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

本章主要内容 基本概念与原理 原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控

第一节 基因表达调控基本概念与原理 一、 基因表达的概念 二、 基因表达的特异性 三、 基因表达的方式 四、 基因表达调控的生物学意义 第一节 基因表达调控基本概念与原理 一、 基因表达的概念 二、 基因表达的特异性 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 基因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。 基因表达产物 各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)以及蛋白质、多肽。

二、基因表达的特异性 （一）时间特异性 （二）空间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称阶段特异性。 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为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 在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 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 在特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加。 阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少。

（三）协调表达 协调表达 在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。

四、基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化 （二）维持个体生长、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 原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。 操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。

操纵子 调节序列 启动序列 操纵序列 编码序列 表达 转录 编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因； 多顺反子mRNA 调节序列 启动序列 操纵序列 编码序列 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 多顺反子mRNA 编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因； 多顺反子mRNA 由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个mRNA, 翻译生成多个蛋白质,称此为多顺反子mRNA.

原核生物的启动序列，在距离转录起始点－10区和－35区往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 原核生物的共有序列 原核生物的启动序列，在距离转录起始点－10区和－35区往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 －10区：含TATAAT序列，又称Pribnow盒。 －35区：含TTGACA序列。 RNA聚合酶结合部位 决定转录起始点

真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异DNA序列，称为顺式作用元件。 顺式作用元件能够被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 是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件（包括转录起始点以及典型的TATA盒）。 （2）增强子 是增强启动子转录活性的DNA序列，并决定组织特异性表达。 （3）沉默子 能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，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； (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； （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聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录。（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：DNA-蛋白质 共调节因子：蛋白质-蛋白质

（1）基本转录因子 （参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子） TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I等。 是指能够直接或间接与启动子核心序列TATA盒特异结合、并启动转录的一类调节蛋白。 （参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子） 真核生物 RNA聚合酶Ⅱ（ RNApol Ⅱ ）识别启动子所需的转录因子（TFⅡ）有多种亚类： TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I等。 其中TFⅡD最先、最直接与启动子TATA盒结合的转录因子，然后按一定时空顺序依次结合RNApol Ⅱ和其他转录因子，形成一个转录前起始复合物（PIC）。

转录前起始复合体的组装（PIC) 转录前起始复合物（PIC）

(2) 转录调节因子 这类调经蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列和远端的增强子元件，通过DNA－蛋白质相互作用而调节转录活性。 起激活转录作用——转录激活因子； 阻遏转录作用——转录阻遏因子。 （3） 共调节因子 首先与转录因子或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，以调节转录活性。 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。 锌指结构 亮氨酸拉链结构

(三) RNA聚合酶 1. 启动子与RNA聚合酶活性 启动子核苷酸序列影响与RNA聚合酶的亲和力。 2. 调节蛋白与RNA聚合酶的活性 调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白 质相互作用影响RNA酶活性。

六、基因表达的多级调控 基因结构活化 转录水平 转录起始 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 I 阻遏蛋白 无乳糖存在时，结构基因受阻遏

有乳糖存在时，结构基因表达

（二） CAP的正性调节作用 -G, +Lac cAMP -G, -Lac ② ① ＋G, -Lac +G, +Lac ④ ③ RNA聚合酶 阻遏蛋白 CAP 启动序列 CAP位点 操纵序列 mRNA 5' 2 ＋G, -Lac +G, +Lac ④ ③ 无葡萄糖，无乳糖 ② 无葡萄糖，有乳糖 ③ 有葡萄糖，无乳糖 ④ 有葡萄糖，有乳糖

当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时 细胞中cAMP浓度降低 缺乏乳糖与阻遏蛋白结合 阻遏蛋白的负性调节 CAP失活 阻抑蛋白与操纵基因结合 CAP及RNA聚合酶不能与启动基因结合 基因转录被阻遏

当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时 细胞中cAMP浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMP与CRP结合并使之激合 CAP的正性调节 促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRP与启动基因结合并促使 RNA聚合酶与启动基因结合 基因转录激活

二、色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸操纵子（trp operon）： 阻遏型操纵子； 主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。 当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放； 而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。

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 阻遏蛋白 衰减子 P 前导trpL trpR trpE trpD O trpE trpD trpC trpB trpA 调控区 mRNA 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 衰减子 Trp 有活性 色氨酸的负性调控作用 阻遏蛋白 mRNA 前导序列（L） trpR P O trpE trpD trpC trpB trpA 调节区 （结构基因关闭） 衰减子 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“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 Trp密码子 DNA MKAIFVLKGWWRTS 前导肽 4 RNA聚合酶 3 1 2 5' UUUU 3' mRNA 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） 结构基因进行多顺反子转录 4） 阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性

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 单拷贝重复序列 反向重复序列（回文序列）

重复数百万次，序列简单序列，不到10bp;称为卫星DNA； 1. 高度重复序列 重复数百万次，序列简单序列，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TBP、TFⅡD等各种通用转录因子形成转录前复合体（PIC），从而激活或抑制RNA的转录。

聚合酶Ⅱ转录前起始复合体的组装

聚合酶Ⅱ转录起始复合体的组装

（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 .