1、第十六章第十六章 基因表达调控基因表达调控 （Regulation of Gene Expression）本章主要内容本章主要内容v 基本概念与原理基本概念与原理v 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控v 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理 一、一、基因表达的概念基因表达的概念 二、二、基因表达的特异性基因表达的特异性 三、三、基因表达的方式基因表达的方式 四、四、基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 五、五、基因转录激活调节的基本要素基因转录激活调节的基本要素 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因表
2、达基因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过息经过转录及翻译转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。基因表达产物基因表达产物 各种各种RNA(tRNARNA(tRNA、mRNAmRNA和和rRNA)rRNA)以及蛋白质、多肽。以及蛋白质、多肽。二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性（一）时间特异性（一）时间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称应，又称阶段特异性阶段特异性。（二）空
3、间特异性（二）空间特异性 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为又称为细胞特异性细胞特异性或或组织特异性组织特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达 管家基因管家基因 在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体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。的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达组成性基因表达 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。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
4、达（二）诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达 在特定环境信号刺激下，基因表现为在特定环境信号刺激下，基因表现为开放开放或或增强增强，表达表达产物增加产物增加。阻遏表达阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被在特定环境信号刺激下，基因被抑制抑制，从，从而使表达而使表达产物减少产物减少。（三）协调表达（三）协调表达 协调表达协调表达 在一定机制控制下，功能相关的一组基在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。因，协调一致，共同表达。四、基因表达调控的生物学意义四、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（一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（二）维持个体生长、发育（二
5、）维持个体生长、发育 五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素 （一）（一）特异特异DNADNA序列序列 （二）（二）调节蛋白调节蛋白 （三）（三）RNA RNA聚合酶聚合酶1.1.原核生物的特异原核生物的特异DNADNA序列序列 2.2.原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。制实现的。操纵子操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（是由功能上相关联的多个编码序列（2 2个以上）个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和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节序列）等成簇
6、串联在一起，构成的一个转录协调单位。调单位。（一）特异（一）特异DNADNA序列序列 操纵子操纵子调节序列调节序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列编码序列 表达表达 转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位 编码序列编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因；规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子多顺反子mRNAmRNA 由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个录生成一个mRNA,mRNA,翻译生成多个蛋白质翻译生成多个蛋白质,称此为多顺反子称此为多顺反子m
7、RNA.mRNA.多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白 原核生物的共有序列原核生物的共有序列 原核生物的启动序列，在距离转录起始点原核生物的启动序列，在距离转录起始点10区和区和35区往区往往含有一些重要的往含有一些重要的保守序列（共有序列）保守序列（共有序列）。10区区：含：含TATAAT序列，又称序列，又称Pribnow盒盒。35区区：含：含TTGACA序列。序列。RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位 决定转录起始点决定转录起始点2.2.真核生物的特异真核生物的特异DNADNA序列序列3.3.真核生物基因组中含有可以调控自身基因真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的
8、特异表达活性的特异DNADNA序列，称为序列，称为顺式作用元件顺式作用元件。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。结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子 顺式作用元件顺式作用元件又分又分 增强子增强子 沉默子沉默子（1）启动子启动子 是是RNARNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件（控组件（包括转录起始点以及典型的包括转录起始点以及典型的TATATATA盒盒）。）。（2 2）增强子）增强子 是增强启动子转录活性的是增强启动子转录活性的DNADNA序列，并决定组序列，并决定组织特异性
9、表达。织特异性表达。（3 3）沉默子）沉默子 能够对基因转录起阻遏作用的能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于片段，属于负性调控元件。负性调控元件。（二）调节蛋白（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白原核生物的调节蛋白（3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNARNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(RNARNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；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由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 与启动子上游与启动子上游DNADNA序列结合，促进序列结
10、合，促进RNARNA聚合酶与启动序列聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录。（结合，促进基因转录。（CAPCAP分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白）2.2.真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白 反式作用因子反式作用因子 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，统称为控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式作用因子反式作用因子。按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类：（基本）转录因子（基本）转录因子 转录调节因子：转录调节因子：DNA-蛋白质蛋白质 共调节因子：蛋白质共调节因子：蛋白质-蛋白质蛋白质（1 1
11、）基本）基本转录因子转录因子 是指能够直接或间接与启动子核心序列是指能够直接或间接与启动子核心序列TATATATA盒特异结合、盒特异结合、并启动转录的一类调节蛋白。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）真核生物真核生物 RNA RNA聚合酶聚合酶（RNApol RNApol ）识别启动子所需）识别启动子所需的转录因子（的转录因子（TFTF）有多种亚类：）有多种亚类：TFATFA，TFBTFB，TFDTFD，TFETFE，TFFTFF，TF-ITF-I等。等。其中其中TFDTFD最先、最直接与启动子最先、最直接与启动子T
12、ATATATA盒结合的转录因盒结合的转录因子子，然后按一定时空顺序依次结合，然后按一定时空顺序依次结合RNApol RNApol 和其他转录因子，形成一个和其他转录因子，形成一个转录前起始复合物（转录前起始复合物（PICPIC）。）。转录前起始复合体的组装（转录前起始复合体的组装（PIC)转录前起始复合物（转录前起始复合物（PICPIC）(2)(2)转录调节因子转录调节因子 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，通过和远端的增强子元件，通过DNADNA蛋白质相互作用而调节转录蛋白质相互作用而调节转录活性。活性。起激活
13、转录作用起激活转录作用转录激活因子；转录激活因子；阻遏转录作用阻遏转录作用转录阻遏因子。转录阻遏因子。（3 3）共调节因子共调节因子 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。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如果与转录激活因子有协同作用共激活因子；共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。共阻遏因子。反式作用因子的特殊功能域反式作用因子的特殊功能域 DNADNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。结合域；转录激活域；结合其他
14、蛋白质的功能域。锌指结构锌指结构 亮氨酸拉链结构亮氨酸拉链结构 (三三)RNA)RNA聚合酶聚合酶 1.1.启动子与启动子与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 启动子核苷酸序列启动子核苷酸序列影响与影响与RNARNA聚合酶的亲和力。聚合酶的亲和力。2.2.调节蛋白与调节蛋白与RNARNA聚合酶的活性聚合酶的活性 调节蛋白通过调节蛋白通过DNA-DNA-蛋白质蛋白质相互作用、相互作用、蛋白质蛋白质-蛋白蛋白质质相互作用影响相互作用影响RNARNA酶活性。酶活性。六、基因表达的多级调控六、基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录水平转录水平 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 转录后水
15、平转录后水平 转录产物的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 第二节第二节 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因(S)操纵序列（操纵序列（O）启动序列（启动序列（P P）调节基因调节基因（I）CPA 乳糖操纵子结构基因表达产物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（一）阻遏蛋白的负性调节作用I I阻遏蛋白阻遏蛋白 无乳糖存在时，结构基因受阻遏无乳糖存在时，结构基因受阻遏 有乳糖存在时，结构基因表达有乳糖存在时，结构基因表达2CAPCAPCAP位点位点-
16、G,-Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白 操纵序列操纵序列 -G,+LacRNA聚合酶聚合酶 无葡萄糖，无乳糖无葡萄糖，无乳糖 无葡萄糖，有乳糖无葡萄糖，有乳糖 有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，无乳糖 有葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，有乳糖 启动序列启动序列cAMPmRNA 5（二）（二）CAP CAP的正性调节作用的正性调节作用 G,-Lac +G,+LacG,-Lac +G,+Lac当培养基中当培养基中乳糖浓度降低乳糖浓度降低而而葡萄糖浓度升高葡萄糖浓度升高时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度降低浓度降低 缺乏乳糖与阻遏蛋白结合缺乏乳糖与阻遏蛋白结合 CAPCAP失活失活 阻抑蛋白与操纵基因结合阻抑蛋白与操纵
17、基因结合 CAPCAP及及RNARNA聚合酶不能与启动基因结合聚合酶不能与启动基因结合 基因转录基因转录被阻遏被阻遏 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当培养基中当培养基中乳糖浓度升高乳糖浓度升高而而葡萄糖浓度降低葡萄糖浓度降低时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMPcAMP与与CRPCRP结合并使之激合结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRPCRP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使RNARNA聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合 基因转录基因转录激活激活 CAPCA
18、P的正性调节的正性调节二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 v色氨酸操纵子色氨酸操纵子（trp operon）：v阻遏型操纵子；阻遏型操纵子；v主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白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。的转录合成。v当细胞内当细胞内缺乏缺乏色氨酸时，此操纵子色氨酸时，此操纵子开放开放；v而当细胞内合成的色氨酸而当细胞内合成的色氨酸过多过多时，此操纵子被时，此操纵子被关闭关闭。O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （无活性无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导trpL衰减子衰减子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区二
19、、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸合成的酶蛋白色氨酸合成的酶蛋白O 阻遏蛋白阻遏蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导序列（前导序列（L L）衰减子衰减子（结构基因关闭结构基因关闭）调节区调节区 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。结构，对转录进行更精细的调控。色氨酸的负性调控作用色氨酸的负性调控作用 有活性有活性TrpTrp操纵子的操纵子的trpEtrpE基因基因5 5端端“前导序列前导序列”衰减子衰减子 结构结构 10、11前导肽前导肽核蛋白体核蛋
20、白体衰减子结构衰减子结构RNA聚合酶聚合酶5mRNATrp密码子密码子1234UUUU 3DNADNA前导肽前导肽51234Trp结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶 Trp操纵子的转录衰减机制操纵子的转录衰减机制三、原核生物基因表达调控的特点三、原核生物基因表达调控的特点 主要在转录水平进行调节主要在转录水平进行调节1 1）因子的特异启动作用因子的特异启动作用 2 2）操纵子调控机制具有普遍性操纵子调控机制具有普遍性3 3）结构基因进行多顺反子转录结构基因进行多顺反子转录4 4）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控一、真核生
21、物基因组特点一、真核生物基因组特点（一）（一）基因组结构庞大基因组结构庞大 人类的单倍体基因组由人类的单倍体基因组由 3X10 3X109 9 的核苷酸组成，的核苷酸组成，含有大约含有大约2.6 2.6 3.93.9万个基因。万个基因。（二）（二）形成染色体结构形成染色体结构 真核生物的基因组是以真核生物的基因组是以DNADNA和蛋白质结合形成染和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。色体结构形式而存在于细胞核。（三）（三）单顺反子单顺反子 真核基因的转录产物一般是单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子 。单顺反子单顺反子 一个编码基因转录生成一个一个编码基因转录生成一个mRNAmRN
22、A分子，并指导翻译一条分子，并指导翻译一条多肽链。多肽链。（四）（四）重复序列重复序列 真核生物基因普遍存在重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，根据重复频率不同，分为以下分为以下3 3类：类：高度重复序列高度重复序列 中度重复序列中度重复序列 单拷贝重复序列单拷贝重复序列 反向重复序列（回文序列）反向重复序列（回文序列）1.1.高度重复序列高度重复序列 重复数百万次，序列简单序列，不到重复数百万次，序列简单序列，不到10bp;10bp;称为卫星称为卫星DNADNA；2.2.中度重复序列中度重复序列 重复上千次，序列由几百个重复上千次，序列由几百个bpbp构成；构成；3.3
23、.单拷贝序列单拷贝序列 只出现只出现1 1次或几次。真核生物极大多数为单一基因；次或几次。真核生物极大多数为单一基因；4.4.反向重复序列反向重复序列5.5.是指在是指在DNADNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：6.6.“CGTACCCGTACC-/-/-CCATGCCCATGC-”,-”,又称又称“回文结构回文结构”。（五）断裂基因（五）断裂基因 外显子外显子 具有实际编码意义的结构基因序列；具有实际编码意义的结构基因序列；内含子内含子 不具有编码意义的碱基序列不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列。，又称插入序列。（六）大多数为非编码区（
24、六）大多数为非编码区（95左右左右）（一）（一）DNADNA、染色体水平的变化特点、染色体水平的变化特点二、真核基因二、真核基因表达表达调控的特点调控的特点 1 1对核酸酶极度敏感对核酸酶极度敏感2 2DNADNA拓朴结构变化拓朴结构变化 天然双链天然双链DNADNA几乎均以负性超螺旋构象存在。几乎均以负性超螺旋构象存在。当基因激活后，则转录区前方的当基因激活后，则转录区前方的DNADNA拓朴结构变为拓朴结构变为正性超螺旋，有利于正性超螺旋，有利于RNARNA聚合酶向前移动，进行转聚合酶向前移动，进行转录。录。3.DNA3.DNA甲基化甲基化 DNA DNA甲基化程度与基因表达呈反比。甲基化程
25、度与基因表达呈反比。4 4染色体结构的变化染色体结构的变化 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。体结构改变，使核小体不稳定性增加。（二）（二）RNARNA聚合酶、聚合酶、mRNAmRNA的转录激活及调节的转录激活及调节 真核生物有真核生物有3 3种种RNARNA聚合酶：聚合酶：RNA polRNA pol、。每种每种RNARNA聚合酶有约聚合酶有约1010个亚基组成，其中个亚基组成，其中TATATATA盒结合蛋白盒结合蛋白（TBPTBP）为）为3 3种酶共有。种酶共有。RNA polRNA pol对催化对催化mRNA
26、mRNA的生成起主要作用。转录前的生成起主要作用。转录前RNA RNA polpol必须与必须与TBPTBP、TFTFDD等各种通用转录因子等各种通用转录因子形成转录前形成转录前复合体（复合体（PICPIC），从而激活或抑制），从而激活或抑制RNARNA的转录。的转录。聚合酶聚合酶转录前起始复合体的组装转录前起始复合体的组装聚合酶聚合酶转录起始复合体的组装转录起始复合体的组装（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，真核基因一般都处于阻遏状态，RNARNA聚合酶对启动子的亲聚合酶对启动子的亲和力很低。和力很低。通过利用各种转录因子正性激活通过利用各种转录因子正性激活
27、RNARNA聚合酶是真聚合酶是真核基因调控的主要机制。核基因调控的主要机制。采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节不经济采用负性调节不经济（四）转录和翻译过程分开进行（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（转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞核与胞浆胞浆），可分别进行调控。），可分别进行调控。（五）转录后加工（五）转录后加工 真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子一起被转录。一起被转录。转录后产物（转录后产物（hnRNAhnRNA）经剪接、加帽、加尾）经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的等加工修饰，才能转变为成熟的mRNAmRNA.
