基因结构和表达调控 Gene Structure and Expression 目 录

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 目 录

基　因　组　学 Genomics

基因组学概念及范畴 基因组(genome) 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。 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3个不同的亚领域 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics) 基因组学概念

*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包括以下研究内容 （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 目 录

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)。 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

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)。

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)。

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

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 转录后加工 mRNA降解 转录起始 蛋白质降解等 蛋白质翻译 翻译后加工修饰

（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 -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。

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 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

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（代谢产物激活蛋白）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 （二）阻遏蛋白的负性调节 pol 与操纵序列结合，RNA 聚合酶则不起作用，不转录 阻遏基因 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

（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)。

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 （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）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 （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 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

2. 增强子(enhancer) 3. 沉默子(silencer) 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。

（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

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

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。