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

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

中心法则(central dogma)

一、基因表达的概念 基因表达是受调控的! * 基因（gene）： 染色体上DNA片段。 * 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! 目 录

基因表达(gene expression) Replication Reverse Transcription Transcription Translation DNA RNA Protein

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)。 目 录

（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)。 目 录

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： 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)。

常用的管家基因 中文名称 英文缩写 Beta－肌动蛋白 β-actin 甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP 中文名称 英文缩写 Beta－肌动蛋白 β-actin 甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP 18s 核糖体核糖核酸 18s rRNA 微管蛋白α α-Tubulin

（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)。

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 1. 基因表达的多级调控 转录水平的调控transcriptional level: 转录激活、转录起始; 转录后水平的调控post-transcriptional level： 转录后加工、运输、mRNA降解; 翻译水平的调控translation level： 翻译的起始; 翻译后水平的调控post-translation level 翻译后的加工、转运、多肽链的分解.

2. 基因转录激活调节基本要素 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。 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)

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。 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。

真核生物 1) 顺式作用元件(cis-acting element) 编码序列 转录起始点 B A DNA 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）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

3）顺式作用元件和反式作用因子的特点 TATAAA ATATTT 5′ 3′ 反式作用因子 trans-acting factor 能识别和结合特定的顺式作用元件,并影响基因转录的一类蛋白质或RNA 顺式作用元件 cis-acting element 能影响基因表达，但不编码RNA和蛋白质的DNA序列

3. 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)。

① 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。

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

原核生物

大肠杆菌染色体DNA C-Value: 4.6×106bp 大肠杆菌 4000K 3000K 2000K 1000K OriC TerC

原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控,其次是翻译水平，负控制为主。 转录水平调控通常有两种方式： 1. 起始调控，即启动子调控； 2. 终止调控，即衰减子调控。

一、原核基因转录调节特点 1. σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 2. 操纵子模型的普遍性 3. 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 1. σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 2. 操纵子模型的普遍性 3. 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

1. б因子及RNA 聚合酶与转录起始的调控 б因子调控RNA 聚合酶与DNA结合 例如:大肠杆菌RNA 聚合酶由5个亚基（α2ββ'б）构成，核心酶（α2ββ'）能以DNA为模板合成RNA，但必须依靠б因子协助才能在正确位置起始转录。

б因子含有识别启动区的结构域。 a.б因子独立存在时，N端部分抑制了C端的 DNA结合活性，与DNA不能结合。 b.当б因子与核心酶组成全酶时，空间构象 改变，N端对C端抑制作用消失，可与DNA发 生特异结合。 c.转录起始完成后б因子脱落，核心酶不再 停留在启动区部位，向下游滑动完成转录。

RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用 -35区 -10区 trp lac recA 共有序列 RNA转录起始 TTGACA TTAACT TTTACA TATGAT TATGTT TTGATA TATAAT CTGACG TACTGT N17 N16 N7 N6 A trp tRNATyr lac recA Ara BAD 共有序列

细菌启动区特异序列有4个保守特征: ①起始点：+1 90% 以上为嘌呤核苷酸。 ②“－10”序列：-10区一致序列为TATAAT。 ③“－35”序列：-35区一致序列为TTGACA。 ④“－35”和“－10”序列的间距：对RNA聚合酶结合具有重要影响。

共有序列决定启动序列的转录活性强弱。 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。

2. 操纵子结构示意图 promoter terminator operator t a y z p Structural gene

二、乳糖操纵子调节机制 Z Y A O P 1. 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

I Z Y A O P 2. 阻遏蛋白的负性调节(negative control) pol 没有乳糖存在时? 阻遏基因 DNA mRNA

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

与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。   -10 +1 +10 +20 +30 . . . . . 5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′ 3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5′ lac操纵区序列是一个以+11位GC碱基对为中心的反向重复序列 与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。  

Z Y A O P 3. CAP的正性调节(positive control) + + + + 转录 DNA CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 CAP 有葡萄糖，cAMP浓度低时

4. 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)。

乳糖和葡萄糖同时存在时如何表达?

低半乳糖时 高半乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 RNA-pol O O mRNA 葡萄糖高cAMP浓度低 O O

三、其他转录调节机制 ? 1. 转录衰减 P O 色氨酸操纵子 调节区 结构基因 Trp 低时 Trp 高时 Trp mRNA RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA Trp 高时 ? 色氨酸操纵子 Trp

转录终止的调控 原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。 例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式: a.通过阻遏蛋白的负调控 b.通过衰减子作用

O P 前导序列 trp 密码子 调节区 结构基因 衰减子区域 UUUU…… 前导mRNA 终止密码子 UUUU…… 14aa前导肽编码区: trpR O P 衰减子区域 前导序列 UUUU…… 前导mRNA 1 2 3 4 trp 密码子 终止密码子 UUUU…… 14aa前导肽编码区: 包含序列1 衰减子结构 第10、11密码子为trp密码子 UUUU…… UUUU…… 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4

转录衰减机制 3 4 前导DNA UUUU 3’ 前导mRNA 终止 核糖体 UUUU 3’ UUUU…… trp 密码子 前导肽 衰减子结构 就是终止子 可使转录 3 4 终止 核糖体 UUUU…… 3 4 1 2 5’ UUUU 3’ trp 密码子 前导肽 1.当色氨酸浓度高时

3 4 Trp合成酶系相关 结构基因被转录 前导DNA 结构基因 前导mRNA 核糖体 UUUU…… UUUU…… 2 3 UUUU…… 核糖体 UUUU…… 3 4 2 1 5’ trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构 前导肽 2.当色氨酸浓度低时

2. 基因重组 沙门菌鞭毛素基因的调节 hin I hin I H2 DNA 启动序列 H1 Hin重组酶 H2鞭毛素 阻遏蛋白 H2 H1 转位片段 H1鞭毛素

SOS基因 3. SOS反应 DNA 操纵序列 Lex A阻遏蛋白 Lex A阻遏蛋白 基因表达 Rec A 激活 Rec A 与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质 紫外线

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 1. 真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组 DNA 约 3 × 10 9 bp 编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% -10%

2. 单顺反子 3. 重复序列 4. 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。 3. 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 4. 基因不连续性

真核生物结构基因 由外显子（编码序列)和内含子（非编码序列)两部分组成.编码序列不连续，称为断裂基因（interrupted gene） intron exon mRNA前体 DNA 成熟mRNA RNA剪接

内含子的 5′端以GT开始， 3′端以AG结束。 真核基因中RNA剪接的识别信号 5′ 3′ exon3 exon1 exon2 GT AG GT AG 内含子的 5′端以GT开始， 3′端以AG结束。 intron1 intron2

图 9-10　真核生物基因表达调控的可能环节

二、真核基因表达调控特点 1. RNA聚合酶 2. 活性染色体结构变化 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 3. 正性调节占主导 4. 转录与翻译分隔进行 5. 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 3. 正性调节占主导 4. 转录与翻译分隔进行 5. 转录后修饰、加工

三、真核基因转录激活调节 1. 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

顺式作用元件 结构基因 -GCGC---CAAT---TATA 增强子 GC盒 CAAT盒 TATA盒 转录起始 真核生物启动子保守序列

TATA盒

－35

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。

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。

2. 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。

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）

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

三个锌指的蛋白和DNA结合的晶体结构示意图： 每个锌指的N端形成β折叠，C端形成α螺旋 三个α螺旋恰好等于DNA大沟的一圈

② α-螺旋 常结合CAAT盒

③ 亮氨酸拉链：leucine zipper 一种特殊的α螺旋，疏水氨基酸集中排列在螺旋的一侧，疏水表面是两个蛋白质分子构成二聚体的接触点 α螺旋的特点是Leu频繁出现，每7个aa残基中出现一个，延α螺旋的疏水侧排列成直线 与Leu重复区相邻的是碱性氨基酸含量较高的DNA结合区。形成二聚体时该碱性区对DNA的亲和力较高

（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。

小 节 原核与真核生物基因 表达调控机制具有惊人的相似性 共同的起源与共同的分子基础 核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 调控机理上 小 节 原核与真核生物基因 表达调控机制具有惊人的相似性 共同的起源与共同的分子基础 核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白质分子间的互作 调控机理上 transcriptional level post—transcriptional level translational level post—translational level 调控层次上

转录水平上的调控是最为经济, 灵活，又是最为重要，复杂的调控 ● 在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 ● 精细调节基因表达的水平, 以保证生物体对环境的适应 ● cis factor & trans factor 间严格而又灵活的互作 ● 保证RNA polymerase 的进行式转录（不中断，准确终止）

思 考 题 1. 何为基因(gene)、基因组（genome）和基因表达（gene expresstion）. 2. 原核生物基因组有什么特点，表达调控有什么特点？ 3. 真核生物基因组有什么特点，表达调控又有什么特点？ 4. 何为组成性基因表达(constitutive gene expression)，何为诱导表达（inductive expression）。 5. cAMP在生物体内有什么作用。 6.乳糖操纵子（lac operon）的结构是什么，其调控机理如何？ 7.色氨酸操纵子（trp operon）的结构是什么，其调控机理如何？真核生物会出现类似的调控机现吗，为什么？ 8.什么是衰减子（attenuator）？其结构上有什么特点？ 9.基因的表达有哪几个水平？涉及到哪些作用？主要在哪一级上进行调控？为什么？

10.何为反义RNA（anti-sense RNA），它在基因工程上有会么应用？ 11. 锌指（ zinc finger）结构和 α-螺旋结构有什么特点？ 12.比较原核生物与真核生物在基因表达调控上的主要特征及差异。 13.何为持家基因（house-keeping gene）,何为奢侈基因(luxury gene)? 14.何为SOS反应(SOS response)