生物化学：基因表达调控

1、Regulation of Gene Expression 第七章第七章 基因表达调控基因表达调控 生物化学生物化学 DNARNAprotein 复制复制 转录转录 翻译翻译 逆转录逆转录 RNA复制复制 DNA是大多数生物的遗传物质的载体是大多数生物的遗传物质的载体 遗传分子生物学中心法则遗传分子生物学中心法则 生物化学生物化学 1961年F.Jacob和J.L.Monod在研究大肠埃希菌（E.coli ）乳糖代谢的调节机制时发现有些基因不是作为蛋白 质合成的模板发挥作用，而是起了调节或操纵作用， 因而提出了操纵子学说。 从此根据基因功能把基因分为结构基因结构基因、调节基因调节基因和 操纵基

2、因操纵基因。 染色体贮存着决定生物性状的全部基因染色体贮存着决定生物性状的全部基因 染色体 染色纤维 核小体 组蛋白 DNA 生物化学生物化学 生物体内基因表达的开启、关闭以及表 达的强度受特定机制的调控，基因表达的调 控是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确 而灵敏的生存能力和应变能力，在机体适应 环境、维持自身的生长和增殖、维持个体发 育与分化等方面均具有重要的生物学意义。 生物化学生物化学 第一节第一节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 生物化学生物化学 * *基因（基因（genegene）负责编码负责编码RNARNA或一条多肽链的或一条多肽链的 DNADNA片段，包括编码序列

3、、编码序列外的侧翼片段，包括编码序列、编码序列外的侧翼 序列及插入序列。序列及插入序列。 生物化学生物化学 某些病毒或类病毒，RNA也可以作为遗传信息的携带者。 艾滋病病毒 * *基因组（基因组（genomegenome）一个细胞或病毒所一个细胞或病毒所 携带的全部遗传信息或整套基因。携带的全部遗传信息或整套基因。 原核细胞原核细胞-单个的环状染色质所含的全单个的环状染色质所含的全 部基因；部基因； 真核生物真核生物-一个生物体的染色体所包含一个生物体的染色体所包含 的全部的全部DNADNA。 核外遗传物质：线粒体核外遗传物质：线粒体DNA-DNA-线粒体基因组线粒体基因组 生物化学生物化学

4、基因经过转录、翻译，产生具有特异生物基因经过转录、翻译，产生具有特异生物 学功能的蛋白质分子的过程。学功能的蛋白质分子的过程。 * *基因表达基因表达（geneexpresiongeneexpresion） 生物化学生物化学 并非所有基因表达的过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA编码基 因转录产生RNA的过程也属于基因表达。 生物化学生物化学 人类基因组约有3万-4万个基因，某个特定时期，只有 一小部分基因处于表达状态。 肝细胞-不超过20%的基因处于表达状态。 基因表达调控：细胞或生物体在接受环境信号刺激时或 适应环境变化的过程中在基因表达水平上作出应答的分 子机制。 基因表达调控是生物体适

5、应环境、维持生长、发育、增 殖和分化的需要。 基因表达是受调控的基因表达是受调控的 时间特异性时间特异性 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。格按特定的时间顺序发生。 生物化学生物化学 生物化学生物化学 噬菌体、病毒、细菌侵入宿主后-感染阶段-随着感染 阶段的发展和生长环境的变化-基因开启，基因关闭； 多细胞生物：受精卵到组织、器官形成的不同发育阶段 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。 空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种基因表达伴随时间顺序所表现出的这种 分布差

6、异，实际上是由细胞在器官的分布决分布差异，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定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异细胞或组织特异 性性。 在个体生长全过程，某种基因产物在个在个体生长全过程，某种基因产物在个 体按不同组织空间顺序出现。体按不同组织空间顺序出现。 生物化学生物化学 生物化学生物化学 肝细胞编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其他组 织细胞，合成的某些酶为肝脏所特有； 细胞特定的基因表达决定了这个组织细胞特有的形态和 功能。 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： 基本表达基本表达 有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可

7、少的，有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的， 这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达， 通常被称为通常被称为管家基因管家基因 （housekeeping gene) 生物化学生物化学 生物化学生物化学 无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影较少受环境因素影 响响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组，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 基因表达被视为基因表达被视为组成性表达组成性表达。 其表达

8、只受启动序列或启动子与其表达只受启动序列或启动子与RNARNA聚合酶相互聚合酶相互 作用的影响，而不受其他机制调节。事实上，组成性作用的影响，而不受其他机制调节。事实上，组成性 基因表达虽然持续进行，但其表达水平强弱也受一定基因表达虽然持续进行，但其表达水平强弱也受一定 机制的调控而变化。机制的调控而变化。 诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，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，这种基因称为基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为称为诱导诱导

9、（ induction ）。 如果基因如果基因表达表达对环境信号应答是被抑制，这对环境信号应答是被抑制，这 种基因是种基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低的。可阻遏基因表达产物降低的 过程称为过程称为阻遏（阻遏（ repression ）。 生物化学生物化学 生物化学生物化学 DNA损伤时，编码DNA修复酶的基因就会被诱导激 活，表达增加； 培养基中色氨酸含量充足时，细菌中催化色氨酸 合成代谢的酶类基因表达就会被阻遏； 可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA 聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制调节。此类基 因的调控序列通常含有针对特异刺激的反应元件。 在一定机制控制下，

10、功能上相关的一组在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调一基因，无论其为何种表达方式，均需协调一 致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达协调表达 （coordinate expression）。）。 这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节 （coordinate regulation） 生物化学生物化学 协调表达协调表达 1. 1.适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 2. 2.维持个体发育与分化维持个体发育与分化 生物化学生物化学 二、基因表达调控的多层次和复杂性二、基因表达调控的多层次和复杂性 生物化学生物化学 改变遗传信息传递过程中的任

11、何环节都会导致基 因表达的变化； 某一特定类型的细胞可以选择性扩增基因组DNA的 部分基因使某些蛋白质分子高表达； 为适应某种特定需要而进行的DNA重排，以及DNA 甲基化等均可在遗传信息水平上影响基因表达。 二、基因表达调控的多层次和复杂性二、基因表达调控的多层次和复杂性 基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因基因 激活激活 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 mRNAmRNA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 生物化学生物化学 生物化学生物化学 生物化学生物化学 在遗传信息传递的各个水平上均可进行基因表 达调控。

12、而发生在转录水平，尤其是转录起始水转录起始水 平的调节平的调节，对基因表达起着至关重要的作用，即 转录起始是基因表达的基本控制点。 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，生的结构、性质，生 物个体或细胞所处的内、外物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细胞内，以及细胞内 所存在的转录所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。 转录起始是基因表达的最主要的控制点。转录起始是基因表达的最主要的控制点。 转录起始调节主要作用于转录起始调节主要作用于RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA的的 特异序列相结合形成转录起始复合物的过程。特异序列相结合形成转录起始复合物的过程。 生物化学生物

13、化学 三、基因转录起始调节的因素三、基因转录起始调节的因素 原核生物原核生物 - 操纵子操纵子(operon) 机制机制 生物化学生物化学 （一）（一） 特异特异DNA序列序列 原核生物和真核生物基因均存在对转录的原核生物和真核生物基因均存在对转录的 激活起着调节作用的特异激活起着调节作用的特异DNA序列序列 原核生物原核生物 - 操纵子操纵子(operon) 机制机制 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) 生物化学生物化学 （一）（一） 特异特异DNA序列序列 转录起始点转录起始点 -35区区-10区区 TT

14、GACATTAACT TTTACATATGAT TTTACATATGTT TTGATA TATAAT CTGACGTACTGT N17 N16 N17 N16 N16 N7 N7 N6 N7 N6 A A A A A trp tRNA Tyr lac recA araBAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列 ：RNARNA聚合酶结合并启动转录的特聚合酶结合并启动转录的特 异异DNADNA序列序列 启动序列启动序列 生物化学生物化学 共有序列（共有序列（DNA）：）：-10及及-35区域内存在一区域内存在一 些高度保守型序列，些高度保守型序列， 启动序列的转录活性大小。启动序列的转录活

15、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特异性识别和结合能对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能 力。例如力。例如RNA聚合酶聚合酶全酶中的全酶中的因子识别并结因子识别并结 合在合在-35区和区和-10区。区。RNA聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的 结合及转录起始的功能依赖于共有序列中核苷结合及转录起始的功能依赖于共有序列中核苷 酸顺序的保守性。酸顺序的保守性。 生物化学生物化学 真核生物真核生物 顺式作用元件顺式作用元件( cis-acting element) 生物化学生物化学 大多数真核编码基因两侧的某些某些DNA序列

16、序列参与基因表达 的调控，这些具有调节功能调节功能的DNA序列。 即在同一DNA分子中，作用于自身分子并影响其基因表 达活性的一段特异DNA序列，它们属于基因的非编码序 列。 真核生物真核生物 BA DNA 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一些共有不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有 序列序列 ，如，如TATA 盒、盒、CCAAT盒等，这些共有序列是盒等，这些共有序列是 RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。 根据在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用根据在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用 的方

17、式顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子的方式顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子 生物化学生物化学 生物化学生物化学 （二）（二） 转录调节蛋白转录调节蛋白 某些蛋白质可通过与DNA中调节序列的特异作用参 与基因表达的调控； 原核生物转录调节蛋白都属于DNA结合蛋白，分为 特异因子、阻遏蛋白及激活蛋白； 特异因子： 因子-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的能力，介导RNA聚合酶 全酶与特异的启动序列的结合。 操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点的结合位点 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，会阻碍时，会阻碍 RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合

18、酶与启动序列的结合，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操纵序列操纵序列 pol 阻遏蛋白阻遏蛋白 生物化学生物化学 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）可结合启动序列可结合启动序列 邻近的邻近的DNA 序列序列 ，促进，促进RNA聚合酶与启动聚合酶与启动 序列的结合，增强序列的结合，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列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。 生物化学

19、生物化学 生物化学生物化学 真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白 又称转录调节因子或转录因子； 绝大多数转录因子由其编码基因表达后，通过DNA-蛋 白质或蛋白质-蛋白质相互作用控制另一基因的转录， DNA-蛋白质相互作用是指反式作用因子与顺式作用元 件之间的特异识别及结合； 还有些蛋白质因子可特异识别、结合自还有些蛋白质因子可特异识别、结合自 身基因的调节序列身基因的调节序列, 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 过与另一基因的顺式作用元件相互作用，调过与另一基因的顺式作用元件相互作用，调 节其

20、表达。节其表达。 ( trans-acting element ) 反式作用因子反式作用因子 这种作用称为这种作用称为反式作用反式作用 生物化学生物化学 C DNA A DNA 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B B B a mRNA 蛋白质蛋白质A A a 生物化学生物化学 被识别的被识别的DNA结合位点通常呈对称、或结合位点通常呈对称、或 不完全对称结构。不完全对称结构。 绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通前，需通 过蛋白质过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多蛋白质相互作用，形成二聚体或多 聚体。聚体。 DNA - 蛋白质蛋白质

21、 蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质 的相互作用的相互作用 生物化学生物化学 生物化学生物化学 （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 DNA上的特定调节序列以及调节蛋白对转录激活的 调节作用，最终是通过改变RNA聚合酶的活性而体现的。 启动序列或启动子的结构、调节蛋白的性质对RNA聚合 酶活性影响很大。 1. 1. 原核启动序列原核启动序列 / / 真核启动子真核启动子 功能部位包括转录起始点、功能部位包括转录起始点、RNA聚合酶结合位聚合酶结合位 点及控制转录的调节组件。点及控制转录的调节组件。 可通过影响可通过影响 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。 原核原核RN

22、A聚合酶转录活性与启动子中共有序列聚合酶转录活性与启动子中共有序列 密切相关。原核生物启动子保守序列与典型共有序密切相关。原核生物启动子保守序列与典型共有序 列越一致，两个共有序列间距离越接近列越一致，两个共有序列间距离越接近17bp， RNA聚合酶转录活性越强；相反，基因转录水平聚合酶转录活性越强；相反，基因转录水平 则降低。则降低。 生物化学生物化学 （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 1. 1. 原核启动序列原核启动序列 / / 真核启动子真核启动子 真核真核RNA聚合酶单独存在时与启动子的亲和聚合酶单独存在时与启动子的亲和 力极低或无亲和力，某些基因的转录因子可与力极低或无亲和力，

23、某些基因的转录因子可与 RNA聚合酶形成复合物促使其与启动子结合而启聚合酶形成复合物促使其与启动子结合而启 动转录。动转录。 真核真核RNA聚合酶活性除了与启动子序列有关，聚合酶活性除了与启动子序列有关， 还与转录调节因子作用有关。还与转录调节因子作用有关。 生物化学生物化学 （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 2. 调节蛋白调节蛋白 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺一些特异调节蛋白在适当环境信号刺 激下表达激下表达 , 然后通过然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、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。 原核特异性因子原核特异性因子 亚基识别特异启动

24、序亚基识别特异启动序 列而促进列而促进RNA聚合酶对不同基因转录；聚合酶对不同基因转录； 诱导剂、阻遏剂使调节蛋白构象改变诱导剂、阻遏剂使调节蛋白构象改变 生物化学生物化学 （三）（三）RNA聚合酶活性聚合酶活性 原核基因转录的调节系统原核基因转录的调节系统 生物化学生物化学 原核生物是单细胞生物，基因组是由一条环状 双链DNA组成，没有完整的核膜和核结构，其 转录和翻译是偶联进行的。 原核特异基因的表达也受多级调控，如转录起 始、转录终止、翻译水平的调控及RNA、蛋白 质的稳定性等 生物化学生物化学 -调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始转录起始 原核基因转录调节特点原核基因转录调节特点

25、 因子决定因子决定RNA 聚合酶识别特异性：不同的聚合酶识别特异性：不同的因因 子决定特异基因的转录激活，决定子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、 rRNA和和tRNA基因的转录基因的转录 操纵子模型的普遍性：几个功能相关蛋白质的操纵子模型的普遍性：几个功能相关蛋白质的 编码基因串联在一起，受上游调控序列共同调编码基因串联在一起，受上游调控序列共同调 节，构成一个转录单位节，构成一个转录单位- -操纵子操纵子 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性-负性调控负性调控 生物化学生物化学 特点：特点： 生物化学生物化学 1961年，法国科学家莫诺（JLMonod）与雅可布（FJa

26、cob） 发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说， 开创了基因调控的研究。 四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。 莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个 十分巧妙的自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆 菌的乳糖代谢。 操纵子是原核生物基因表达调控的基本方式操纵子是原核生物基因表达调控的基本方式 一、乳糖操纵子（一、乳糖操纵子（E.coliE.coli） (一一) 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构 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-水水 解乳糖生

27、成半乳糖、葡萄糖解乳糖生成半乳糖、葡萄糖 Y：半乳糖苷通透酶：半乳糖苷通透酶 A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA 生物化学生物化学 CAP：代谢物基因激活蛋白：代谢物基因激活蛋白 控制细胞控制细胞 对乳糖的对乳糖的 摄取和代摄取和代 谢谢 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 I DNA ZYAOP pol 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 生物化学生物化学 偶有阻遏蛋白与偶有阻遏蛋白与O序列解序列解 聚，使细胞中还有极低水聚，使细胞中还有极低水 平的平的-半乳糖苷酶及半乳半乳糖苷酶及半乳 糖苷通透酶生成糖苷通透酶生成 mRN

28、A 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在时有乳糖存在时 I DNA ZYAOP pol 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 生物化学生物化学 生物化学生物化学 化学合成的半乳糖类似物：别乳糖、IPTG与阻遏蛋白特异性结 合，诱导lac操纵子的开放； X-gal：人工合成的半乳糖苷，被-半乳糖苷酶催化水解产生深 蓝色不溶性产物，被用作-半乳糖苷酶活性的指示剂。 + + + + + + + + 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 (三三) CAP的正性调节的正性调节 ZYAOP DNA CAP CAP

29、CAPCAP CAP CAP 生物化学生物化学 CAP是同二聚体，其分子内有是同二聚体，其分子内有DNA结合区及结合区及cAMP结合位点结合位点 生物化学生物化学 对lac操纵子来说CAP是正性调节因素正性调节因素，lac阻遏蛋白 是负性调节因素负性调节因素。两种调节机制根据存在的碳源性 质及水平协调调节lac操纵子的表达。 (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对该系统不能对该系统不能 发挥作用；如无发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与存在，即使没有阻遏蛋白与 操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。CAP结合结合

30、是是lac操纵子表达的必需条件。操纵子表达的必需条件。 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 , 细菌首细菌首 先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。 葡萄糖对葡萄糖对 lac 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 repressioncatabolic repression）。 生物化学生物化学 mRNA 低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高 cAMP浓度低浓度低 RNA-pol OO

31、 OO 生物化学生物化学 二、色氨酸操纵子二、色氨酸操纵子 (一一) 色氨酸操纵子：色氨酸操纵子： 细菌经多步酶促反应自身合成色细菌经多步酶促反应自身合成色 氨酸；但一旦环境能够提供色氨酸，氨酸；但一旦环境能够提供色氨酸， 细菌就会充分利用外源的色氨酸，而细菌就会充分利用外源的色氨酸，而 减少或停止合成色氨酸酶系的表达。减少或停止合成色氨酸酶系的表达。 生物化学生物化学 二、色氨酸操纵子二、色氨酸操纵子 (一一) 色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 生物化学生物化学 (二二) 转录衰减转录衰减 trp trp 高时高时 trp 低时低时 mRNA OPI 调节区调节区结构基因结构基因 前导肽

32、前导肽 衰减子衰减子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 生物化学生物化学 衰减子结构衰减子结构 (attenuator) 核糖体核糖体 新生肽链新生肽链 mRNA DNA 12 3 4 UUUU 3 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 trp 密码子密码子 转录衰减机制转录衰减机制: 5 生物化学生物化学 1 2 3 4 5 核糖体核糖体 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 生物化学生物化学 SOS反应反应 SOS基因基因 紫外线紫外线 激活激活 Rec A Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复损伤修复 有关的酶和蛋白质有关的酶和蛋白质 基因基因 表达表达 Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白

33、操纵序列操纵序列DNA 三三 其他转录调控方式其他转录调控方式 生物化学生物化学 生物化学生物化学 真核基因表达调控机制发生在染色质活化、基 因转录激活、转录后加工、翻译及翻译后加工 等水平。 生物化学生物化学 一、真核生物基因组结构的特点一、真核生物基因组结构的特点 (一一) 真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 9 哺乳类动哺乳类动 物基因组物基因组 DNA 约约 3 10 碱基对碱基对 生物化学生物化学 含2万2.5万个基因，其中60%的基因存在可 变剪接，约80%的可变剪接能够导致蛋白质序 列的变化。 人类基因组中1%序列编码蛋白质，5%10% 的重复基因，其余80%90%的基因组为非

34、编 码序列内含子、调控序列等。 (二二) 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。 (三三) 重复序列重复序列-真核基因组普遍存在真核基因组普遍存在 单拷贝序列单拷贝序列（一次或数次一次或数次） 高度重复序列高度重复序列（ 10 次次） 6 中度重复序列中度重复序列（ 10 10 次次） 4 3 多拷贝序列多拷贝序列 生物化学生物化学 多顺反子多顺反子：细菌由操纵子机制控制转录生成的mRNA可表达功能 相关的数种蛋白 在基因调控区存在的重复序列可能参与DNA 复制、转录的调

35、控。 生物化学生物化学 (四四) 基因不连续性基因不连续性 非编码序列非编码序列-不被转录不被转录-基因表达的调控区基因表达的调控区 内含子：编码基因内部不为蛋白质编码的内含子：编码基因内部不为蛋白质编码的 间隔序列间隔序列 外显子：编码基因内部编码序列外显子：编码基因内部编码序列 前体前体mRNA：内含子：内含子+外显子一起转录的外显子一起转录的 mRNA：剪切去除内含子，使外显子相连：剪切去除内含子，使外显子相连 二、二、 真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点 (一一) RNA聚合酶聚合酶 生物化学生物化学 RNA pol、分别负责转录；分别负责转录； 各类基因启动序列有不同特点，各种

36、各类基因启动序列有不同特点，各种RNA聚聚 合酶有共同亚基也有特有亚基；合酶有共同亚基也有特有亚基； 真核细胞转录和翻译在不同亚细胞结构中进真核细胞转录和翻译在不同亚细胞结构中进 行，各种真核基因转录的行，各种真核基因转录的RNA产物都需要经产物都需要经 过剪接修饰等加工过程。过剪接修饰等加工过程。 二、二、 真核基因表达调控特点真核基因表达调控特点 (二二) 活性染色体结构变化活性染色体结构变化 1.组蛋白变化组蛋白变化 转录活跃的染色质缺乏组蛋白H1，其他核心组 蛋白亦可被乙酰化修饰。每一种核心组蛋白 （H2A、H2B、H3、H4）都有两个结构域：一 是中心结构域，参与组蛋白和组蛋白的相互

37、作 用并帮助DNA缠绕形成核小体；二是富含赖氨 酸的氨基端结构域，赖氨酸残基在组蛋白转乙 酰基酶的作用下被乙酰化。 生物化学生物化学 生物化学生物化学 乙酰化能降低组蛋白对DNA的亲和力，还 可使DNA对核酸酶的敏感性增高，有利于 转录调控因子的结合。当某一个基因不再 转录时，在组蛋白脱乙酰基酶的催化下使 核小体的乙酰化降低，基因转录趋于静止。 2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 生物化学生物化学 SSB 3 5 3 5 Dna B DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 Dna A Dna C 帮助帮助Dna B结合到复制结合到复制 起始点上起始点上 解螺旋酶解螺旋酶 防止单链重新形成双螺旋防止单链重新

38、形成双螺旋 和被核酸酶水解和被核酸酶水解 DNA开放的松散结构使参与转录起始的RNA聚合 酶和蛋白质因子能够接近该区域。 70 DNA酶酶I高敏感区：大多位于被转高敏感区：大多位于被转 录基因的录基因的5旁侧旁侧1000bp范围内，长约范围内，长约 100-200bp；有些距离；有些距离5端较远；有些则端较远；有些则 位于基因的位于基因的3端或位于基因中间。端或位于基因中间。在转在转 录活跃的区域，缺乏或完全没有核小体录活跃的区域，缺乏或完全没有核小体 结构。结构。 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

39、比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。 转录活跃区转录活跃区-很少甲基化；很少甲基化； 不表达的基因不表达的基因-高度甲基化；高度甲基化； 管家基因富含管家基因富含CpG岛，胞嘧啶残基均不发岛，胞嘧啶残基均不发 生甲基化。生甲基化。 生物化学生物化学 (三三) 正性调节占主导正性调节占主导 生物化学生物化学 真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，仅靠 RNA聚合酶与启动子序列结合不能启动基因转录， 需要依赖多种激活蛋白的协同作用。 真核基因转录表达的调控蛋白主要是以激活蛋白 作用为主，表达时就需要有激活的蛋白质存在促进 转录，因此真核基因表达以正性调节为主导。 由于调节蛋白与DNA特异序列作用特

40、异性强，而 多种激活蛋白与DNA间同时特异相互作用，使非特 异作用更加降低，可使数目巨大的真核基因的调控 更特异更精确。 (四四) 转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行 (五五) 转录或修饰、加工转录或修饰、加工 生物化学生物化学 三、三、 真核基因转录起始调节真核基因转录起始调节 (一一) 顺式作用元件：顺式作用元件：位于基因前后，参与基因位于基因前后，参与基因 表达调控、可影响转录速率的表达调控、可影响转录速率的DNA特异序列特异序列 1.启动子启动子 真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结 合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至 少包括一个少包括

41、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 生物化学生物化学 生物化学生物化学 TATATATA盒盒，其共有序列是TATAAAA。TATA盒通常位于转录起始点 上游-25-30bp，控制转录起始的准确性及频率。 GCGC盒盒（GGGCGG）和CAATCAAT盒盒（GCCAAT）通常位于转录起始点 上游-30110bp区域。 典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒组成，这 类启动子通常具有一个一个转录起始点及较高的转录活性；由 TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子。 管家基因启动子有长为12kb富含GC的

42、CpG岛，称富含GC的启动 子，这类启动子一般含数个分离的转录起始点。有的启动子既不 含TATA盒，也没有GC富含区，这类启动子可有一个或多个转录 起始点，大多转录活性很低或根本没有转录活性，而是在胚胎发 育、组织分化或再生过程中受调节。 2.增强子增强子（enhancer） 指远离转录起始点（130kb），通过启动子增 强转录效率的特异DNA序列。 真核生物基因的增强子通常占100200bp长度， 每个核心组件常为812bp，可以单拷贝或多拷 贝串联形式存在。 生物化学生物化学 生物化学生物化学 增强子的作用具有下列特性： 可通过启动子提高同一条DNA链上同源或异源基因转录 效率，其作用与靶

43、基因的方向及距离无关。 可增强远距离达14kb的上游或下游基因转录活性，其 增强功能与其序列的正反方向无关。 增强子对作用的启动子没有严格选择性，必须与特异的 蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。 增强子一般具有组织或细胞特异性。 没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动 子时，增强子也无法发挥作用。 3.沉默子沉默子（silencer） 当沉默子结合特异蛋白因子时，使当沉默子结合特异蛋白因子时，使 其附近的启动子失去活性，基因不能表其附近的启动子失去活性，基因不能表 达。沉默子的作用可不受序列方向的影达。沉默子的作用可不受序列方向的影 响，也能远距离发挥作用，并可对异源响，也能远距离发挥作用，并可对异源 基因的表达起作用。基因的表达起作用。 生物化学生物化学 (二二) 反式作用因子反式作用因子 由一种基因表达的蛋白质因子，能结合并调由一种基