1、目目 录录中心法则与操纵子中心法则与操纵子目目 录录第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle目目 录录一、基因表达的概念一、基因表达的概念*基因基因（gene）是遗传的基本单位，含有编码一种是遗传的基本单位，含有编码一种RNA，大多数情况是，大多数情况是编码一种多肽的信息单位。编码一种多肽的信息单位。*cDNA(complementary DNA)cDNA(complementary DNA)是人为地由是人为地由mRNAmRNA反转录而得反转录而得,与与mRNAmRNA序列互补的序列互补的DNADNA。*基因组基因组(genom
2、e)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。因。目目 录录*基因表达基因表达(gene expression)就是基因转录、翻译，生成具有生就是基因转录、翻译，生成具有生物学功能的产物的过程。物学功能的产物的过程。基因表达是受调控的基因表达是受调控的 rRNA、tRNA编码基因转录产生编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。目目 录录二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表格
3、按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的达的时间特异性时间特异性(temporal specificity)。例。例如如AFPAFP 多细胞生物基因表达的时间特异性又多细胞生物基因表达的时间特异性又称称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)。目目 录录目目 录录（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分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的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体
4、生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。例如胰岛素。例如胰岛素目目 录录目目 录录三、基因表达的方式三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（一）组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞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 为中持续表达，通常被 称 为 管 家 基 因管 家 基 因(housekeeping gene)。目目 录录无论表达
5、水平高低，管家基因较少受无论表达水平高低，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，这类基因表变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被称为达被称为组成性基因表达组成性基因表达(constitutive gene expression)。目目 录录（二）诱导和阻遏表达（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，这种基因称为活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱可诱导基因导基因。可诱导基因
6、在特定环境中表达增强的过可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为程，称为诱导诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。目目 录录在一定机制控制下，功能上相关的一在一定机制控制下，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，即为协调一致、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)，这种调节称为这种调节称为协调
7、调节协调调节(coordinate regulation)。目目 录录四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。目目 录录（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在
8、多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。目目 录录第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation目目 录录一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录
9、后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始目目 录录二、基因转录激活调节基本要素二、基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外生物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及，以及细胞内所存在的转录细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列序列 指具有调控功能的指具有调控功能的DNA序列序列 目目 录录原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启
10、动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)目目 录录是是RNA聚合酶结合并启动转聚合酶结合并启动转录的特异录的特异DNA序列。序列。1.启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列目目 录录共有序列共有序列(consensus sequence)决决定启动序列的转
11、录活性大小。定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）某些特异因子（蛋白质）决定决定RNA聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。特异性识别和结合能力。目目 录录2.操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍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，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白目目 录录真核生物真核生物顺式作用元件
12、顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的聚合酶或特异转录因子的结合位点。结合位点。目目 录录 是指能直接或间接作用于特异是指能直接或间接作用于特异DNA 序列的蛋白质因子序列的蛋白质因子 1.原核生物调节蛋白分为三类：原核生物调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白特异因子、阻
13、遏蛋白和激活蛋白。特异因子：特异因子：决定决定RNA聚合酶对一个或一套聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：可结合操纵序列，阻：可结合操纵序列，阻 遏基因转录。遏基因转录。（二）调节蛋白（二）调节蛋白目目 录录激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻可结合启动序列邻近的近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序聚合酶与启动序列的结合，增强列的结合，增强RNA聚合酶活性。如聚合酶活性。如分解分解物基因激活蛋白物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein,
14、CAP)。有些基因在没有激活蛋白存在时，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。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。目目 录录2.真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列基因的调节序列，调节自身基因的表达，称调节自身基因的表达，称顺式作用顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通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。用，调节其表达。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)这
15、种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。又称为转录因子又称为转录因子(transcription factor)目目 录录cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA目目 录录DNA-蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用指的是反式或指的是反式或顺式作用因子与顺式作用元件之间的特异顺式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合，识别及结合，形成形成DNA-蛋白质复合物蛋白质复合物。通常是非共价结合，被识别的通常是非共价结合，被识别的DNA结结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。合位点通常呈对称、或不完全对称结构。例如例如SP1
16、GGGACCC（三）（三）DNA-蛋白质蛋白质 蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质的相互作用的相互作用目目 录录 大多数调节蛋白单体形式不能结合大多数调节蛋白单体形式不能结合DNA序序列，也有一些调节因子不能直接结合列，也有一些调节因子不能直接结合DNA序序列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，列，故需要通过蛋白质蛋白质相互作用，才能调节基因转录。才能调节基因转录。最常见的作用形式是二聚化最常见的作用形式是二聚化(dimerization)即两分子单体通过一定结构域结合成二聚即两分子单体通过一定结构域结合成二聚体体(dimer),分为同源二聚体分为同源二聚体(homodimer)和异和异源二聚体源二聚体
17、(heterodimer)。也有多聚化(polymer)目目 录录 蛋白质蛋白质相互作用蛋白质蛋白质相互作用结果结果:有些有些增强增强与与DNA结合能力，有些结合能力，有些丧失丧失DNA结合能力，有结合能力，有些不能直接结合些不能直接结合DNA的蛋白质可通过相互作的蛋白质可通过相互作用间接结合用间接结合DNA调节基因转录。调节基因转录。目目 录录（三）（三）RNA聚合酶聚合酶1.原核启动序列原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合聚合酶活性酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。2.调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环
18、境信号刺激一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋蛋白质相互作用影响白质相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。目目 录录第第 三三 节节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Prokaryotic Gene Expression目目 录录调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一）（一）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的
19、普遍性目目 录录Inhibitor genePZYZ启动子启动子结构基因结构基因1，2，3.O操纵基因PromoterOperator geneStructure gene调控区调控区结构基因结构基因 操纵子操纵子表达阻遏蛋白 结合RNA聚合酶聚合酶 结合阻遏蛋白蛋白表达功能蛋白功能蛋白?I阻遏物基因操纵子(operon)的结构与功能二、原核生物转录起始调节二、原核生物转录起始调节目目 录录（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移
20、酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在时有葡萄糖存在时1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因（二）乳糖操纵子的调节机制（二）乳糖操纵子的调节机制目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白无葡萄糖存在时无葡萄糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶目目 录录+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2.CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目目 录录3.协调调节协调调
21、节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。目目 录录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡
22、萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO目目 录录 细菌优先利用细菌优先利用葡萄糖葡萄糖作为能源作为能源 有葡萄糖：有葡萄糖：cAMPCAP无活性无活性不促进转录不促进转录无葡萄糖：无葡萄糖：cAMPCAP有活性有活性促进转录促进转录目目 录录乳糖操纵子调控方式的比较乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白 阻遏蛋白 CAP变构物 别乳糖，乳糖 cAMP与变构物结合 无活性 有活性基因位点 O基因 CAP位点结合于基因位点 基因关闭 基因开放目目 录录三、原核生物转录终止调节三、原核生物转录终止调节（一）大肠杆菌转录终止机制（一）大肠
23、杆菌转录终止机制1.不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止 （1）RNA单链内部接近终止区域有富含单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构。配对区，形成稳定的二级结构。茎环茎环（stemloop）或）或发夹发夹（hairpin）结构）结构（2）在）在发夹结构发夹结构的下游有的下游有poly U结构结构。目目 录录2.依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止功功能能v 识别结合识别结合富含富含C的的RNA链链v ATPase活性活性v 解螺旋酶活性解螺旋酶活性 因子因子与新合成的与新合成的RNA单链单链poly C结合，促进转录产物从转录复合物中释结合，促进转录产物从转录复合物中
24、释放出来，终止转录。放出来，终止转录。目目 录录 转录终止也可在距转录起始点较近的位置转录终止也可在距转录起始点较近的位置(约约几百几百bp)发生，阻止下游基因的转录。这种过发生，阻止下游基因的转录。这种过早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存在两种早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存在两种终止调节方式，一种为衰减终止调节方式，一种为衰减(attenuation)，另，另一种为抗终止。前者导致一种为抗终止。前者导致RNA链的过早终止，链的过早终止，后者则阻止前者的发生，使下游基因得以表达。后者则阻止前者的发生，使下游基因得以表达。（二）转录衰减（二）转录衰减目目 录录四、原核生物翻译水平调节四、原核
25、生物翻译水平调节（一）蛋白质分子的自我调节（一）蛋白质分子的自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身，抑制自身的合成，因而这种调节方式称的合成，因而这种调节方式称自我控制自我控制(autogenous control)。目目 录录（二）反义（二）反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用 某些某些RNA分子也可调节基因表达，这种分子也可调节基因表达，这种RNA成为成为调节调节RNA。细菌中的反义细菌中的反义RNA含有与特定含有与特定
26、mRNA翻译起翻译起始部位互补的序列，通过与始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断小亚杂交阻断小亚基对起始密码子的识别及与基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑序列的结合，抑制翻译起始。这种调节成为反义控制制翻译起始。这种调节成为反义控制(antisense control)。目目 录录第第 四四 节节 真核基因表达调节真核基因表达调节Regulation of Eukaryotic Gene Expression目目 录录一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编
27、码基因编码基因约约 有有 40000 个个，占总长的占总长的6%rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5%10%目目 录录（二）单顺反子（二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)即一个编码基因转录生成一个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。分子，经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列（三）重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列目目 录录 还有一种重复序列是由两个互补序列、在同还有一种重复序列是由两个互补序列、在同一一DNA链
28、上反向排列而成，称为链上反向排列而成，称为反转重复序列反转重复序列(inverted repeat)。卫星。卫星DNA(satellite DNA),可可做为很好的遗传标记。做为很好的遗传标记。内含子（内含子（intron）与外显子（）与外显子（exon）相）相间排列间排列,因此真核基因是不连续的。因此真核基因是不连续的。（四）基因不连续性（四）基因不连续性目目 录录二、真核基因表达调控特点二、真核基因表达调控特点（一）（一）RNA聚合酶聚合酶 细菌细菌的的RNA聚合酶识别的是聚合酶识别的是一段一段DNA顺序顺序，而而真核生物真核生物RNA聚合酶识别的不单是聚合酶识别的不单是DNA顺序，顺序，
29、而是而是DNA-蛋白质复合物蛋白质复合物，即只有当一个或多个，即只有当一个或多个转录因子（转录因子（transcription factor，TF）结合到）结合到DNA上，形成有功能性的启动子时，才能被上，形成有功能性的启动子时，才能被RNA聚合酶分子识别、结合。聚合酶分子识别、结合。目目 录录（二）活性染色体结构变化（二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均均以负性超螺旋构象存在；以负性超螺旋构象存在；负性超螺旋变成正性超螺旋，阻
30、碍核小负性超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小体形成，组蛋白解聚。体形成，组蛋白解聚。目目 录录基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。目目 录录4.组蛋白变化组蛋白变化使核小体结构变松弛使核小体结构变松弛 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露目目 录录组蛋白组蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基
31、位点修饰类型修饰类型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色质浓缩染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙酰化乙酰化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙酰化乙酰化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-12乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-16乙酰化乙酰化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙酰化乙酰化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
32、 目目 录录（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导1.采用正性调节机制更精确采用正性调节机制更精确2.采用负性调节不经济采用负性调节不经济目目 录录（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工目目 录录真核细胞内含有多种真核细胞内含有多种RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNA pol I、II及及 III，分别负责三种，分别负责三种RNA转录。转录。目目 录录三、三、RNA pol 和和 pol 的转录调节的转录调节 （一）（一）RNA pol 转录体系的控制转录体系的控制 人人rRNA前体基因的启动子只有两个元
33、件前体基因的启动子只有两个元件：核心元件（核心元件（core element）：）：位于转录起始位于转录起始点附近（点附近（-45+20bp），它的存在足以起始），它的存在足以起始转录；转录；上游控制元件（上游控制元件（upstream control element,UCE）：）：位于起始点上游位于起始点上游-156-107bp，可，可大大提高转录起始效率。大大提高转录起始效率。目目 录录 RNA pol需需两种转录因子两种转录因子来正确有效来正确有效的帮助起始转录的帮助起始转录：上游结合因子上游结合因子1（upstream binding factor 1,UBF1）：既能与）：既能与UC
34、E结合又能与核心元件特异结合又能与核心元件特异结合。结合。选择性因子选择性因子1（selectivity factor 1,SL1）：继）：继UBF1后与两个元件结合，结合无序列特异性，后与两个元件结合，结合无序列特异性，可能与蛋白质间的相互作用有关。可能与蛋白质间的相互作用有关。目目 录录（二）（二）RNA pol 转录体系的控制转录体系的控制 RNA pol 转录多种转录多种RNA的基因，这里的基因，这里主要讨论主要讨论 tRNA和和5S rRNA基因基因的转录调节。的转录调节。这两类基因结构方面颇具特色，其启动这两类基因结构方面颇具特色，其启动子位于转录起始点下游即转录区内，称子位于转录
35、起始点下游即转录区内，称内部内部控制区（控制区（internal control regions,ICR）。目目 录录tRNA基因的基因的ICR：由由A盒盒（TGGCNNAGTGG）和）和B盒盒（GGTTCGANNCC）两个两个元件组成。元件组成。RNA pol 转录起始需两种转录因子转录起始需两种转录因子TFC和和TFB。5S rRNA的转录起始需三种转录因子，的转录起始需三种转录因子，除上述两种外，尚需除上述两种外，尚需TFIIIA 目目 录录三、三、RNA pol 转录起始的调节转录起始的调节 RNA pol II转录生成所有转录生成所有mRNA前前体及大部分体及大部分snRNA。真核生
36、物基因表达在转录水平上的调控，真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各级调控中最重要的一步，主要涉及是各级调控中最重要的一步，主要涉及RNA聚合酶，顺式作用元件聚合酶，顺式作用元件和和反式作用因子反式作用因子三种三种因素的相互作用。因素的相互作用。目目 录录真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶转录的转录的基因结构与功能基因结构与功能 其他调其他调控元件控元件增强子增强子或或 沉默子沉默子CAAT盒盒 GC盒盒 TATA 盒盒结构基因结构基因+1调节调节基因表达水平基因表达水平决定基因表达的决定基因表达的时空特异性等。时空特异性等。激素，金属离子，激素，金属离子，小分子化合物等小分子化合物等反应元
37、件。反应元件。决定基因决定基因表达的基表达的基础水平础水平 与与RNA poly II 结合，决定转录结合，决定转录起始点的精确定位起始点的精确定位使转录使转录增强增强或或减弱减弱维持维持基本基本的表达水平的表达水平目目 录录1.启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合聚合酶结合位点周围的一组转录控制酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个组件，至少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上以及一个以上的的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒确保转录精确而有效地起始的确保转录精确而有效地起始的DNA序列序列（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件目目 录录目目 录录
38、 GC盒盒 TATA 盒盒结构基因结构基因+1 决定基因表决定基因表达的基础水平达的基础水平 与与RNA poly II 结合，决定转结合，决定转录起始点的精录起始点的精确定位。确定位。CAAT盒盒 上游启动子序列（上游启动子序列（UPS）-25-35-70-80-110目目 录录 能增强启动子活性的能增强启动子活性的DNA序列序列。特点：特点：1.能能远距离远距离增强启动子的活性；增强启动子的活性；2.在启动子的上游和下游均起作用；在启动子的上游和下游均起作用；3.无无方向性；方向性；4.对启动子的影响对启动子的影响无无严格的专一性。严格的专一性。作用机理：作用机理：目前已知目前已知增强子增
39、强子与蛋白质与蛋白质因子结合后能改变因子结合后能改变染色质的结构染色质的结构。含义：含义：2.增强子增强子(enhancer)目目 录录3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。作用。目目 录录（二）反式作用因子（二）反式作用因子 1.转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因
40、子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。目目 录录特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定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。该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子目目 录录2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目目 录录最常见的最常见的DNA结合域
41、结合域 1.锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒目目 录录ZnCysHis目目 录录 锌指的锌指的N-端端部分形成部分形成折叠折叠结构，结构，C-端端部分形成部分形成螺旋螺旋结构。结构。每个每个螺旋有两处识别特异的螺旋有两处识别特异的DNA序列；序列；3个个螺旋结构与一个螺旋结构与一个DNA双螺旋的深沟（双螺旋的深沟（major groove）结合，调控结合，调控RNA的转录。的转录。目目 录录N NC C锌指N NC C目目 录录 2.螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）HTH的基本结构基本结构含有两个螺旋,螺旋之间有
42、一个转角,约有60个氨基酸。其中一个螺旋(羧基端)识别识别特异的顺式作用元件上的DNA序列，另一个螺旋(氨基端)则结合结合在DNA上，调控基因的转录。目目 录录3.亮氨酸拉链（Leu zipper）亮氨酸拉链亮氨酸拉链是蛋白质二聚体化是蛋白质二聚体化(蛋蛋白质相互作用的一种方式白质相互作用的一种方式)的一种结构的一种结构基础。基础。某些癌基因某些癌基因(如如c-jun，v-jun，c-fos，v-fos等等)表达产物通过表达产物通过亮氨酸拉链亮氨酸拉链形成同源或异源二聚体，大大增加对形成同源或异源二聚体，大大增加对DNA的结合能力，调控基因表达。的结合能力，调控基因表达。目目 录录 在亮氨酸拉
43、链近在亮氨酸拉链近N-端有富含端有富含碱性碱性(带正电荷带正电荷)氨基酸残基的区域，是氨基酸残基的区域，是DNA的结合区的结合区。亮氨酸拉链亮氨酸拉链是一个高亮氨酸组成的螺旋，每两个螺圈出现一个亮氨酸，形成拉链的一边。两个蛋白质因子的螺旋通过亮氨酸亮氨酸的疏水作用结合在一起形成拉链结构拉链结构目目 录录亮氨酸拉链目目 录录（三）（三）mRNA 转录激活及其调节转录激活及其调节polTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，形成在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物的转录起始复合物TATA DNATBP相关因子相关因子目目 录录五、五、RNA P
44、ol II转录终止的调节机制转录终止的调节机制尚不清楚尚不清楚（一）（一）HIV基因组转录终止调节基因组转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节病毒蛋白病毒蛋白Tat与转录产物与转录产物5端特异端特异RNA序列结序列结合，并与宿主蛋白质、合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止相互作用，阻止HIV基因组转录的提早终止。基因组转录的提早终止。在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白质即热休克蛋白(heat sh
45、ock protein)的表达。的表达。目目 录录六、转录后水平的调节也是六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节基因表达调控的重要环节（一）（一）hnRNA加工成熟的调节加工成熟的调节（二）（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。基修饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。进行。目目 录录运铁蛋白受体(transferrin receptor TfR)通过延长mRNA的寿命进行基因表达调控目目
46、录录七、基因表达在翻译水平以及翻译七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节后阶段仍然可以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。的活性对起始阶段有重要的控制作用。目目 录录（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA
47、结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein,RBP），），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。目目 录录（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达调控基因表达 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素学功能的重要影响因素
48、。因此，通过对新生肽。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。能的作用，是基因表达的快速调节方式。目目 录录是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度，长度约约2025个碱
49、基，由一段具有发夹环结构，长个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为度为7090个碱基的单链个碱基的单链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。（四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA(microRNA,miRNA)目目 录录 其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因
50、簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：目目 录录 是细胞内一类双链是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具有特定长度具有特定长度(2123个碱基个碱基)和特定序列的小片段和特定序列的小片段RNA。双链双链siRNA参与参与RISC组成，与特异的靶组成，与特异的靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介导的
