生物化学与分子生物学：第13章 基因表达调控

1、第十三章第十三章基基 因因 表表 达达 调调 控控 Regulation of gene expression基因表达基因表达结构基因结构基因mRNA蛋白质蛋白质转录翻译多肽链在DNA的编码区（生命蓝图）（生命蓝图）生物体的结构生物体的结构与功能与功能（生命现象）（生命现象）调节基因调节基因mRNA调节蛋白调节蛋白转录翻译tRNArRNA主主 要要 内内 容容 掌握基因表达调控的基本概念、原理掌握基因表达调控的基本概念、原理 掌握原核基因转录调节掌握原核基因转录调节 熟悉真核基因转录调节熟悉真核基因转录调节第一节第一节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conception

2、s of Gene Expression Regulation一、基因表达概念一、基因表达概念 基因组基因组：一个细胞或病毒所携带的全部遗：一个细胞或病毒所携带的全部遗 传信息或整套基因（细菌约含传信息或整套基因（细菌约含4000,人含人含34万个结构基因）。万个结构基因）。 基因表达基因表达：指基因转录及翻译过程。：指基因转录及翻译过程。rRNA、tRNA编码基因转录产生编码基因转录产生RNA的过程也属此的过程也属此范围。范围。真核生物在一定时间内只有真核生物在一定时间内只有2%15%的基因的基因进行表达，进行表达，基因表达受严格的调控基因表达受严格的调控。 如果一个细胞在同一时间内全部基因

3、进行如果一个细胞在同一时间内全部基因进行表达，将出现蛋白质合成的巨大浪费，细胞表达，将出现蛋白质合成的巨大浪费，细胞也无法适应环境而生存。也无法适应环境而生存。 如果生物体每个细胞都有相同基因的表达，如果生物体每个细胞都有相同基因的表达，这种生物体将不可能有器官和组织功能的分这种生物体将不可能有器官和组织功能的分工，从而不能进行正常的生命活动。工，从而不能进行正常的生命活动。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指不同发育阶段、不同指不同发育阶段、不同 生理状态下有不同基生理状态下有不同基因的表达。因的表达。如如AFP（胎儿低分化的肝细胞表（胎儿低分化的肝细胞表达，成人高分化

4、的肝细胞基本不表达，肝细达，成人高分化的肝细胞基本不表达，肝细胞癌变又表达）、胎儿胞癌变又表达）、胎儿Hb等。等。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性异性(stage specificity)。（一）时间特异性（一）时间特异性 指不同细胞有不同基因表达，由细胞在器官指不同细胞有不同基因表达，由细胞在器官的分布决定，的分布决定，又称又称细胞细胞或组织或组织特异性。特异性。 如红细胞合成如红细胞合成 Hb，肝细胞合成白蛋白、，肝细胞合成白蛋白、HMG-CoA裂解酶，胰岛裂解酶，胰岛 细胞合成胰岛素，细胞合成胰岛素，前列腺细胞合成酸性磷酸酶，肝细胞合成

5、碱前列腺细胞合成酸性磷酸酶，肝细胞合成碱性磷酸酶等。性磷酸酶等。（二）空间特异性（二）空间特异性三、基因表达方式三、基因表达方式（一）（一） 组成性表达组成性表达 管家基因：管家基因：一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。的基因。 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数素影响，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，或变化很小。或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达性基因表达(

6、constitutive gene expression)。特点：受启动子及特点：受启动子及RAN聚合酶作用影响聚合酶作用影响（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，这种基因称为可诱导可诱导基因基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为过程，称为诱导诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是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可阻遏基因表达产物水平

7、降低的过程称为的过程称为阻遏阻遏(repression)。特点：除受启动子及特点：除受启动子及RAN聚合酶作用影响外，聚合酶作用影响外，还受其他机制调节（含特异刺激反应元件）还受其他机制调节（含特异刺激反应元件）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v 适应环境，维持生长和增殖适应环境，维持生长和增殖 血血G糖异生有关酶编码基因表达糖异生有关酶编码基因表达糖原分解糖原分解酶编码基因表达酶编码基因表达 血血G恢复恢复；当；当G耗尽有乳糖，耗尽有乳糖，乳糖代谢有关的酶编码基因表达。乳糖代谢有关的酶编码基因表达。v维持个体发育与分化维持个体发育与分化 多细胞个体中发育阶段不同，组织

8、器官不同，多细胞个体中发育阶段不同，组织器官不同，蛋白质分布也不同，这是调节细胞表型的关键。蛋白质分布也不同，这是调节细胞表型的关键。v基因表达的基因表达的多级多级调控调控v基因转录激活调节基本基因转录激活调节基本要素要素 特异特异DNA序列序列 调节蛋白调节蛋白 DNA-蛋白质，蛋白质蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 RNA聚合酶聚合酶第二节第二节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 转录前调控转录前调控（基因激活）（基因激活）转录水平转录水平调控调控转录后加工调控转录后加工调控翻译水平调控翻译水平调控翻译后加工调控翻译后加工调控mRNA降解调控降解调控基因表达的多级调

9、控基因表达的多级调控蛋白质降解蛋白质降解 操纵子：操纵子： 由由2个以上功能相关的编码序列与个以上功能相关的编码序列与启动序列（启动序列（promoter)、操纵序列、操纵序列(oprator)、以及其他调节序列、以及其他调节序列在原核在原核生物基因组中成簇地串联，密集于染生物基因组中成簇地串联，密集于染色体上，共同组成一个转录单位。色体上，共同组成一个转录单位。（一）特异（一）特异DNA序列序列操操 纵纵 子子启动序列启动序列 操纵序列操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）（ 控控 制制 区区 ）Promoter OperatorStructu

10、ral gene多顺反子多顺反子mRNA启动序列启动序列 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 当阻遏蛋白结合在操纵序列时，会阻遏当阻遏蛋白结合在操纵序列时，会阻遏RNA聚合酶与启动序列的结合聚合酶与启动序列的结合 激活蛋白结合在启动序列邻近，促进激活蛋白结合在启动序列邻近，促进RNA聚聚合酶与启动序列结合合酶与启动序列结合结构基因结构基因1 结构基因结构基因2 结构基因结构基因3启动序列启动序列 操纵序列操纵序列阻遏蛋白阻遏蛋白RNA聚聚合酶合酶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

11、能结合启动序列。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（二）调节蛋白（原核）（二）调节蛋白（原核） 特异因子：决定酶对启动序列识特异因子：决定酶对启动序列识 别和结合能力别和结合能力调节蛋白调节蛋白 阻遏蛋白：阻遏基因转录，负性阻遏蛋白：阻遏基因转录，负性 调节调节 激活蛋白：激活基

12、因转录，正性激活蛋白：激活基因转录，正性 调节调节( (一一) )、顺式作用元件是决定真核基因、顺式作用元件是决定真核基因转录活性的关键因素之一转录活性的关键因素之一exon1intron1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子真核生物真核生物真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件沉默子沉默子启动子启动子TATATATA盒盒CAATCAAT盒盒GCGC盒盒增强子增强子顺式作用元件分类顺式作用元件分类反应元件反应元件mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点m

13、RNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件增强子所处位置增强子所处位置在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子在所调控基因的上游或下游，但主要位于上游。下游内含子当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如共有序列，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这些共有盒等，这些共有序列是序列是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。( (二）二）、真核基因的调节蛋白真

14、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，调节自身基因的表达，称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因子蛋白质因子，通，通过与过与另一基因另一基因的特异的顺式作用元件相的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称互作用，调节其表达。这种调节作用称为为反式作用反式作用。 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图图13-3 反

15、式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白 DNA-蛋白质：蛋白质：是真核生物中反式作用因子与顺是真核生物中反式作用因子与顺式作用元件的特异识别及结合方式。是非共价键式作用元件的特异识别及结合方式。是非共价键结合结合 蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质:大多数调节蛋白质结合大多数调节蛋白质结合DNA前，前，需通过蛋白质需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体或多聚体(polymer) 间接结合间接结合DNA，调节，调节基因基因转录转录。（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节质相互作用对转录起始进行调节蛋

16、白质与蛋白质与DNADNA相互作用模式相互作用模式图图v 启动序列启动序列/ /启动子与启动子与RNARNA聚合酶亲和力大小影聚合酶亲和力大小影响转录启动的频率响转录启动的频率v 调节蛋白调节蛋白DNA-DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质- -蛋白质蛋白质影响影响RNARNA聚合酶活性聚合酶活性转录频率变化转录频率变化表达水表达水平不同平不同（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/启动子启动子相结合相结合第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点1. 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2. 操纵子

17、调节的普遍性操纵子调节的普遍性, 调节信号（诱导剂或阻遏调节信号（诱导剂或阻遏剂等）通过调节蛋白对转录启动进行调节。剂等）通过调节蛋白对转录启动进行调节。3. 阻遏蛋白发挥转录的开关作用阻遏蛋白发挥转录的开关作用, 活化蛋白对转录活化蛋白对转录进行协同调节。进行协同调节。4. 有时通过转录衰减进行细调节。有时通过转录衰减进行细调节。5. 对于复杂的环境变化需要多个操纵子组成网络对于复杂的环境变化需要多个操纵子组成网络化系统化系统(调节子调节子)进行协同调节。进行协同调节。操纵子调控系统操纵子调控系统（操纵子（操纵子+调节蛋白调节蛋白+调节物）调节物）调节基因调节基因操操 纵纵 子子mRNA调节

18、蛋白调节蛋白抑制转录或抑制转录或促进转录促进转录( 转录单位转录单位)（阻遏蛋白或（阻遏蛋白或活化蛋白活化蛋白） 调调 节节 物物（诱导剂或阻遏剂）（诱导剂或阻遏剂）CAP基因基因i 基因基因C PO LacZLacYLacAmRNA二、乳糖操纵子调控系统二、乳糖操纵子调控系统-半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖通透酶乳糖通透酶半乳糖乙酰半乳糖乙酰转移酶转移酶信息区信息区控 制 区控 制 区调 节 基 因调 节 基 因CAP分解代谢基分解代谢基因活化蛋白因活化蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白cAMPmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（一一）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调

19、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在没有乳糖存在时，在没有乳糖存在时，laclac操纵子处于操纵子处于阻遏状态阻遏状态。当有乳糖存在时，当有乳糖存在时，laclac操纵子即可被操纵子即可被诱导开放诱导开放。乳糖乳糖透酶透酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖半乳糖( (诱导剂诱导剂) )结合阻遏蛋白结合阻遏蛋白阻遏蛋白与阻遏蛋白与O O序列解离序列解离激活转录激活转录+ + + + + + + + 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

20、糖，cAMP浓度低时浓度低时（二二）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正性调节的正性调节 无无G，cAMPCAP+cAMPCAP -cAMP结合于结合于CAP位点位点刺激刺激RNA 转录活性转录活性 有有G，cAMPCAP不与不与cAMP结结 合合转录受阻转录受阻（三）协调调节（三）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。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

21、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谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。 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-polOOOO协调调节协调调节第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）（一）真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大哺乳类动

22、物哺乳类动物基因组基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因约编码基因约 有有 40000 个个，编码序列仅占总长的编码序列仅占总长的1%。重复基因约重复基因约 占占 5% 10%, 80% 90% 没有编码没有编码功能功能（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

23、多拷贝序列（四）基因不连续性四）基因不连续性不同剪接方式可形成不同不同剪接方式可形成不同mRNA表达调控表达调控二、真核基因表达调控更为复杂二、真核基因表达调控更为复杂（一）真核细胞内含有多种一）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。 （二）处于转录激活状态的染色质结构发生二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化明显变化1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存均以负性超螺旋构象存在；基因活化后在；基

24、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。促进组蛋白促进组蛋白二聚体释放二聚体释放3. DNA碱基的甲基化修饰变化碱基的甲基化修饰变化 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。转录活化甲基化范围与基因表达程度呈反比。转录活化基因基因CpG序列一般低甲基化序列一般低甲基化4.4. 组蛋白变化组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低，即组蛋白水平降低，即H1组蛋白减少组蛋白减少 H2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳

25、定性增加 组蛋白组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰修饰染色质结构与基因表达染色质结构与基因表达 与与DNA的的结合能力结合能力下降下降基因的基因的转录活性转录活性DNA去甲基化去甲基化、增强子和某增强子和某些蛋白质因子些蛋白质因子染色质染色质结构松散结构松散基因的基因的转录活性转录活性 组蛋白被磷酸化、组蛋白被磷酸化、甲基化、甲基化、 乙酰化乙酰化等修饰等修饰 真核细胞的染色质结构是调节基因表达的物理因真核细胞的染色质结构是调节基因表达的物理因素。素。结构结构松散松散的区域，基因的转录的区域，基因的转录活性高活性高。（三三）在真核基因表达调控中以正性调节占

26、主导）在真核基因表达调控中以正性调节占主导 采用正性调节机制更精确：采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结一个负性调节元件的结合足可阻断合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。达调节的特异性和精确性。 采用负性调节不经济：采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表不结合调节蛋白，所以是没

27、有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。（四四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、加工更为复杂五）转录后修饰、加工更为复杂 真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。物的分布、定位等环节均可以被调控。三、三、 RNA pol 转录起始的调节转录起始的调节（一）顺式作用元件（一）顺式

28、作用元件 启动子启动子：RNApol酶结合位点周围一组控酶结合位点周围一组控 制组件，制组件，- -25 - -30 TATA盒，是盒，是TF II D 结合点结合点 增强子增强子：增强启动子转录活性的：增强启动子转录活性的DNA序序 列，位置不定，可在上游或下游，有远距列，位置不定，可在上游或下游，有远距 离效应，无方向性，无专一性。离效应，无方向性，无专一性。 沉默子：沉默子：某些基因的负性调节元件，当其结合某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。启动子启动子（romoter）位于结构基因上游位于结构基因上游100200b

29、p内内,包括包括转录转录起始点起始点和若干个和若干个功能组件功能组件,典型的启动子包典型的启动子包括下列组件括下列组件:TATA盒：盒：位于位于+1至至-30bp区区,决定转录的精确起始决定转录的精确起始CAAT盒：盒：位于位于-70 -80 bp区区 GC盒：盒：位于位于CAAT盒的上游或下游盒的上游或下游三盒协同作用三盒协同作用, 共同决定转录的基础效率共同决定转录的基础效率 RNA pol 结合和启动转录的结合和启动转录的DNA序列序列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

30、图图13-7 真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构TATA盒盒TF IIDRNA聚合酶聚合酶II通用转录因子通用转录因子转录方向转录方向中介子中介子活化蛋白活化蛋白活化蛋白活化蛋白增强子增强子增强子增强子DNATF IIA增强子的作用模式图增强子的作用电镜像片（二）反式作用因子（二）反式作用因子：它们与它们与DNA 、RNA聚合酶聚合酶或其他蛋白质因子相互作用而调节转录。或其他蛋白质因子相互作用而调节转录。 1. 转录调节因子分类：转录调节因子分类：（1）基本转录因子：）基本转录因子： TF I、 TF II、TF III RNA聚合酶启动所必需的一组蛋白因子聚合酶启动所必需的一组蛋