第十三章 基因结构与基因表达调控 Gene Structure and Expression 生化教研室：牛永东

Gene and Human genome project, HGP 第一节 基因与人类基因组计划 Gene and Human genome project, HGP

一、基因组及表达的概念 基因表达是受调控的 * 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。 * 基因表达(gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。 基因表达是受调控的

基　因　组　学 Genomics

基因组学概念 基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。

基因组学包括： 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics)

*结构基因组学 结构基因组学(structural genomics)是通过HGP的实施来完成的。 HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。

HGP包括： （一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统

HGP主要任务及内容

通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端

*功能基因组学 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段——详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学（functional genomics）

主要具体内容包括以下方面 （一）鉴定DNA序列中的基因 （二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式

功能基因组学研究策略及主要内容

*比较基因组学 比较基因组学(comparative genomics)涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。

The Relation between Genomics and Medicine 二.基因组学与医学关系 The Relation between Genomics and Medicine

*基因病的概念 （一）单基因病 （二）多基因病 （三）获得性基因病 以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有“基因病”概念产生。根据这一概念，人类疾病大致分为三类： （一）单基因病 （二）多基因病 （三）获得性基因病

*疾病相关基因的鉴定 （一）检测人类基因变异或突变 （二）疾病时基因组差异表达分析 （三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆

寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特异寡核苷酸杂交

DNA芯片检测的差异表达谱

*基因组学与肿瘤病因学 *基因组学与流行病病因学 *基因组学与医学伦理、法律和社会问题

三、基因表达的时间性及空间性 （一）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。

（二）空间特异性 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity) 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)

四、基因表达的方式 （一）组成性表达 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)

无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)

（二）诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)

五、基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化

基因表达调控的基本原理 一、基因表达的多级调控 基因丢失； 基因扩增 基因重排； （一）DNA水平 甲基化修饰 染色质的结构状态 转录水平调控 RNA的转录后加工 （二）RNA水平 mRNA从核内向胞浆转运 mRNA稳定性 翻译过程 （三）蛋白质水平 翻译后加工 蛋白质的稳定性

二、基因转录激活调节基本要素 1. 特异的DNA序列 如启动序列，操纵序列，Pribnow盒，GC序列等 2. 调节蛋白 如阻遏蛋白，激活蛋白，CAP，转录因子等 3.DNA-蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用 改变DNA的结构和RNA聚合酶的功能 4.RNA聚合酶

原核生物 —— 操纵子(operon) 机制 蛋白质因子 特异DNA序列 编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列 (promoter) (operator) 蛋白质因子

是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 1) 启动序列 -35区 -10区 TTGACA TTAACT TTTACA TATGAT TATGTT TTGATA TATAAT CTGACG TACTGT N17 N16 N7 N6 A trp tRNATyr lac recA Ara BAD 共有序列

共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力

pol 启动序列 编码序列 操纵序列 2 操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)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，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。 pol 阻遏蛋白 启动序列 编码序列 操纵序列

3) 其他调节序列、调节蛋白 例如 激活蛋白(activator)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

真核生物 编码序列 1) 顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列 转录起始点 B A 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点

2) 真核基因的调节蛋白 反式作用因子(trans-acting factor) 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。 这种调节作用称为反式作用 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用

a DNA 反式调节 A mRNA 蛋白质A A B C c DNA mRNA C 蛋白质C 顺式调节

2. DNA - 蛋白质 蛋白质-蛋白质 的相互作用 指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构 绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)

⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。

基因表达的调控方式: 阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)

第一节 原核生物基因表达的调控 方式 特点 调控机制 --操纵子 正调控 负调控 转录翻译偶联 快速 乳糖操纵子 --负、正调控 乳糖操纵子 --负、正调控 转录起始的调控 色氨酸操纵子--负调控 　 转录起始、终止的调控

一、乳糖操纵子(lactose operon) 原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6） +启动序列+操纵序列+(其他调节序列)

乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时： 与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭

（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构 调控基因 控制位点 结构基因 I P O Z Y A DNA 阻遏蛋白 启动序列 操纵序列 β半乳糖苷酶 通透酶 乙酰基转移酶 cAMP-CAP结合位点 RNA聚合酶 结合位点

细菌代谢酶的诱导 细菌合成代谢葡萄糖的酶类 葡萄糖 细菌合成代谢乳糖的酶类 乳糖

细菌对乳糖的利用及其相关的酶: 乳糖 (在通透酶作用下进入细菌） β半乳糖苷酶 （细菌中少量存在） 别位乳糖 葡萄糖+半乳糖 β半乳糖苷酶 （细菌中少量存在） 转乙酰基酶--功能未详

（二）Lac阻遏物的作用---负调控 Lac阻遏物 结构特点 调控机制 （负调控） 由基因I编码生成的蛋白质 具有四级结构的蛋白质 具有4个相同亚基 每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点 Lac阻遏物与O基因结合： 结构基因关闭 Lac阻遏物与诱导剂结合： 不与O基因结合，结构基因开放 RNA聚合酶结合，转录开始

Lac操纵子诱导剂 生理性诱导剂 实验常用诱导剂 别位乳糖 异丙基硫代半乳糖（IPTG）

I Z Y A O P （二）阻遏蛋白的负性调节 与操纵序列结合，RNA 聚合酶则不起作用，不转录 阻遏基因 pol DNA mRNA 没有乳糖存在时

pol I DNA Z Y A O P mRNA 阻遏蛋白 mRNA 启动转录 β-半乳糖苷酶 乳糖 半乳糖 有乳糖存在时

Z Y A O P （三）cAMP-CAP的正性调节 + + + + 转录 DNA CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 CAP CAP

只有乳糖存在时： 葡萄糖存在时： 只能利用乳糖 解除阻遏蛋白的作用 CAP-cAMP复合物的激活作用 CAP+cAMP 乳糖操纵子 导致结构基因转录(正调控) cAMP 在原核生物中的作用 （饥饿信号） CAP(分解物基因激活物蛋白): 有二个相同亚基的蛋白质 一个与DNA结合的domain 一个与cAMP结合的domain 葡萄糖存在时： 优先利用葡萄糖作为能源。 与阻遏蛋白的存在有关 --乳糖操纵子的负调控 与cAMP有关： 葡萄糖 cAMP Lac操纵子（-）

原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子） 环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 基因表达 的负调控 基因表达 的正调控 正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的变化 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列

Regulation of Eukaryotic 第 三 节 真核基因转录调节 Regulation of Eukaryotic Gene Transcription

一、真核基因组结构特点 （一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对 编码基因约 有 30000 个 rDNA等重复基因约 占 5% ～ 10%

（二）单顺反子 （三）重复序列 （四）基因不连续性 单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链 （三）重复序列 单拷贝序列（一次或数次） 高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103～104次） 多拷贝序列 （四）基因不连续性

二、真核基因表达调控特点 （一）RNA聚合酶 （二）核心途径(活性染色体结构变化)： 环境信号转导 染色质活化 转录的激活 环境信号转导 染色质活化 转录的激活 1. 对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近

2. DNA拓扑结构变化 正超螺旋 负超螺旋 3. DNA碱基修饰变化 天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在； 基因活化后 RNA-pol 转录方向 3. DNA碱基修饰变化 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化， 甲基化范围与基因表达程度呈反比。

4. 组蛋白变化 （三）正性调节占主导 （四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工 ① 富含Lys组蛋白水平降低 ② H2A, H2B二聚体不稳定性增加 ③ 组蛋白修饰 ④ H3组蛋白巯基暴露 （三）正性调节占主导 （四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工

三、真核基因转录激活调节 （一） 顺式作用元件 真核生物DNA序列 和被转录的结构基因距离较近 包括：启动子（启动子上游近侧序列） 增强子 和转录调控有关 (可影响自身编码基因表达活性)

1. 启动子和启动子上游近侧序列 是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列 位于转录起始点的上游 按其对RNA聚合酶的影响分为两类: 位于较上游的元件，强烈影响转录起始 CAAT box ，GC box 离转录点较近，起转录起始调控作用 TATA box 真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件

2.增强子 一类能增强真核生物启动子功能的顺式作用元件（DNA序列） 增强子、启动子交错覆盖/连续 没有增强子 启动子不表现活性 没有启动子 增强子无法发挥作用 增强子作用不受序列方向的制约 有组织特异性

3. 反应元件 真核细胞处于某一特定环境时 有反应的基因具有相同的顺式作用元件 这一类顺式作用元件--反应元件（DNA序列） 特点：（１）具较短的保守序列 　　　（２）与转录起始点的距离不固定 　　　（３）可位于启动子或增强子内 举例：激素反应元件（HRE）

当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件

（二）反式作用因子 （转录因子 transcription factor） 一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子 反式作用因子 识别/结合 顺式作用元件中的靶序列 启动转录 例：转录因子TFⅡD 识别结合 TATA box 转录因子 SP1 识别结合 GC box 转录因子 CTF1 识别结合 CCAATbox

（二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性） * 基本转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别

* 特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。 转录激活因子 转录抑制因子

反式因子有两个必需的结构域 DNA 结合结构域：与顺式元件识别、结合 转录激活结构域： 与RNA聚合酶结合 酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域 蛋白质

反式作用因子（DNA结合域）结构模式 --蛋白质 Helix-turn-helix α螺旋-β转角-α螺旋 最常见DNA结合域之一 例：CAP (最早在原核生物中发现） α螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟

Zinc-fingers 锌指 最常见DNA结合域之一 约有30个AA残基 其中4个AA残基 （2个Cys，2个His或4个Cys） 配位键 Zn2+ 锌指 与DNA双螺旋大沟结合。 存在于多种真核转录因子 具多个锌指结构

1 2 3 4 5 6 7 8 9 蛋白质

Leucine-zippers 亮氨酸拉链 一段肽链中每隔7个AA 即有一个Leu α螺旋 亲水面：亲水AA组成 疏水面：Leu组成 （亮氨酸拉链条） 可形成二聚体（发挥作用） （同二聚体/异二聚体） DNA的结合域： 拉链区以外结构

图15-12

图15-13

helix-loop-helix 螺旋-环-螺旋  　 α-螺旋有兼性 形成二聚体 有利于其与DNA结合

二聚体

真核基因转录调节是复杂的、多样的 *不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式； *多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。 *转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分

选择题练习 基因表达调控

1 基因表达的产物可以是 A DNA B tRNA C mRNA D rRNA E Protein F hetero-nuclear RNA G hn RNA H mit DNA I small nuclear RNA，snRNA J polyA tail RNA

2 基因表达的组织特异性可表现为 某种基因只在一种组织中表达，而在其它组织中不表达。 某种基因只在一种组织中表达相对多，而在其它组织中表达相对少。 某种基因只在一类组织中表达，而在其它类组织中不表达。 某种基因只在一类组织中表达相对多，而在其它类组织中表达相对少。 同一基因在不同组织中表达不同。 某种基因在所有组织中均表达。

3 直接参与乳糖操纵子调控的因素是 A I基因编码蛋白 B Z基因编码蛋白 C CAP D Y基因编码蛋白 E 乳糖 F 半乳糖 G A基因编码蛋白

4 参与原核基因表达调控的因素是 A 激活蛋白 B 阻遏蛋白 C 某些小分子化合物 D 启动序列 E 操纵序列 F 基本转录因子 F 启动子

？ 5 基因表达调控可以发生在 A 转录起始水平 B 转录水平 C 转录后加工水平 D 翻译起始水平 E 翻译水平 F 翻译后加工水平 5 基因表达调控可以发生在 A 转录起始水平 B 转录水平 C 转录后加工水平 D 翻译起始水平 E 翻译水平 F 翻译后加工水平 G 复制水平 H 基因扩增水平 ？ I 基因重组水平

6 顺式作用元件是下述的 A TATA盒和 CCAAT盒 B 具有调节功能的各种DNA序列 C 具有调节功能的 5’ 侧翼序列 D 具有调节功能的 3’ 侧翼序列 E 所有非编码序列

7 反式作用因子是 A 转录调节蛋白 B 转录调节因子 C RNA聚合酶 D DNA聚合酶 E DNA酶 I

8 真核基因表达调控的特点是 A 正性调节占主导 B 伴有染色体结构变化 C 转录与翻译分隔进行 D 转录与翻译偶联进行 E 负性调节占主导

9 乳糖操纵子 A 在没有半乳糖存在时处于阻遏状态 B 在半乳糖存在时可能处于表达状态 C 有高浓度半乳糖、低浓度葡萄糖存在时处于 表达状态 D 有半乳糖存在时处于阻遏状态 E 没有半乳糖存在时处于表达状态

10 可影响RNA聚合酶活性的因素是 A 启动子或启动序列 B 调节蛋白的性质 C RNA转录本的结构 D RNA转录本的长度 E 多聚A序列的长度

11 基因表达具有 A 阶段特异性 B 时间特异性 C 组织特异性 D 细胞特异性 E 空间特异性

12 原核基因表达调控的意义是（只有一个正确答案） A 调节生长与分化 B 调节发育与分化 C 调节生长、发育与分化 D 调节代谢，适应环境 E 维持细胞特性和调节生长

13 真核基因表达调控的意义是（只有一个正确答案） A 调节代谢，维持生长 B 调节代谢，维持发育与分化 C 调节代谢，发育与分化 D 调节代谢，适应环境 E 调节代谢，适应环境，维持生长、发育与分化

14 下述关于管家基因表达的描述最确切的是 （只有一个正确答案） 在生物个体的所有细胞中表达 在生物个体生命全过程几乎所有细胞中持续表达 在生物个体生命全过程部分细胞中持续表达 特定环境下， 在生物个体生命全过程几乎所有细胞中持续表达。 特定环境下，在生物个体生命全过程部分细胞中持续表达。

15 基本的基因表达（只有一个正确答案） A 有诱导剂存在时表达水平增高 B 有诱导剂存在时表达水平降低 C 有阻遏剂存在时表达水平增高 D 有阻遏剂存在时表达水平降低 E 极少受诱导剂或阻遏剂的影响

16 紫外线照射引起DNA损伤时，细菌DNA修复酶 基因表达增强，这种现象被称为（只有一个正确答案） A 诱导 B 阻遏 C 基本的基因表达 D 正反馈 E 负反馈

17 大多数基因表达调控的最基本环节是（只有一个 17 大多数基因表达调控的最基本环节是（只有一个 正确答案） A 复制水平 B 转录水平 C 转录起始水平 D 转录后加工水平 E 翻译水平

18 顺式作用元件的最确切定义是（只有一个正确答案） A TATA盒和 CCAAT盒 B 具有调节功能的各种DNA序列 C 具有调节功能的 5’ 侧翼序列 D 具有调节功能的 3’ 侧翼序列 E 所有非编码序列

19 对乳糖操纵子来说（只有一个正确答案） CAP是正性调节因素，阻遏蛋白是负性调节因素 CAP是负性调节因素，阻遏蛋白是正性调节因素 CAP和阻遏蛋白都是正性调节因素 CAP和阻遏蛋白都是负性调节因素 在不同条件下，CAP和阻遏蛋白均显示正性或负性调节特点

20 一个操纵子通常含有（只有一个正确答案） 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 一个启动序列和数个调节基因