第十六章 基因表达调控 （Regulation of Gene Expression）

本章主要内容 基因表达调控概念与转录调节的基本要素 原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控

第一节 基因表达调控概念 与转录调节基本要素 一、 基因表达的概念 二、 基因表达的特点 三、 基因表达的方式 第一节 基因表达调控概念 与转录调节基本要素 一、 基因表达的概念 二、 基因表达的特点 三、 基因表达的方式 四、 基因表达调控的生物学意义 五、 基因转录激活调节的基本要素

一、 基因表达的概念 转录与翻译 各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA) 表达产物 蛋白质多肽链。

某一特定基因的表达往往随细胞受感染的进程、生长环境的变化而开启或关闭，呈现时间特异性； 二、基因表达的特点 （一）时间特异性 某一特定基因的表达往往随细胞受感染的进程、生长环境的变化而开启或关闭，呈现时间特异性； 对于多细胞生物又与组织器官生长、发育阶段相适应，又称阶段特异性。 （二）空间特异性 对于多细胞生物，即使处在同一生长发育阶段，不同组织细胞内的基因表达水平也是不一致的，称此为空间特异性（又称细胞特异性或组织特异性）。

三、基因表达的方式 （一）组成性表达 管家基因 有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。 组成性基因表达 管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。

（二）诱导和阻遏表达 诱导表达 有些基因在特定环境信号刺激下， 表达增强，称为诱导表达。 阻遏表达 另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平下降， 称为阻遏表达。

（三）协调表达 在一定机制控制下，使功能相关联的一组基因协调一致、共同表达，称此为协调表达。

四、基因表达调控的生物学意义 1） 使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化 2） 促进个体生长、发育

五、基因转录激活调节基本要素 （一） 特异DNA序列 （二） 调节蛋白 （三） RNA聚合酶

（一）特异DNA序列 原核生物的特异DNA序列 原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。 操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游 的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录协调单位。 调控序列 包括操纵序列(O)、启动序列(P)和调节基因(I/R)等组件。

操纵子 调节基因 启动序列 操纵序列 编码序列（结构基因） 表达 转录 多顺反子mRNA I P O Z Y A RNA聚合酶 结合部位 调节基因 启动序列 操纵序列 编码序列（结构基因） 表达 转录 I CAP P O Z Y A RNA聚合酶 结合部位 阻遏蛋白 结合部位 阻遏蛋白 （负性调节） 多顺反子mRNA （ 正性调节） 多种蛋白质 多顺反子mRNA 功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的 mRNA 。 启动序列（P）： 其中的-35区  -10区是RNA聚合酶识别并结合的部位。

原核生物的共有序列 RNA聚合酶移向转录起始点 启动转录 转录起始点 -10区 -35区  DNA双链局部解开 RNA聚合酶移向转录起始点 启动转录

真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达的特异DNA序列，称为顺式作用元件。 顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。 启动子 顺式作用元件又分 增强子 沉默子

（1）启动子 （2）增强子 是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。 包括转录起始点、共有序列——TATA盒（核心序列）以及GC盒或CAAT盒等 共有序列 －110bp -30  -25bp CAAT盒 GC盒 TATA盒 TFⅡD RNA PolⅡ 结合位点 （2）增强子 是增强启动子转录活性的特异DNA序列。 （远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存） （3）沉默子 对基因转录起阻遏作用的特异DNA序列，属于负性调控元件。

决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； （二）调节蛋白 原核生物的调节蛋白（3类） 特异因子 决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； (如，RNA聚合酶的 因子) 阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用； （由调节基因表达的阻遏蛋白） 激活蛋白 与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发 挥正性调控作用。（如，CAP—分解代谢物基因活化蛋白）

2. 真核生物的调节蛋白 反式作用因子 能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。 2. 真核生物的调节蛋白 反式作用因子 能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。 按其功能不同，常有以下三类： 基本转录因子 转录调节因子 共调节因子

首先由TFⅡD与启动子TATA盒结合，然后按一定的时空顺序依次结合RNA PolⅡ和其它转录因子，形成PIC。 与RNA聚合酶(RNA Pol Ⅱ)结合的(基本)转录因子有： TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH, TFⅡJ 等。 首先由TFⅡD与启动子TATA盒结合，然后按一定的时空顺序依次结合RNA PolⅡ和其它转录因子，形成PIC。

转录前起始复合体的组装（PIC)

(2) 转录调节因子 这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。 起激活转录作用——转录激活因子； 起阻遏转录作用——转录阻遏因子。 （3） 共调节因子 另有一类与转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。 如果与转录激活因子有协同作用——共激活因子； 与转录阻遏因子有协同作用——共阻遏因子。

DNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。 反式作用因子的特殊功能域 DNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。 锌子结构 亮氨酸拉链结构

(三) RNA聚合酶 1. 启动子碱基序列变化影响RNA聚合酶活性 （尤其－10区和－35区的共有碱基序列变化）

六、基因表达的多级调控 基因结构活化 转录水平 转录起始（基因表达基本控制点） 转录后加工 转录后水平 转录产物的转运 翻译调控 翻译水平 翻译后加工

第二节 原核生物基因转录调控 一、乳糖操纵子调节机制 控制区 信息区 结构基因(S) 启动序列（P） 调节基因（I） 操纵序列（O） CPA

乳糖操纵子结构基因表达产物

（一）阻遏蛋白的负性调节作用 O

（二） CAP的正性调节作用 cAMP RNA聚合酶 CAP DNA结合区→与CAP位点结合 CAP(同二聚体),含 启动序列 操纵序列 mRNA 5' CAP 2 DNA结合区→与CAP位点结合 CAP(同二聚体),含 cAMP结合区→ cAMP-CAP复合物（有活性）

Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控

二、色氨酸操纵子的调节机制 （色氨酸合成的酶蛋白） 结 构 基 因 调控区 E1 E2 E3 阻遏蛋白 衰减子 P 前导trpL trpR O trpE trpD trpC trpB trpA 调控区 mRNA E1 E2 E3 阻遏蛋白 （无活性） （色氨酸合成的酶蛋白）

色氨酸的负性调控作用 调节区 （结构基因关闭） 有活性 P 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。 Trp 有活性 色氨酸的负性调控作用 阻遏蛋白 转录生成162核苷酸长的前导序列， 可以形成“衰减子”结构 mRNA trpR P O trpE trpD trpC trpB trpA 调节区 （结构基因关闭） 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。

Trp操纵子的trpE基因5´－端转录生成的 162个核苷酸长的“前导序列” 衰减子 结构 10、 11

Trp操纵子的转录衰减机制 衰减子结构 核蛋白体 前导肽 4 RNA聚合酶 3 1 2 5' UUUU 3' mRNA DNA 前导肽 2 MKAIFVLKGWWRTS 前导肽 4 RNA聚合酶 3 1 2 5' UUUU 3' mRNA 10、11位Trp密码子 DNA 前导肽 2 MKAIFVLKG 3 Trp结构基因 1 RNA聚合酶 5' 4 DNA Trp操纵子的转录衰减机制

三、原核生物基因表达调控的特点 （主要在转录水平进行调节） 1） σ 因子的特异启动作用 2） 操纵子调控机制具有普遍性 1） σ 因子的特异启动作用 2） 操纵子调控机制具有普遍性 3） 结构基因发生多顺反子转录 4） 阻遏蛋白的负调控作用具有普遍性

第三节 真核生物基因表达调控 一、真核生物基因组特点 第三节 真核生物基因表达调控 一、真核生物基因组特点 （一）基因组结构庞大 人类的单倍体基因组由 3X109 的核苷酸组成，含有大约2.6  3.9万个基因。 （二）形成染色体结构 真核生物的基因组是以DNA和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。

一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。 （三）单顺反子 真核基因的转录产物一般是单顺反子 。 单顺反子 一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。 （四）重复序列 真核生物基因普遍存在重复序列。 根据重复频率不同，分为以下3类： 高度重复序列 中度重复序列 单拷贝序列 反向重复序列（回文序列）

重复数百万次，序列简单、不到10bp，称为卫星DNA； 1. 高度重复序列 重复数百万次，序列简单、不到10bp，称为卫星DNA； 2. 中度重复序列 重复上千次，序列由几百个bp构成； 3. 单拷贝序列 只出现1次或几次。真核生物极大多数为单一结构基因； 反向重复序列 是指在DNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如： “－－－CGTACC---/---CCATGC---”, 又称“回文结构”。

（五）断裂基因 外显子 具有实际编码意义的结构基因序列； 内含子 不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列。 （六）大多数为非编码区（95％左右）

二、真核基因表达调控的特点 （一）DNA、染色体水平的变化特点 1．对核酸酶极度敏感

2．DNA拓朴结构变化 天然双链DNA几乎均以负性超螺旋构象存在。 当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移动，进行转录。 3. DNA甲基化 DNA甲基化程度与基因表达呈反比。 4．染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。

（二）RNA聚合酶、mRNA的转录激活及调节 真核生物有3种RNA聚合酶：RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ。 每种RNA聚合酶有约10个亚基组成，其中TATA盒结合蛋白 （TBP）为3种酶共有。 RNA polⅡ对催化mRNA的生成起主要作用。 转录前RNA polⅡ必须与TFⅡD等各种通用转录因子形成转录前复合体（PIC），才能激活或抑制RNA的转录。

TATA盒结合蛋白

（三）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。 采用正性调节机制更有效、经济、特异； 采用负性调节不经济 （四）转录和翻译过程分开进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞浆），可分别进行调控。

（五）转录后加工 真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子一起被转录。 转录后产物（hnRNA）经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的mRNA .

3. 最先、最直接与启动子核心序列TATA盒结合的 转录因子是 基因表达调控《课堂练习》 基因表达调控中最重要的环节是 基因活化 B. 转录起始 C. 转录后加工 D. 翻译过程 E. 翻译后加工 2. 典型操纵子的调控序列包括 A. 编码序列 B. 操纵序列 C. 启动序列 D. 调节基因 E. 结构基因 3. 最先、最直接与启动子核心序列TATA盒结合的 转录因子是 A. TFⅡA B. TFⅡB C. TFⅡD D. TFⅡE E. TFⅡF

4. 以下是关于真核基因表达调控基本要素的叙述，错误的是 顺式作用元件的化学本质是蛋白质 B. 顺式作用元件的化学本质是DNA 反式作用因子的化学本质是DNA 反式作用因子的化学本质是蛋白质 E. 反式作用因子与顺式作用元件结合后，可激活或抑制基因表达 5. 以下是关于lac操纵子调节机制的叙述，正确的是 A. 阻遏蛋白与操纵序列的结合，对基因表达起负性调控作用 B. 乳糖与阻遏蛋白结合而使之变构，进而与操纵序列结合更牢固 C. CAP蛋白与CAP位点的结合，对基因表达起正性调控作用 D. RNA Pol催化结构基因表达单顺反子mRNA E. 当培养液中有乳糖而缺乏葡萄糖时，基因表达活性最强

以下是关于trp操纵子调节机制的叙述，错误的是 A. 调节基因表达有活性的阻遏蛋白，能与操纵基因结合，阻遏基因表达 B. 调节基因表达无活性的阻遏蛋白，不能与操纵基因结合，结构基因呈“开放”状态 C. 色氨酸与阻遏蛋白结合而使之变构活化，进而与操纵基因结合，使结构基因“关闭” D. 在低浓度色氨酸存在下，通过形成“衰减子”结构对转录进行精细的调节 E. 原核细胞无核膜，基因转录和翻译过程往往紧密偶联 7. 真核生物基因组具有下列特点 含大量重复序列 B. 结构基因大多为单拷贝 C. 转录产物为单顺反子 D. 基因为断裂基因 E. 基因组中只有一小部分为编码基因