1、Regulation of Gene Expression刘向华南京医科大学 生化与分子生物学系Nanjing medical university Department of biochemistry and molecular biology第第 一一 节节基本概念与原理基本概念与原理Basic Conceptions and Principle主主 要要 内内 容容v基因表达的概念基因表达的概念v基因表达的特异性基因表达的特异性v基因表达的方式基因表达的方式v基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义一、基因表达的概念一、基因表达的概念基因组基因组(genome)：一个细胞或病毒所
2、携带的全部遗传信息或整套基因。一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因表达基因表达(gene expression)：基因转录与翻译的过程。基因转录与翻译的过程。基因表达调控基因表达调控(control of gene expression)：生物体内基因表达的：生物体内基因表达的开启开启、关闭关闭和和表达强度表达强度的直接调节。的直接调节。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格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的按功能需要，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时间特异性
3、特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性阶段特异性(stage specificity)。（二）空间特异性（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，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，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(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
4、间特异性又称异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。目目 录录三、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(constitutive gene expression)指指较少较少受环境因素影响的一类基因表达。受环境因素影响的一类基因表达。管家基因管家基因(housekeeping gene)：某些基因表达产物对：某些基因表达产物对整整 个生命过程个生命过程都是必需的，这类基因在一个生物个体的几乎所都是必需的，这类基因在一个生物个体的几乎所 有细胞中持续表达，称为管家基因。有细胞中持续表达，称为管家基因。（二）诱导
5、和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达适应性表达适应性表达(adaptive expression)：指：指容易容易受环境变化影响的一类基因表达。受环境变化影响的一类基因表达。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，这种基因称为可诱可诱导基因。导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是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。可阻遏基因表达产物水平降低的过程可阻遏基因表
6、达产物水平降低的过程称为阻遏称为阻遏(repression)。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、维持生长和增殖（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化（二）维持个体发育与分化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转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始转录起始第第 二二 节节 原核基因转录调节原核基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription原核生物基因组结构特点：原核生物基因组结构
7、特点：（一）（一）很少有重复序列很少有重复序列（二）单拷贝、连续编码蛋白基因（二）单拷贝、连续编码蛋白基因（三）结构基因比例（三）结构基因比例50%50%（四）操纵子模型（四）操纵子模型（五）边转录与边翻译（五）边转录与边翻译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普遍性操纵子是原核基因转录调控的基本单位操纵子是原核基因转录调控的基本单位基因表达的调节与基因表达的调节与基因
8、基因的结构、性质，生物个体或细胞所的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外处的内、外环境环境，以及细胞内所存在的转录，以及细胞内所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。1.特异特异DNA序列序列2.调节蛋白调节蛋白3.RNA聚合酶聚合酶（一）（一）.特异特异DNA序列序列*特异特异DNA序列：序列：主要指具有主要指具有调节功能调节功能的的DNA序列。序列。*原核生物原核生物的基因表达调控是通过的基因表达调控是通过操纵子操纵子机制实现的。机制实现的。*真核基因真核基因调控机制普遍涉及编码基因两侧的调控机制普遍涉及编码基因两侧的DNA 序列序列 顺式作用元件顺式作用元件。原核生物原核生物 蛋白质因
9、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)是是RNA聚合酶结合并启动转录的特异聚合酶结合并启动转录的特异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
10、有序列决定启动序列的转录活性大小决定启动序列的转录活性大小（consensus sequence）2 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与启动序列毗邻或接近的与启动序列毗邻或接近的DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常序列常与启动序列交错、重叠。与启动序列交错、重叠。当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会时，会阻碍阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合聚合酶与启动序列的结合，或是，或是RNA聚合酶不能沿聚合酶不能沿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
11、操纵序列操纵序列RNA pol阻遏蛋白阻遏蛋白3 3)其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，序列，促进促进RNA聚合酶与聚合酶与启动序列的结合启动序列的结合，增强，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。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聚合酶很少或完全不能结合启动序列。列。编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)CAP结合位点结合位点（三）（三）.RNA聚合酶聚合酶
12、 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聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力聚合酶与其的亲和力，影响转录。影响转录。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境信号刺激下表达一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过然后通过DNA-蛋蛋白质、蛋白质白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子（lac operon）的结构）的结构（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节（三）（三）CAP的正性调节的正性调节（四）协
13、调调节（四）协调调节二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(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：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）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mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时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P361+转录转录无葡萄糖，
14、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（三三）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP（四四）协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；如无如无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。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，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖
15、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谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。低葡萄糖、低乳糖低葡萄糖、低乳糖葡萄糖与乳糖共存葡萄糖与乳糖共存高葡萄糖、低乳糖高葡萄糖、低乳糖单独存在乳糖单独存在乳糖Lac阻遏蛋白负性调节与阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作正性调节两种机制协调合作Positive and negative regulation of the lac operon第第 三三 节节 真核基因转录调节真核基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription一、真核基因组结构特
16、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物基因哺乳类动物基因组组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编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%（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，经翻译分子，经翻译生成一条多肽链。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 1
17、04次）次）多拷贝序列多拷贝序列（四）基因不连续性四）基因不连续性二、染色质结构与真核基因表达密切相关二、染色质结构与真核基因表达密切相关1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感2.染色质的组蛋白染色质的组蛋白3.CpG岛甲基化岛甲基化 1)顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)真核生物真核生物真核生物编码基因两侧的真核生物编码基因两侧的DNA序列序列可影响自身基因的表达可影响自身基因的表达活性活性通常是非编码序列通常是非编码序列包括包括启动子、增强子、沉启动子、增强子、沉默子默子顺式作用元件：顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子启动子、增强子、沉默子1.启动子启动子真核基因启动
18、子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点周围的一组转录周围的一组转录控制组件，至少包括一个控制组件，至少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒 -20-30bp 结合位点结合位点GC盒盒CAAT盒盒-70bp 反式作用因子反式作用因子 结合位点结合位点promotergene53GCGAGCTACGT.ACGenhancergene53TCG.AGCGGCA.TGCA 2.增强子增强子(enhancer)指指远离远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、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增强启动子转录活性
19、的DNA序列序列。发挥作。发挥作用的方式通常与用的方式通常与方向、距离无关方向、距离无关。SilentSilentExpressed沉默子沉默子沉默子沉默子 3.沉默子沉默子(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，对基因转录起转录起阻遏作用阻遏作用。还有蛋白质因子可特异识别、结合还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因自身基因的调节序列的调节序列，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由某一基因表达产生的蛋白质蛋白质因子，通过与因子，通过与另一基因另一基因的特的特异的异的
20、顺式作用元件相互作用顺式作用元件相互作用，调节其表达。，调节其表达。这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用。2 2)真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)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基因产物特异识别、结合其它基因的调节基因产物特异识别、结合其它基因的调节序列，从而导致该基因的开启或关闭称调序列，从而导致该基因的开启或关闭称调节为反式调节节为反式调节基因产物特异识别、结合自基因产物特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的调节序列，调节自
21、身基因的开启或关闭称为顺身基因的开启或关闭称为顺式调节式调节（二）（二）反式作用因子反式作用因子1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）按功能特性）基本转录因子基本转录因子（general transcription factors）：）：是是RNA聚合酶结合启动聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的转录的类别。类别。特异转录因子特异转录因子（special transcription factors）：）：为个别基因转录所需，为个别基因转录所需，决定该基因的时间、空间特异性表达。有转录激活因子和转
22、录抑制因子两决定该基因的时间、空间特异性表达。有转录激活因子和转录抑制因子两种。种。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最常见的最常见的DNA结合域结合域 1.锌指锌指(zinc finger)常结合常结合GC盒盒常结合常结合CAAT盒盒 2.-螺旋螺旋Insertion of an a a-helix into the major groove二聚化结构域二聚化结构域The HLH motif is respo
23、nsible for both dimerization and DNA binding.Evolution of understanding of eukaryotic transcription真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的P377小分子小分子RNA对基因表达的调节对基因表达的调节RNA组学组学 RNomics微小微小RNA(miRNA)小干扰小干扰RNA小小 结结1.基因、基因组基因、基因组、基因表达基因表达、基因表达调控的概念基因表达调控的概念(基因表达调控主要在基因表达调控主要在转录水平转录水平)2.操纵子、启动子的概念操纵子、启动子的概念3.以乳糖
24、操纵子为例、说明操纵子的结构及原核生物基因表达调控的过程以乳糖操纵子为例、说明操纵子的结构及原核生物基因表达调控的过程4.顺式作用元件顺式作用元件5.反式作用因子（反式作用因子（DNA结合域的结构）结合域的结构）SummaryKey wordsRepressor ActivatorProkaryoteEukaryoteCAPEnhancerGene expression Operator PromoterOperonCis-acting elementTrans-acting factor1.Some genes are expressed constitutively,but the tra
25、nscription of other genes is regulated.Transcription may be regulated by a repressor or an activator.2.In prokaryotes,coordinated gene control is achieved by clustering coordinated structural genes on the chromosome(operon)so that they are transcribed into multigenic mRNAs(polycistron).3,Transcripti
26、on of the three genes of the lac operon is blocked when lac repressor binds to operator near the promoter.The repressor dissociates from the DNA when it binds the inducer allolactose.Transcription is activated by a complex of cAMP and CAP.4,In eukaryotes,gene expression is controlled by the interaction of cis-acting element and trans-acting factor.5、In eukaryotes,additional regulatory DNA sites,such as enhancers,can act at a considerable distance from the transcription start site to modulate gene experssion by interacting with specific regulatory proteins.
