蛋白質進行修飾。

  9. 修飾的活性蛋白質 (modifiziertes Protein (aktiv)): 具有功能的蛋白質。

  • 額外途徑：

    • mRNA 降解 (Abbau der mRNA): 銷毀不再需要的 mRNA。

    • 蛋白質降解 (Proteinabbau): 銷毀不再需要的蛋白質。

    • 蛋白質靶向 (Protein-Targeting): 將蛋白質導向其正確的作用位置。

組成型基因表現 (Konstitutive Genexpression)

  • 組成型基因表現 (konstitutive Genexpression) 和 組成型酶 (konstitutive Enzyme):

    • 基因始終以相同水平表現，不受代謝狀態影響。

    • 「管家基因 (house-keeping-Gene 或 Haushalts-Gene)」:

      • 持續不斷地需要。

      • 這些基因編碼的酶參與中心代謝途徑 (實際上在所有細胞中都存在)。

      • 以相同的量表現。

    • 例子:

      • 甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase, 參與糖解作用)。

      • eta-肌動蛋白 ($eta$-Actin, 構成細胞骨架)。

      • 環氧合酶-1 (Cyclooxygenase 1, COX-1, 參與前列腺素合成)。

調控型基因表現 (Regulierte Genexpression)

  • 調控型基因表現 (regulierte Genexpression): 根據分子信號 (例如荷爾蒙) 的反應而上升或下降。

  • 誘導 (Induktion):

    • 基因產物的濃度在某些特定分子環境下會增加。這些基因是可誘導的 (induzierbar)。

    • 研究範例: COX-2 表現量在發炎或施用荷爾蒙 (雌二醇/黃體酮) 後增加。

  • 抑制 (Repression):

    • 基因產物的濃度在某些特定分子條件下會減少。這些基因是可抑制的 (reprimierbar)。

調控蛋白質

  • 特異性因子 (Spezifitätsfaktoren):

    • 啟動子 (Promotoren): 不同的結合導致不同的轉錄速率。

    • 真核生物 (Eukaryoten): 轉錄因子 (Transkriptionsfaktoren)，例如 TATA 結合蛋白 (TATA-bindende Proteine)。

    • 原核生物 (Prokaryoten): extsigmaext{sigma} 因子 (例如，extsigma70ext{sigma}^{70} 是主要的管家基因因子，而 extsigma32ext{sigma}^{32} 則用於熱休克反應)。

  • 抑制子 (Repressoren): 負向調控 (negative Regulation)

    • 阻礙 RNA 聚合酶 (RNA-Polymerase) 接近啟動子。

  • 活化子 (Aktivatoren): 正向調控 (positive Regulation)

    • 增強 RNA 聚合酶和啟動子之間的相互作用。

操縱子 (Operon): 定義與結構

  • 操縱子 (Operon): 是一組功能相關的結構基因 (多順反子)，它們被協調地開啟或關閉，並連同其調控單元。

  • 其結構組成包括：

    • 操縱子 (Operator)

    • 增強子 (Enhancer)

負向調控: 抑制子機制

  • 抑制子的解離 (Lac-Operon 範例): 分子信號 (效應子, Effektor) 導致調控蛋白質從 DNA 上解離，從而允許轉錄進行。

  • 抑制子的結合 (Trp-Operon 範例): 分子信號 (效應子) 導致調控蛋白質與 DNA 結合，從而抑制轉錄。

正向調控: 活化子機制

  • 活化子的解離: 分子信號 (效應子) 導致調控蛋白質從 DNA 上解離，進而影響轉錄 (若預設為活化狀態，則解離會使活化終止)。

  • 活化子的結合 (Lac-Operon 範例): 分子信號 (效應子) 導致調控蛋白質與 DNA 結合，從而增強轉錄 (例如 CAP 活化)。

原核生物轉錄調控: 乳糖操縱子 (lac-Operon)

乳糖操縱子 (Lac-Operon): 蛋白質與功能

  • 結構基因 (Strukturgene): lacZ (編碼 eta-半乳糖苷酶), lacY (編碼乳糖通透酶), lacA (編碼轉乙醯酶)。

    • 這些基因被轉錄成多順反子 mRNA (polycistronische mRNA)。

    • 然後被核糖體翻譯成：

      • eta-半乳糖苷酶 ($eta$-Galactosidase): 水解乳糖成半乳糖和葡萄糖，並將乳糖異構化為異乳糖 (Allolactose)。

      • 乳糖通透酶 (Galactosid-Permease): 將乳糖運輸到細胞內部。

      • 轉乙醯酶 (Transacetylase): 功能尚不明確，可能與解毒作用有關。

  • 異乳糖 (Allolactose): 是誘導物，由 eta-半乳糖苷酶少量產生。

  • 基因結構與異乳糖結合位點: 在基線水平 (Basisniveau)，結構基因 Z, Y, A 總是有非常微量的表現。

乳糖操縱子 (Lac-Operon): 調控機制

  • 乳糖不存在時 - 抑制 (Lactose abwesend - reprimiert):

    • 抑制子 (Repressor) 會結合到操縱子 (Operator) 上，抑制轉錄。

    • 因此，不會產生乳糖分解酶。

  • 乳糖存在時 - 誘導 (Lactose anwesend - induziert):

    • 異乳糖 (Allolactose) 會結合到抑制子上，改變抑制子的構象。

    • 構象改變後的抑制子無法結合到操縱子上 (或從操縱子上解離)。

    • DNA 上的 RNA 聚合酶可以自由地進行轉錄。

乳糖操縱子 (Lac-Operon): 代謝物抑制 (Katabolit-Repression)

  • 這是一種正向調控 (Positive Regulation)機制。

  • cAMP (環磷腺苷, cyclisches Adenosin-mono-phosphat): 是細胞內葡萄糖水平低的信號分子。

  • CAP 或 CRP (代謝物活化蛋白 / cAMP-受體蛋白, Katabolit-Aktivator-Protein / cAMP-Rezeptor-Protein):

    • 當細胞內的葡萄糖水平低時，cAMP 濃度升高，並結合到 CAP/CRP 上。

    • cAMP-CAP/CRP 複合物會結合到 lac 啟動子上游的特殊位點，並促進 RNA 聚合酶的結合，從而增強 lac 操縱子的轉錄。

乳糖操縱子 (Lac-Operon): 調控總結

  • 高葡萄糖，無乳糖:

    • lac-操縱子被抑制子抑制 (reprimiert durch Repressor)。

    • cAMP 量少，CRP 不結合 DNA。

    • 結果: 轉錄極低甚至沒有。

  • 高葡萄糖，高乳糖:

    • 有異乳糖作為誘導物，抑制子不結合 (Repressor bindet nicht wegen Induktor Allolactose)。

    • cAMP 量少，CRP 不結合 DNA。

    • 結果: 轉錄水平較低 (因為葡萄糖優先使用)。

  • 無葡萄糖，高乳糖:

    • 有異乳糖作為誘導物，抑制子不結合。

    • cAMP 量高，CRP 結合 DNA (viel cAMP, CRP-Bindung an DNA)。

    • cAMP 活化活化子，活化子進一步活化 RNA 聚合酶，導致 eta-半乳糖苷酶的大量產生。

    • 結果: 轉錄高度活躍 (AKTIV)。

  • 無葡萄糖，無乳糖:

    • Lac-操縱子被抑制子抑制 (lac-Operon reprimiert durch Repressor)。

    • 結果: 轉錄極低甚至沒有。

調控子 (Regulon)

  • CRP 和 cAMP 參與操縱子系統的協調調控，這些系統具有共同的調控因子。

  • 調控子 (Regulon): 具有共同調控子的操縱子系統。

  • 導致細胞功能的協調性改變。

多核糖體 (Polysom)

  • 原核生物 (Prokaryoten): 轉錄 (Transkription) 和翻譯 (Translation) 可以立即且同時發生。

  • 過程:

    • 隨著 mRNA 被轉錄出來，核糖體會立即開始在其上進行翻譯。

    • 在同一條 mRNA 上，多個核糖體可以同時工作，形成一個 多核糖體 (Polysom)。

    • 多核糖體的長度逐漸增加，表明了轉錄的方向。

原核生物轉錄調控: 色胺酸操縱子 (trp-Operon)

色胺酸操縱子 (trp-Operon) 概覽

  • 功能: 編碼合成色胺酸所需的酶。

  • 調控基因: trpR (編碼抑制蛋白)。

  • 結構基因: trpE, trpD, trpC, trpB, trpA (編碼參與色胺酸合成的酶，如鄰氨基苯甲酸合酶、色胺酸合酶等)。

  • 調控結果:

    • 低色胺酸濃度: 產生 trp-mRNA (轉錄進行)。

    • 高色胺酸濃度: 產生衰減的 mRNA (轉錄被終止，attenuated mRNA)。

色胺酸操縱子 (trp-Operon): 粗略調控 (Repressor)

  • trp 抑制子 (Trp-Repressor):

    • 由 trpR 基因產生。

    • 在存在色胺酸 (高色胺酸濃度)的情況下，色胺酸分子作為共抑制子 (corepressor) 結合到 trp 抑制子上。

    • 結合了色胺酸的 trp 抑制子會結合到 trp 操縱子的啟動區 (在前導序列 (Leitsequenz, trpL) 之前)，阻止 RNA 聚合酶的結合，從而抑制整個 operon 的轉錄。

色胺酸操縱子 (trp-Operon): 精細調控 (衰減, Attenuation / "Dimmer")

  • 這是一種基於轉錄與翻譯偶聯和 mRNA 前導序列形成的 вторичних 結構的調控機制。

  • 特點:

    • 翻譯在轉錄後立即發生 (Translation unmittelbar nach Transkription)。

    • 前導序列 (Leitsequenz): 位於 mRNA 的 5′5' 端，包含一個小的肽編碼區 (包含兩個色胺酸密碼子)。

    • 環狀結構形成 (Schleifenbildung): mRNA 前導序列的不同區域可以形成特定的二級結構 (髮夾環)。

    • 調控依賴於較低/較高色胺酸濃度 (Niedrigere/höhere Tryptophan-Konzentration)。

    • 更具體地說，依賴於帶載 (Beladene) 或未帶載 (Unbeladene) 色胺酸的 tRNA。

色胺酸操縱子 (trp-Operon): 前導序列 (trpL)

  • 前導序列包含一個編碼前導肽 (Leitpeptid) 的開放閱讀框，該肽含有兩個連續的色胺酸密碼子。

  • mRNA 前導序列分為四個區域 (1,2,3,41, 2, 3, 4)，它們之間可以形成不同的鹼基配對，導致不同的環狀結構。

色胺酸操縱子 (trp-Operon): 高色胺酸濃度下的衰減

  • 機制:

    • 當細胞內色胺酸濃度高時，帶載 Trp-tRNA 充足。

    • 核糖體迅速翻譯前導肽，通過了色胺酸密碼子所在的區域 11 和區域 22。

    • 核糖體在翻譯完前導肽後，繼續前進並抵達區域 22 的末端，甚至進入區域 33 的起點。

    • 由於核糖體阻塞了區域 22，區域 22 無法與區域 33 配對。

    • 區域 33 會與區域 44 配對，形成一個終止轉錄的髮夾結構 (Attenuator) (Haarnadelstruktur)**。

    • RNA 聚合酶遇到這個髮夾結構，導致轉錄終止 (Stopp der Transkription)， trp 操縱子基因不再被轉錄。

色胺酸操縱子 (trp-Operon): 低色胺酸濃度下的衰減緩解 (Dimmer)

  • 機制:

    • 當細胞內色胺酸濃度低時，帶載 Trp-tRNA 不足 (Unbeladene Trp-tRNA)。

    • 核糖體在翻譯前導肽時，會停滯在區域 11 中的兩個色胺酸密碼子處 (因為缺乏 Trp-tRNA)。

    • 核糖體的停滯使得區域 11 被阻塞，無法與區域 22 配對。

    • 此時，區域 22 會與區域 33 配對，形成一個不同的髮夾結構。

    • 區域 2/32/3 的配對阻止了區域 33 和區域 44 形成終止轉錄的衰減子髮夾。

    • 因此，RNA 聚合酶可以繼續穿過 trp 操縱子的結構基因，進行轉錄。

DNA-蛋白質相互作用 (DNA-Protein-Wechselwirkungen)

總體原則

  • 調控蛋白質 (Regulationsproteine): 對於其特定的 DNA 結合位點具有 104−10610^4 - 10^6 倍更高的親和力。

  • 相互作用 (Wechselwirkungen): 主要透過氫鍵 (Wasserstoffbrücken) 實現。

  • 涉及的胺基酸 (Beteiligte Aminosäuren): 天冬醯胺 (Asn), 麩醯胺酸 (Gln), 賴胺酸 (Lys), 精胺酸 (Arg), 麩胺酸 (Glu)。

DNA 溝槽 (Furchen) 的識別

  • 蛋白質與 DNA 的結合通常發生在 DNA 的大溝 (Große Furche) 和小溝 (Kleine Furche) 中。

  • 大溝提供了更多的化學信息和接觸點，使蛋白質能夠更特異地識別 DNA 序列。圖示顯示了 3.4 A˚3.4 \text{ Å} 的大溝高度和 2.0 A˚2.0 \text{ Å} 的小溝高度，以及 36 A˚36 \text{ Å} 的大溝寬度和 20 A˚20 \text{ Å} 的小溝寬度。

  • 透過形成氫鍵來識別特定的鹼基對組合 (例如腺嘌呤-胸腺嘧啶, 鳥嘌呤-胞嘧啶)。

    • 例如：精胺酸和麩醯胺酸 (或天冬醯胺) 可以與胸腺嘧啶-腺嘌呤 (T-A) 和胞嘧啶-鳥嘌呤 (C-G) 形成特定的氫鍵。

蛋白質結合 DNA 的主要結構基序 (Motif)

  • 螺旋-轉角-螺旋 (Helix-Turn-Helix):

    • 由兩個短的 α\alpha-螺旋片段組成 (通常包含 7−97-9 個胺基酸)。

    • 兩個螺旋之間由一個短的轉角連接。

    • 其中一個螺旋 (