第13章基因表达调控

1、第第13章章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression 基因表达调控是分子生物学领域的一个研究课题，是运基因表达调控是分子生物学领域的一个研究课题，是运用各种分子生物学技术用各种分子生物学技术(包括基因工程的技术包括基因工程的技术)，再结合细，再结合细胞生物学、分子遗传学及发育胚胎学等领域的原理和技术，胞生物学、分子遗传学及发育胚胎学等领域的原理和技术，研究细胞或个体生长过程中基因表达的方式、规律及其调研究细胞或个体生长过程中基因表达的方式、规律及其调节机制，以及这些表达规律、调节机制与发育分化、个体节机制，以及这些表达规律、调节机制与发育分化、个体适应

2、环境的关系。适应环境的关系。 第一节第一节 基因表达调控的基本规律及相关概念基因表达调控的基本规律及相关概念1.1.基因表达的概念基因表达的概念2.2.基因表达是受到调控的基因表达是受到调控的3.3.基因表达调控的基本规律基因表达调控的基本规律4.4.基因表达的方式基因表达的方式1.1.基因表达的概念基因表达的概念 是指在各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历转是指在各种调节机制控制下，从基因激活开始，经历转录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，从而录、翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，从而赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体获得一定的遗传赋予细胞一定的功能或表型，或使生物体

3、获得一定的遗传性状。性状。简单地说，基因表达就是指基因转录和翻译的过程，简单地说，基因表达就是指基因转录和翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。即：生成具有生物学功能产物的过程。广义上说，编码广义上说，编码rRNArRNA和和tRNAtRNA的基因，转录生成的基因，转录生成rRNArRNA和和tRNAtRNA，无翻译过，无翻译过程，也属基因表达。程，也属基因表达。 基因表达基因表达(gene expression) 生物体基因数量很多，但在某一特定时期只有一小部分生物体基因数量很多，但在某一特定时期只有一小部分基因处于活化状态，能进行转录基因处于活化状态，能进行转录( (例如，真核细胞

4、约例如，真核细胞约2%2%5 5基因具转录活性基因具转录活性) )。因此，机体内存在着复杂的调节机因此，机体内存在着复杂的调节机制，调节基因的表达。制，调节基因的表达。基因表达调控的意义在于通过调控基因表达调控的意义在于通过调控基因表达，使生物体适应环境、调节代谢、维持机体的生基因表达，使生物体适应环境、调节代谢、维持机体的生长与繁殖。长与繁殖。 2.2.基因表达是受到调控的基因表达是受到调控的 无论是真核生物还是原核生物，其基无论是真核生物还是原核生物，其基因的表达都遵循一定的规律，即因的表达都遵循一定的规律，即基因表达基因表达具有时间特异性和空间特异性。具有时间特异性和空间特异性。3.3.

5、基因表达调控的基本规律基因表达调控的基本规律（1 1）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格按特按功能需要，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 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阶段特异性特异性(stage specificity)。（2）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分布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，差异，实际上是由细胞在器官的分布决定

6、的，所以空间特异性又称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)。 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，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)。4.4.基因表达的方式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： 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（1 1）基本（或组成性）表达）基本（或组成性）表达 某些基因在一个

7、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)。 无论表达水平高低，管家基因较少受环无论表达水平高低，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，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，这类基或变化很小。区别于其他基因，这类基因 表 达 被 视 为因 表 达 被 视 为 组 成 性 基 因 表 达组 成 性 基 因 表 达(constitutive gene expression)。（2 2）诱导和

8、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可诱导基因因( (inducible gene) )。 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(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(repressible gene)。可阻遏。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。5

9、.5.基因表达调控的意义基因表达调控的意义（1 1）以适应环境、维持生长和增殖）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的。通过一生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋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，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。 （2 2）以维持细胞分化与个体发育）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，或同一生长在多细胞个体生长、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质分子分布、种类和含发育阶段，不同组

10、织器官内蛋白质分子分布、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。量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。 二二. .基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理1.1.基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因表达调控是在多级水平上进行的，从基因激活至蛋白基因表达调控是在多级水平上进行的，从基因激活至蛋白质合成，至少有下述几个环节调节细胞内蛋白质的浓度质合成，至少有下述几个环节调节细胞内蛋白质的浓度 : :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 转录后加工转录后加工mRNA降解降解最重要的是转录起始的调控最重要的是转录起始的调控蛋白质翻译蛋

11、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2. 2. 原核生物以操纵子为单位进行调节原核生物以操纵子为单位进行调节 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) 操纵子操纵子(operon)是由功能上相关的一组基因在染色体上是由功能上相关的一组基因在染色体上串联，共同构成的一个转录单位。通常一个操纵子含有一串联，共同构成的一个转录单位。通常一个操纵子含有一个启动序列及数个编码基因个启动序列及数个编码基因(

12、26个，甚至更多个，甚至更多)，还有其，还有其它调节序列。它调节序列。 （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聚合酶与启聚合酶与启动序列的结合，或是动序列的结合，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，阻碍转录。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阻遏蛋白阻遏蛋白是是RNA聚合酶结合并启动转录的聚合酶结合并启动转录的特异特异DNA序列。序列。（1 1）启动序列）启动序列（3 3）其他调节序列、调节蛋白）其他调节序列

13、、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，促序列，促进进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。3.3.真核生物的转录激活调节：真核生物的转录激活调节： 顺式作用元件与反式作用因子的相互作用决定基因是否转录顺式作用元件与反式作用因子的相互作用决定基因是否转录 （1）顺式作用元件）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 不同真核生物的顺式作用元件中发现一些共有序列，如不同真核生物的顺式作用元件中发现一些共有序列

14、，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这些共有序列是盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异聚合酶或特异转录因子的结合位点。转录因子的结合位点。（2）反式作用因子）反式作用因子(trans-acting factor) 直接或间接与直接或间接与DNA的顺式作用元件识别、结合的蛋白质因子。的顺式作用元件识别、结合的蛋白质因子。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（1）顺式作用元件）顺式作用元件

15、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真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。无关。 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特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。异

16、蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 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。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。 1 1）反式作用因子的作用方式：）反式作用因子的作用方式：（2）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

17、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 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白2 2）反式作用因子的分类（按功能特性）反式作用因子的分类（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白因子，决聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特为个别基因转录所必需，决定

18、该基因的时间、空间特异性表达。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3 3）转录调节因子的结构）转录调节因子的结构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：锌指锌指(zinc finger)常结合常结合GC盒盒a a-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒碱性螺旋碱性螺旋- -环环- -螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及反式作用因子与顺式作用元件之间的

19、特异识别及结合通常是非共价结合，被识别的结合通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。通常呈对称、或不完全对称结构。 绝大多数调节蛋白质结合绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成蛋白质相互作用，形成二聚体二聚体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始。转录起始。1.1.原核基因转录调节的特点原核基因转录调节的特点转录与翻译两过程紧密偶联。因原核细胞无核转录与翻译两过程紧密偶联。因原核细胞无核 膜，所以膜，所以转录与翻译过

20、程是紧密偶联的。转录与翻译过程是紧密偶联的。功能相关的多个基因成簇串联，形成操纵子，众多基因功能相关的多个基因成簇串联，形成操纵子，众多基因在同一操纵子控制下共同开启或关闭。在同一操纵子控制下共同开启或关闭。操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节。操纵子调节机制中普遍存在阻遏蛋白介导的负性调节。因操纵子内多个基因串联，转录产物为多顺反子因操纵子内多个基因串联，转录产物为多顺反子mRNA，即多个功能相关的基因串联，转录产物在一条即多个功能相关的基因串联，转录产物在一条mRNA上，上，翻译产物为多个多肽链。翻译产物为多个多肽链。转录起始是基因表达调控的最关键环节。转录起始是基因表达调控的最

21、关键环节。 原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位单位操纵子（操纵子（operon）。一个操纵子只含一）。一个操纵子只含一个启动序列（个启动序列（promoter）及数个可转录的编码）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。个启动基因的活性来完成的。 2. 2. 操纵子调控模式在原核基因转录起始操纵子调控模式在原核基因转

22、录起始的调节中具有普遍性的调节中具有普遍性（1）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ZYAOPDNA以乳糖操纵子为例介绍操纵子的调控模式以乳糖操纵子为例介绍操纵子的调控模式mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（2）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阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在

23、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图图13-4 13-4 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+ + + + + + + + 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CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP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。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

24、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第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节1 1、真核基因组具有独特的结构特点、真核基因组具有独特

25、的结构特点（1）真核基因组结构庞大）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNA 约约 3109碱基对，人编码基因碱基对，人编码基因约约4万个，编码序列仅占总长的万个，编码序列仅占总长的1%。（2）真核基因转录产物为单顺反子）真核基因转录产物为单顺反子(monocistron) （3）真核基因组含有大量的重复序列）真核基因组含有大量的重复序列（4）真核基因中存在非编码序列和间隔区，即具有不连续性）真核基因中存在非编码序列和间隔区，即具有不连续性2 2、真核基因表达调控的特点、真核基因表达调控的特点（1）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

26、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。 （2）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化1）对核酸酶敏感：）对核酸酶敏感：活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。2）DNA拓扑结构变化：拓扑结构变化：天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构均以负性超螺旋构象存在；基因活化后变为正性超螺旋构象。象存在；基因活化后变为正性超螺旋构象。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

27、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。4）组蛋白变化：）组蛋白变化：富含富含Lys组蛋白水平降低；组蛋白水平降低；H2AH2B二聚体不稳定性增加；二聚体不稳定性增加；组蛋白组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰。发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰。 （3）在真核基因表达调控中以正性调节占主导）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合足可阻断：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会聚合酶的结合，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，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。白可提高基因表达调节的特异性和精确