生物化学与分子生物学：第18章 基因表达调控

1、目录目录 1 第十八章第十八章 基因表达调控基因表达调控 Regulation of Gene Expression 目录目录 2 除了某些以除了某些以RNA为基因组的为基因组的RNA病毒外，基因病毒外，基因 通常是指染色体或基因组的一段通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。序列。 基因包括基因包括编码序列编码序列（外显子）、（外显子）、调控序列调控序列和和间间 隔序列隔序列（内含子）（内含子）。 基因（基因（genegene）：）：编码蛋白质或编码蛋白质或RNA等具有特等具有特 定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。 目录目录 3 基因组（基因组（ge

2、nome）：）：一个生物体内所有遗传一个生物体内所有遗传 信息的总和。信息的总和。 原核生物原核生物：单个的环状染色体所含的全部基因。：单个的环状染色体所含的全部基因。 真核生物真核生物：一个生物体的染色体所含的全部：一个生物体的染色体所含的全部DNA ， 又称又称染色体基因组。染色体基因组。 线粒体基因组线粒体基因组 叶绿体基因组叶绿体基因组 属核外遗传物质，由一个亲本（卵细胞）的细属核外遗传物质，由一个亲本（卵细胞）的细 胞质所提供胞质所提供 目录目录 人类基因组包含人类基因组包含 了细胞了细胞核染色体核染色体 DNA（常染色体和（常染色体和 性染色体）及性染色体）及线粒线粒 体体DNA所

3、携带的所所携带的所 有遗传物质。有遗传物质。 目录目录 5 第一节第一节 基因表达与基因表达调控的基因表达与基因表达调控的 基本概念与特点基本概念与特点 Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation 目录目录 6 一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程 是基因是基因转录及翻译转录及翻译的过程，也是基因所的过程，也是基因所 携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基 因转录成互补的因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码序列，对于蛋白质编

4、码 基因，基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加继而翻译成多肽链，并装配加 工成最终的蛋白质产物。工成最终的蛋白质产物。 基因表达基因表达(gene expression) 基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。 目录目录 7 二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性 （一）时间特异性是指基因表达按一定的时间（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间 顺序发生顺序发生 按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一 定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间 特异性特异性(temporal s

5、pecificity)。 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阶段 特异性特异性(stage specificity)。 目录目录 8 （二）空间特异性是指多细胞生物个体在特（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特 定生长发育阶段，同一基因在不同的定生长发育阶段，同一基因在不同的 组织器官表达不同组织器官表达不同 在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的 不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现， 这就是基因表达的这就是基因表达的空间特异性空间特异性(spatial

6、specificity)。 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间 分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的， 因此基因表达的空间特异性又称因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性细胞特异性(cell specificity)或组织特异性或组织特异性(tissue specificity)。 目录目录 9 三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性 基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression） 就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激就是指

7、细胞或生物体在接受内外环境信号刺激 时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出 应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表 达成为有功能的蛋白质（或达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表），在什么组织表 达，什么时候表达，表达多少等。达，什么时候表达，表达多少等。 目录目录 10 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（或组成性）表达基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达 目录目录 11 （一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因

8、几乎在所有细胞中持续表达 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表 达，不易受环境条件的影响，通常被称为达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因管家基因 (housekeeping gene)。 管家基因管家基因的的表达水平受环境因素影响较小，而是在表达水平受环境因素影响较小，而是在 生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中生物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。这类基因表达被视为持续表达，或变化很小。这类基因表达被视为基本基本 （或组成性）基因表达（或组成性）基因表达(constitutive gene ex

9、pression)。 基本的基因表达水平并非绝对基本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”， 所谓所谓 “不变不变”是相对的。是相对的。 目录目录 12 （二）有些基因的表达受到环境变化的诱导（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导 和阻遏和阻遏 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，即这种基因表达是基因表达产物增加，即这种基因表达是可诱可诱 导导的。的。 可诱导基因可诱导基因(inducible gene)在一定的环境中在一定的环境中 表达增强的过程，称为表达增强的过程，称为诱导诱导(induction)。 DNA损伤损伤 修复

10、酶基因激活修复酶基因激活 目录目录 13 如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基 因是因是可阻遏基因可阻遏基因(repressible gene)。可阻遏基。可阻遏基 因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为 阻 遏阻 遏 (repression)。 色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系表达被抑制色氨酸合成酶系表达被抑制 目录目录 14 在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基 因，无论其为何种表达方式，均需协调一因，无论其为何种表达方式，均需协调一 致、共同表达，

11、即为致、共同表达，即为协同表达协同表达(coordinate expression)，这种调节称为，这种调节称为协同调节协同调节 (coordinate regulation)。 （三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节 目录目录 15 四、基因表达调控受顺式作用元件四、基因表达调控受顺式作用元件 和反式作用因子共同调节和反式作用因子共同调节 一般说来，调节序列与被调控的编码序列位一般说来，调节序列与被调控的编码序列位 于同一条于同一条DNADNA链上，称为链上，称为顺式作用元件顺式作用元件( (cis -acting element) )。 目录目录

12、16 启动子启动子 上游调控元件上游调控元件 增强子增强子 加尾信号加尾信号 细胞信号反应元件细胞信号反应元件 顺式作用元件顺式作用元件 目录目录 17 转录起始点转录起始点 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 n典型的真核生物顺式作用元件典型的真核生物顺式作用元件 (cis-acting element) AATAAA 切离加尾切离加尾 转录终止点转录终止点 修饰点修饰点 外显子外显子翻译起始点翻译起始点 内内 含含 子子 OCT-1 目录目录 真核生物的特异真核生物的特异DNA序列序列 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element) 位于编码基因两侧，可影

13、响位于编码基因两侧，可影响自身自身基因基因 表达活性的表达活性的DNA序列序列 RNA聚合酶聚合酶 BA DNA 编码序列编码序列 转录起始点转录起始点 mRNA RNA聚合酶聚合酶 BA DNA 转录起始点转录起始点 mRNA 目录目录 19 调节序列远离被调控的编码序列，实际上是调节序列远离被调控的编码序列，实际上是 其他分子的编码基因，只能通过其表达产物其他分子的编码基因，只能通过其表达产物 来发挥作用，这些蛋白质分子称为来发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用反式作用 因子因子( (trans-acting factor) )。 目录目录 20 五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因

14、表达调控呈现多层次和复杂性 首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中。中。 其次，遗传信息经转录由其次，遗传信息经转录由DNADNA传向传向RNARNA过程过程 中的许多环节。中的许多环节。( (最重要、最复杂最重要、最复杂) ) 最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。 目录目录 21 基因表达调控的多层次和复杂性基因表达调控的多层次和复杂性 基因激活基因激活 转录水平转录水平 转录后加工转录后加工 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 mRNA降解降解 基因表达基因表达 可调控的环节可调控的环节 蛋白质降解蛋白

15、质降解 目录目录 22 六、基因表达调控为生物体生长、发育的六、基因表达调控为生物体生长、发育的 基础基础 （一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生 长和增殖长和增殖 久居高原地区的居民平均久居高原地区的居民平均 Hb 浓度浓度 升高升高 目录目录 23 （二）生物体调节基因表达以维持细胞（二）生物体调节基因表达以维持细胞 分化与个体发育分化与个体发育 在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、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

16、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。 目录目录 24 第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控 Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录 25 原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中基因组中很少有重复序列很少有重复序列； 编码蛋白质的结构基因为编码蛋白质的结构基因为连续编码连续编码，且，且多为单拷多为单拷 贝贝基因，但编码基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因； 结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占50%50%）

17、远远）远远 大于真核基因组；大于真核基因组； 许多结构基因在基因组中以许多结构基因在基因组中以操纵子操纵子为单位排列。为单位排列。 原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 目录目录 26 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 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 目录目录 27 在转录起始阶段，在转录起始阶段，亚基（又称亚基（又称因子）识别因子）识别 特异启动序列；不同的特异启动序列；不同的因子因子决定特异基因的决定特异基因的 转录激活，也决定不同转录激活，也决定不同

18、RNA（mRNA、rRNA 和和tRNA）基因的转录）基因的转录。 目录目录 28 噬菌体噬菌体SPO1感染宿主细胞的过程中，不同的感染宿主细胞的过程中，不同的因子因子 在不同阶段顺序表达，指导宿主在不同阶段顺序表达，指导宿主RNA聚合酶启动相聚合酶启动相 应的基因转录。应的基因转录。 目录目录 29 原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制 实现的。实现的。 一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本操纵子是原核基因转录调控的基本 单位单位 蛋白质因子蛋白质因子 特异特异DNA序列序列 编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他

19、调节基因 (promoter) (operator) 目录目录 30 操纵子定义：操纵子定义：原核生物基因组中，几个功能原核生物基因组中，几个功能 相关的相关的结构基因结构基因及其上游的及其上游的调控区域调控区域，称为，称为 一个操纵子一个操纵子( (Operon) )。 组成：组成：结构基因结构基因-2-2个以上的编码序列个以上的编码序列 启动序列启动序列-RNA-RNA聚合酶辨认、结合聚合酶辨认、结合 操纵元件操纵元件-（Operator) ) 调节序列调节序列- - 与其他调节蛋白结合与其他调节蛋白结合 目录目录 31 操纵子结构（操纵子结构（Operon） 启动序列启动序列 操纵序列操

20、纵序列结构基因结构基因1 结构基因结构基因2 结构基因结构基因3 （信息区）（信息区）（ 调调 控控 区区 ） Promoter Operator Structural gene RNA聚合酶聚合酶 多顺反子多顺反子mRNA 识别识别 结合结合 结合结合 阻遏蛋白阻遏蛋白 其它序列其它序列 其它其它 调节蛋白调节蛋白 目录目录 32 操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 多顺反子多顺反子(polycistron)：一条一条mRNA分子携带了几个多分子携带了几个多 肽链的编码信息。肽链的编码信息。 目录目录 33 E.Coli乳糖操纵子的结构基因乳糖操纵子的结构基因 目录目录 34 操纵子模型的

21、普遍性操纵子模型的普遍性 多顺反子多顺反子(polycistron)：一条一条mRNA分子携带了分子携带了几个几个多多 肽链的编码信息。肽链的编码信息。 启动子启动子是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是 决定基因表达效率的关键元件。决定基因表达效率的关键元件。 各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始 点上游点上游-10及及-35区域存在一些相似序列，称为区域存在一些相似序列，称为共有序列共有序列。 E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是区域是 TATAA

22、T，在，在-35区域为区域为TTGACA 共有序列决定启动序列的转录活性大小。共有序列决定启动序列的转录活性大小。 目录目录 35 图图18-1 518-1 5种种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列 Pribnow盒盒 目录目录 操纵序列操纵序列 操纵序列（操纵序列（operator）是指能被）是指能被阻遏蛋白阻遏蛋白 特异性结合的一段特异性结合的一段DNA序列序列，常与启动序列邻，常与启动序列邻 近或与启动序列重叠，当阻遏蛋白结合在操纵近或与启动序列重叠，当阻遏蛋白结合在操纵 序列上，会影响其下游基因的转录。序列上，会影响其下游基因的转录。 操纵序列是原核阻遏蛋白的

23、结合位点，介导负操纵序列是原核阻遏蛋白的结合位点，介导负 性调节。性调节。 目录目录 以乳糖操纵子中的操纵序列为例，其操纵 序列（o）位于启动序列（p）与被调控的基因 之间，部分序列与启动序列重叠。 目录目录 调节序列调节序列 调节序列中存在某些特异的调节序列中存在某些特异的DNA序列，可序列，可 结合激活蛋白，结合后结合激活蛋白，结合后RNA聚合酶活性增强，聚合酶活性增强， 使转录激活，介导正性调节。使转录激活，介导正性调节。 目录目录 39 调节基因（调节基因（regulatory gene）编码能够与操纵）编码能够与操纵 序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、序列结合的调控蛋白，可

24、以分为三类：特异因子、 阻遏蛋白和激活蛋白。阻遏蛋白和激活蛋白。 调控蛋白的作用分别是调控蛋白的作用分别是 特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的聚合酶对一个或一套启动序列的 特异性识别和结合能力，如特异性识别和结合能力，如因子；因子； 目录目录 40 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合特异可以识别、结合特异DNA序列序列操纵序列，操纵序列， 抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物 中普遍存在；中普遍存在； 激活蛋白激活蛋白

25、可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚聚 合酶与启动序列的结合能力，从而增强合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转聚合酶的转 录活性，是一种正调控（录活性，是一种正调控（positive regulation），如），如CAP 结合蛋白。结合蛋白。 目录目录 41 基因表达有正调控和负调控基因表达有正调控和负调控 调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：调节原核生物基因表达的效应蛋白可分： 阻遏蛋白阻遏蛋白-负调控因素负调控因素 激活蛋白激活蛋白-正调控因素正调控因素 目录目录 42 大肠杆菌可以利用大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯葡萄糖

26、、乳糖、麦芽糖、阿拉伯 糖糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和葡萄糖和 乳糖乳糖时，细菌时，细菌优先优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌 停止生长，但经过短时间的停止生长，但经过短时间的适应适应，就能完全利用乳糖，就能完全利用乳糖， 细菌继续呈指数式繁殖增长。细菌继续呈指数式繁殖增长。 二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控 目录目录 43 大肠杆菌能够利用乳大肠杆菌能够利用乳 糖作为它的唯一碳源，糖作为它的唯一碳源， 就必须使得：就必须使得： 1.乳糖能进入细胞乳糖能进入细胞 2. 将乳糖水解

27、为将乳糖水解为 半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖 半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷酶、透酶和 乙酰基转移酶乙酰基转移酶是大肠是大肠 杆菌杆菌DNA上乳糖操纵上乳糖操纵 子的子的3个结构基因，经个结构基因，经 转录和翻译而成。转录和翻译而成。 目录目录 44 （一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 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 ZYAOP DNA I 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 编码阻遏蛋白编码阻遏蛋白 CAP: catabolite activation protei

28、n 目录目录 45 图图18-2 lac 18-2 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节 目录目录 46 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）乳糖操纵子受阻遏蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节 阻遏基因阻遏基因 1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 有有乳糖存在时：乳糖存在时： Lac operon 被诱导表达。被诱导表达。 阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解序列解 聚、因此每个细胞中可能有寥寥数分子聚、因此每个细胞中可能有

29、寥寥数分子-半乳糖苷酶、透酶半乳糖苷酶、透酶 生成。乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，再经过生成。乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，再经过- 半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂（半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂（ inducer)与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与 O序列解离，而发生转录。序列解离，而发生转录。 半乳糖半乳糖 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白 结合半乳糖后，阻结合半乳糖后，阻 遏蛋白构象改变遏蛋白构象改变 目录目录 48 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在时有乳糖存在时 I DNA ZYA

30、OP 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 图图18-4 18-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节 目录目录 49 n半乳糖的类似物半乳糖的类似物异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（ IPTG）因与半乳糖结构类似，是一种作用）因与半乳糖结构类似，是一种作用 极强的诱导剂。常被实验室采用。极强的诱导剂。常被实验室采用。 半乳糖半乳糖 目录目录 50 + + + + + + + + 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

31、ZYAOP DNA CAP CAP CAPCAP CAP CAP 目录目录 51 3. 3. 协同调节协同调节 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。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；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若 有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首 先利用葡萄糖。葡萄糖对先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作操纵子的阻遏作 用称用称分解代

32、谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。 两者相辅相成，缺一不可两者相辅相成，缺一不可 目录目录 52 mRNA 无乳糖时无乳糖时高乳糖时高乳糖时 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 OO FLASH 目录目录 53 图图18-318-3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和诱导剂对和诱导剂对laclac操纵子的调节操纵子的调节 目录目录 54 Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OP trpR 调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸

33、操纵子色氨酸操纵子 三、三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式色氨酸操纵子通过转录衰减的方式 阻遏基因表达阻遏基因表达 色氨酸操纵子的作用阻遏原理色氨酸操纵子的作用阻遏原理 目录目录 55 四、原核基因表达在转录终止阶段四、原核基因表达在转录终止阶段 有不同的调控机制有不同的调控机制 （一一）不依赖）不依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止 两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸；若干核苷酸； 下游含一系列下游含一系列T序列。序列。 终止子结构特点：终止子结构特点： 目录目录 56 近终止区的转录产物形成发夹近终止区的转录产物形成发夹(hairpin

34、)结构结构 是非依赖是非依赖因子终止的普遍现象。因子终止的普遍现象。 目录目录 57 （二）依赖（二）依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止 常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。 目录目录 58 五、原核基因表达在翻译水平的多个环五、原核基因表达在翻译水平的多个环 节受到精细调节节受到精细调节 （一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表 达调控的有效性达调控的有效性 衰减是转录衰减是转录- -翻译的偶联调控翻译的偶联调控 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏除了产物阻遏 负调控外，还有负调控外，还有转

35、录衰减（转录衰减（attenuation）调控方调控方 式。式。 目录目录 单林娜 制作 59 结构基因结构基因 催化分支酸转变为色氨酸催化分支酸转变为色氨酸 的酶的酶 色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 trpR trpR P 目录目录 单林娜 制作 60 目录目录 61 UUUU UUUU 调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP 前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU 前导前导mRNA 1234 衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形

36、成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU 目录目录 62 UUUU 34 UUUU 3 3 4 核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 12 5 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构 就是终止子就是终止子 可使转录可使转录 前导前导DNA UUUU 3 RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止 目录目录 63 UUUU 3424 23 UUUU 核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 1 5 trp 密码子密码子 结构

37、基因结构基因 前导前导DNA RNARNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关 结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 目录目录 64 图图18-4 18-4 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制色氨酸操纵子的结构及其关闭机制 目录目录 65 衰减衰减和和抗终止抗终止现象最早在现象最早在E.coli Trp操纵子中发操纵子中发 现，其结构和机制异常精细。衰减可以使得转录现，其结构和机制异常精细。衰减可以使得转录 提前结束，抗终止使得转录继续进行下去。提前结束，抗终止使得转录继续进行下去。 阻遏和衰减虽

38、然都在转录水平上进行，但两者的阻遏和衰减虽然都在转录水平上进行，但两者的 机制完全不同：前者控制转录的起始，后者决定机制完全不同：前者控制转录的起始，后者决定 转录起始后是否进行下去。衰减作用比阻遏作用转录起始后是否进行下去。衰减作用比阻遏作用 是更为精细的调节。是更为精细的调节。 目录目录 66 衰减子更衰减子更灵敏灵敏 只要只要Trp一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结 合合O序列，也可以使大量的序列，也可以使大量的mRNA转录提前终转录提前终 止。反之，当止。反之，当Trp减少时，即使失去了诱导阻减少时，即使失去了诱导阻 遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导

39、肽遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽 的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可 能充分的消耗能充分的消耗Trp，使其合成维持在满足需要，使其合成维持在满足需要 的水平，防止的水平，防止Trp堆积和过多的消耗能量。堆积和过多的消耗能量。 目录目录 67 （二）大分子结合于启动序列或启动序列周围（二）大分子结合于启动序列或启动序列周围 进行自我调节进行自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核糖体识别靶位点，阻止核糖体识别 翻译起始区，从而阻断翻译。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

40、的，抑制自身的 合成，称合成，称自我控制自我控制(autogenous control)。 蛋白质结合：蛋白质结合： 目录目录 68 如：核糖体蛋白是自身翻译的抑制蛋白如：核糖体蛋白是自身翻译的抑制蛋白 组成核糖体的蛋白质有组成核糖体的蛋白质有50种之多，这些蛋种之多，这些蛋 白质必需以相同的速度合成出来，且它们白质必需以相同的速度合成出来，且它们 必需严格保持与必需严格保持与rRNA相应的水平。相应的水平。 当有过量核糖体蛋白游离存在时即会引起当有过量核糖体蛋白游离存在时即会引起 它自身以及有关蛋白质合成的阻遏。它自身以及有关蛋白质合成的阻遏。 目录目录 69 核糖体蛋白质核糖体蛋白质 rR

41、NAmRNA ？ 核糖体蛋白质既可以和核糖体蛋白质既可以和rRNA结合，又可以和编码自身的结合，又可以和编码自身的 mRNA结合。但是它对前者的结合力要比后者大很多。结合。但是它对前者的结合力要比后者大很多。 正常情况下，核糖体蛋白质与正常情况下，核糖体蛋白质与rRNA结合，当它表达过量结合，当它表达过量 时，时，“多余的多余的”核糖体蛋白就会和核糖体蛋白就会和mRNA结合，阻遏自结合，阻遏自 身的翻译。身的翻译。 机制：机制： 目录目录 70 如如SD序列与序列与16S rRNA的互补程度，以及的互补程度，以及 SD序列到起始密码子之间的距离都强烈序列到起始密码子之间的距离都强烈 影响翻译的

42、效率。影响翻译的效率。 核酸分子结合：核酸分子结合： 目录目录 71 （三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的的 结合实现对翻译起始的调控结合实现对翻译起始的调控 编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA） 直接或间接地结合来决定翻译起始。直接或间接地结合来决定翻译起始。 调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核 糖体的结合。糖体的结合。 目录目录 72 nS8：组成核糖体小亚基的一个蛋白，可以与：组成核糖体小亚基的一个蛋白，可以与16S rRNA的茎环结构结合。的茎环结构结合。 nL5

43、：组成核糖体大亚基的一个蛋白，其：组成核糖体大亚基的一个蛋白，其mRNA的的5 末端能形成与末端能形成与16S rRNA类似的茎环结构。类似的茎环结构。 n当当16S rRNA充足充足时，可以与所有的时，可以与所有的S8蛋白结合，蛋白结合， 不影响不影响L5蛋白合成；蛋白合成； n当当16S rRNA不足不足时，多余的时，多余的S8与与L5 mRNA结合，结合， 阻遏阻遏L5蛋白的合成。蛋白的合成。 目录目录 73 （四）反义（四）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的翻译起始部位的 互补序列对翻译进行调节互补序列对翻译进行调节 可调节基因表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNA。

44、 细菌中含有与特定细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补翻译起始部位互补 的的RNA，通过与，通过与mRNA杂交阻断杂交阻断30S小亚基对小亚基对 起始密码子的识别及与起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制序列的结合，抑制 翻译起始。这种调节称为翻译起始。这种调节称为反义控制反义控制(antisense control)。 目录目录 74 （五）（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度密码子的编码频率影响翻译速度 当基因中的密码子是常用密码子时，当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA 的翻译速度快，反之，的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。的翻译速度慢。 目录目录 75 第三节第

45、三节 真核基因表达调控真核基因表达调控 Regulation of Gene Expression in Eukaryote 目录目录 76 一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多；得多； 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳 类基因组中只有类基因组中只有10%的序列编码的序列编码蛋白质、蛋白质、rRNA 、tRNA等，其余等，其余90%的序列，包括大量的重复的序列，包括大量的重复 序列功能至今还不清楚，可能参与调控；序列功能至今还不清楚，可能参与调控； 真核生物编码蛋白质的基因

46、是真核生物编码蛋白质的基因是不连续的不连续的，转录后，转录后 需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调 控的层次控的层次 ； 目录目录 77 原核生物的基因编码序列在操纵子中，原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反多顺反 子子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控使得几个功能相关的基因自然协调控 制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一 条条mRNA，即，即mRNA是是单顺反子单顺反子（monocistron ），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的 不同亚基也将涉及到多

47、个基因的协调表达；不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达； 目录目录 78 真核生物真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构在细胞核内与多种蛋白质结合构 成成染色质染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；达； 真核生物的遗传信息不仅存在于真核生物的遗传信息不仅存在于核核DNA上，还上，还 存在存在线粒体线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的上，核内基因与线粒体基因的 表达调控既相互独立而又需要协调。表达调控既相互独立而又需要协调。 目录目录 79图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控 目录目录 80 二、染色

48、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 活性染色质活性染色质 (active chromatin) 具有转录活性的染色质。具有转录活性的染色质。 超敏位点（超敏位点（hypersensitive site) 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶当染色质活化后，常出现一些对核酸酶 （如（如DNase I）高度敏感的位点。）高度敏感的位点。 （一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 目录目录 81 (二二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变转录活化染色质的组蛋白发生改变 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰 （a a）组蛋白与）组蛋

49、白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）组蛋白的氨基端伸出核）组蛋白的氨基端伸出核 小体，形成组蛋白尾巴；（小体，形成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体 目录目录 82 转录活跃区域的染色质中的组蛋白转录活跃区域的染色质中的组蛋白 的特点：的特点： n富含富含Lys的的H1组蛋白降低组蛋白降低； nH2A-H2B 组蛋白二聚体不稳定性增加组蛋白二聚体不稳定性增加，使其容易从核小，使其容易从核小 体核心中被置换出来；体核心中被置换出来； n核心组蛋白核心组蛋白H3、H4可发生乙酰化、磷酸化及泛素化可发生乙酰化、磷酸化及泛素化修饰修饰 。 以上特点

50、使得核小体结构变得以上特点使得核小体结构变得松弛不稳定松弛不稳定，降低核小体对，降低核小体对 DNA的亲和力，的亲和力，易于基因转录易于基因转录。 目录目录 83 组蛋白乙酰化去乙酰化组蛋白乙酰化去乙酰化 组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程，而其稳组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程，而其稳 定状态的维持则是多种定状态的维持则是多种组蛋白乙酰基转移酶（组蛋白乙酰基转移酶（ HATs）和和去乙酰基酶（去乙酰基酶（HDACs）共同作用的共同作用的 结果。这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质结果。这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质 结构发生动态的改变，并对基因的转录产生相结构发生动态的改变，并对基因的转录产

51、生相 应的影响。应的影响。 目录目录 84 赖氨酸赖氨酸 引入乙酰基引入乙酰基 乙酰基转移酶乙酰基转移酶 去乙酰化酶去乙酰化酶 目录目录 85 组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因 转录活性变化可能的机制：转录活性变化可能的机制： 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白组蛋白 携带正电荷量减少携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的，降低其与带负电荷的DNADNA 链的亲和性，导致局部链的亲和性，导致局部DNADNA与组蛋白八聚体解与组蛋白八聚体解 开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白

52、因 子与子与DNADNA特异序列结合，进而发挥转录调控作特异序列结合，进而发挥转录调控作 用。用。 目录目录 86 组蛋白甲基化组蛋白甲基化 n通常不改变组蛋白尾巴上的电荷；通常不改变组蛋白尾巴上的电荷； n增加其碱性度和疏水性；增强组蛋白与增加其碱性度和疏水性；增强组蛋白与 DNADNA的亲和力。的亲和力。 目录目录 87 组蛋白组蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基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

53、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 目录目录 88 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括 两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直 接影响染色质或核小体的结构，以及化学

54、修接影响染色质或核小体的结构，以及化学修 饰募集其他调控基因转录的蛋白质，为其他饰募集其他调控基因转录的蛋白质，为其他 功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这 些理论构成了些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说。 目录目录 89 （三三） CpG岛甲基化水平降低岛甲基化水平降低 CpG岛（岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是：甲基化胞嘧啶在基因组中并不是 均匀分布，有些成簇的非甲基化均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个基因组中，存在于整个基因组中， 人们将这些人们将这些GC含量可达含量可达60%，长度为，长度为300

55、-3000bp的区段称的区段称 为为CpG岛岛。 转录活跃状态的染色质中，转录活跃状态的染色质中，CpG岛的甲基化程度岛的甲基化程度降低降低。 目录目录 90 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)是真核生物在是真核生物在 染色质水平调控基因转录的重要机制。主要是染色质水平调控基因转录的重要机制。主要是由由 DNA甲基转移酶甲基转移酶所催化的所催化的基因组基因组DNA上的上的胞嘧啶胞嘧啶 第第5位碳原子位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此 被修饰为被修饰为5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC) 。 DNMT1 胞嘧啶胞嘧

56、啶5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 目录目录 91 表观遗传（表观遗传（epigenetic inheritance) ：染色质结：染色质结 构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞，其机 制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲甲 基转移酶，可以在基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本复制后，依照亲本DNA链链 的甲基化位置催化子链的甲基化位置催化子链DNA在相同位置上发生甲在相同位置上发生甲 基化。基化。 表观遗传对基因表达的调控不仅体现在表观遗传对基因表达

57、的调控不仅体现在DNA甲基甲基 化上，组蛋白乙酰化、甲基化和非编码小化上，组蛋白乙酰化、甲基化和非编码小RNA的的 调控都属于表观遗传调控的范畴。调控都属于表观遗传调控的范畴。 目录目录 92 三、基因组中的顺式作用元件是转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起 始的关键调节部位始的关键调节部位 同原核生物一样，同原核生物一样，转录起始转录起始是真核生物表达调是真核生物表达调 控的关键。控的关键。 顺式作用元件顺式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列。序列。 目录目录 93 图图18-718-7顺式作用元件顺式作用元件 A A、B B分别代表同一基因中

58、的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列。序列。B B序列通过一定机制影序列通过一定机制影 响响A A序列，并通过序列，并通过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A A、B B 序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件 目录目录 94 （一）真核生物启动子结构和调节远较原核（一）真核生物启动子结构和调节远较原核 生物复杂生物复杂 真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位 点周围的一组转录控制组件，至少包括一点周围的一组转录控制组件，至少包括一 个个转录起始点转录起始

59、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 GC盒盒 CAAT盒盒 目录目录 95 最典型的功能组件是最典型的功能组件是TATA盒：盒： 位于转录起始点上游位于转录起始点上游-25 -30bp,控制转控制转 录起始的准确性及频率，是录起始的准确性及频率，是TFD的结的结 合位点。合位点。 以及以及GC盒：盒： 30 110bp区域区域GGGCGG; CAAT盒：盒：30 110bp区域区域GCCAAT， 另外，还有不含另外，还有不含TATA盒的启动子。盒的启动子。 目录目录 96 CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒 转录起始点转录起始点 高等真核生物高等真核生物 上游激活序

60、上游激活序 列（列（UAS） TATA盒盒 转录起始点转录起始点 酵母酵母 真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构 目录目录 97 常见启动子元件结合的转录因子常见启动子元件结合的转录因子 目录目录 98 （二）增强子是能够提高转录效率的顺式（二）增强子是能够提高转录效率的顺式 调控元件调控元件 增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下： 与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于 顺式作用元件；顺式作用元件； 是组织特异性转录因子的是组织特异性转录因子的结合部位；结合部位； 不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而