第 十 三 章 基因表达调控 Regulation of Gene Expression

Basic Conceptions and Principle 第 一 节 基本概念与原理 Basic Conceptions and Principle

一、基因表达的概念 * 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。 ——它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。

基因表达(gene expression) 是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。 典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。

基因表达＝转录＋翻译 基因表达是受调控的 但是 不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。 基因表达是受调控的

生物基因组的遗传信息 并不是同时全部都表达出来的 大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。 人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。

二、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)。

三、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： 管家基因 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)。 基本的基因表达只受到启动序列或者启动子与RNA聚合酶相互作用的影响 组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。

（二）诱导和阻遏表达 适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。

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。 诱导表达（induction） 是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。 如:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。

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。 阻遏(repression) 如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭

在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。

四、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

五、基因表达调控的基本原理 （一）基因表达的多级调控 基因激活 转录起始 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质降解等 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 转录水平的基因表达调控最重要

（二）基因转录激活调节基本要素 1. 特异DNA序列和调节蛋白质 基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。 1. 特异DNA序列和调节蛋白质

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 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 RNA转录起始 -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

pol 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。 pol 激活蛋白 启动序列 编码序列 操纵序列

有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。 pol 启动序列 编码序列 操纵序列

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 顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5’端) 启动子 增强子 沉默子

顺式作用元件通常是基因的非编码序列。 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。

a 反式调节 A A 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。 a DNA 反式调节 A mRNA 蛋白质A A B

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。 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)。（同质或异质） 真核生物中由于蛋白质因子的浓度等的不同，会造成不同细胞中同一基因表达程度的不同

⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 另外，由于真核启动子与RNA-pol的结合需要转录因子的参与，所以真核的RNA-pol活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关

⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性 启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，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，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。 热休克反应 细菌的RNA聚合酶70 （启动常规基因表达）被32取代，从而启动另一套基因的表达。

Regulation of Prokaryotic 第 二 节 原核基因转录调节 Regulation of Prokaryotic Gene Transcription

一、原核基因转录调节特点 （一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 ——调节的主要环节在转录起始 一、原核基因转录调节特点 （一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 ——只有一种RNA-pol，但是有很多种σ因子 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

操纵子 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。

操纵子的结构 典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。

可诱导和可阻遏的操纵子

二、乳糖操纵子调节机制 Z Y A O P （一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区 结构基因 DNA 操纵序列 启动序列 CAP结合位点 启动序列 操纵序列 结构基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶 Z Y A O P DNA

（二）阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因 pol I DNA Z Y A O P mRNA 阻遏蛋白 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）CAP的正性调节 + + + + 转录 DNA CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 CAP CAP

总结： O 1）无乳糖也无葡萄糖存在时： 阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构基因不被转录 2）当无乳糖，有葡萄糖时： O 由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用 所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭

O 3）既有乳糖，又有葡萄糖时： 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落 由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细菌只能利用葡萄糖。

4）有乳糖，无葡萄糖时： RNA-pol 由于不含葡萄糖，细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动DDRP向前移动，促进转录。 O mRNA 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖 所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放 有葡萄糖存在，操纵子关闭

（四）协调调节 ※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； ※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。

三、原核生物转录的终止调节 原核生物转录的终止： 1）依赖于Rho的转录终止 2）不依赖于Rho的转录终止——形成发夹结构 原核生物转录过程中可以通过形成相应的结构，而使得转录提前终止，达到调节的目的，如衰减。如果要制止终止的发生，可以形成抗终止。

四、原核生物翻译水平的调节 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译 调节的位点主要在翻译的起始阶段 1、蛋白质分子的自我调节 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译 调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称为自我控制

2、反义RNA对翻译的调节作用 调节基因表达的RNA，称为调节RNA 反义RNA：细菌中的一种调节RNA,含有与特定mRNA翻译的起始部位互补的序列，通过与mRNA的杂交阻断30S小亚基对AUG的识别及与SD序列的结合，抑制翻译的起始 反义RNA的调节作用，称为反义控制

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 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ～ 10%

（二）单顺反子 （三）重复序列（正向重复、反向重复） （四）基因不连续性——断裂基因 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（正向重复、反向重复） 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——断裂基因

二、真核基因表达调控特点 （一）RNA聚合酶 真核生物中存在RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。

（二）活性染色体结构变化 1. 对核酸酶敏感 2. DNA拓扑结构变化 正超螺旋 负超螺旋 活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。 基因活化后 RNA-pol 正超螺旋 负超螺旋 转录方向

3. DNA碱基修饰变化 4. 组蛋白变化 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。 CpG岛——甲基化常发生在某些基因的5’侧翼区的CpG序列 4. 组蛋白变化 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 真核基因基因组大，通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。 —— 更精确，更经济 （四）转录与翻译分隔进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，可分别进行调控。 （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 1. 启动子 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。 TATA盒 GC盒 CAAT盒

TATA盒 —— 转录因子TF-ⅡD结合位点 典型的启动子： CAAT盒和（或）GC盒 ＋ TATA盒 ＋ 转录起始点 最简单的启动子：TATA盒 ＋ 转录起始点 但是，不是所有的启动子都有TATA盒

2. 增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。 特点 ①在转录起始点5’或3’侧均能起作用； ②相对于启动子的任一指向均能起作用； ③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关； ④对异源性启动子也能发挥作用； ⑤通常具有一些短的重复顺序。

3. 沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

（二）反式作用因子 同一DNA序列可被不同蛋白质识别 同一蛋白质因子可与多种不同DNA序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。 蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。 反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。

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。 个别因子，如TFⅡD为通用的，大部分转录调节因子为不同RNA聚合酶特有，决定转录的类别

特异转录因子 (special transcription factors) 能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子.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（如增强子的结合蛋白) 转录抑制因子(如沉默子的结合蛋白，或是与其他因子结合，抑制转录的蛋白质）

2. 转录调节因子结构 DNA结合域 转录激活域 TF 谷氨酰胺富含域 酸性激活域 脯氨酸富含域 蛋白质-蛋白质结合域 （二聚化结构域）

最常见的DNA结合域 1. 锌指(zinc finger) 常结合GC盒 C —— Cys H —— His

Cys Zn His

2. α-螺旋 常结合CAAT盒

3. 亮氨酸拉链

（三）mRNA 转录激活及其调节 TBP相关因子 DNA TATA 真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物 polⅡ TFⅡF TAF TAF TAF TFⅡH TBP TFⅡA TFⅡB TATA DNA 真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物

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。