自己下-第18章基因表达调控

第一节表达调控的基本概念与特点Basic

Conceptions

of

Gene

ExpressionRegulation一、表达是指

转录及翻译的过程

组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。(有些

是RNA.)表达(gene

expression)是 转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。表达调控是指如何被表达成蛋白质（或RNA),在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。二、

表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为

表达的时间特异性(temporal

specificity)。如甲胎蛋白（AFP),在后这一

表达水平很低。当肝细胞转肝癌细胞时AFP增强。多细胞生物

表达的时间特异性又称阶段特异性(stage

specificity)。↑肝细胞中表达活跃，成年（二）空间特异性在 生长全过程，某种组织空间顺序出现，称之为产物在 按不同表达的空间特异性(spatial

specificity)。如编码胰岛素的

只在胰岛的β细胞表达产生胰岛素。

表达伴随时间顺序所

的这种分布差异，实际上是由细胞在

的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性

(cell

or

tissuespecificity)。三、

表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，表达的方式分为：基本（或组

）表达诱导或阻遏表达（一）基本（或组）表达某些

在一个生物

的几乎所有细胞中持续表达，不易受环境因素影响，称基本表达.这些管家

(housekee gene)。这些通常被称为产物对生命全过。程是不可缺少的。如TAC各酶的编码无论表达水平高低，管家

较少受环境因素影响，而是在

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

，这类

表达被

视为基本(组

) 表达(constitutive gene expression)。（二）有些

的表达受到环境变化的诱导和阻遏在特定环境信号刺激下，相应的

被激活，表达产物增加，这种

称为可诱导基因(inducible

gene)。可诱导

在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。如果 对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏

(repressible gene)。可阻遏表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。（三）生物体内不同 的表达受到协调调节在一定机制控制下，功能上相关的一组

，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共

同

表

达

，

即

为

协

调

表

达

(coordinateexpression)

，

这

种

调

节

称

为

协

调

调

节(coordinate

regulation)。四、表达调控为生物体生长、发育所必需（一）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。通过一定的程序调控的表达，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。（二）以维持细胞分化与

发育在多细胞生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织

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。表达有哪些方式，其特点或规律是什么？表达的方式有基本（或组

）表达及诱导、阻遏之分。

表达具有时间特异性和空间特异性，这种特异性由特异的启动子和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定的。第二节表达调控的基本原理Basic

Principles

of

Gene

ExpressionRegulation一、表达调控呈现多层次和复杂性表达的多级调控激活拷贝数重排甲基化程度转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质翻译翻译后加工修饰蛋白质降解等二、转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节表达的调节与的结构、性质，生物或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。（一）特异DNA序列决定

的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性原核生物：大多数表达调控是通过子机制实现的：每一个转录区段可视为一个转录单位，称为子蛋白质因子——子(operon)

机制特异DNA序列编码序列启动序列(promoter)序列(operator)其他调节序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1、启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACAN17TTAACTN7ATTTACAN16TATGATN7ATTTACAN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN16TACTGTN6AtrptRNATyrlacrecAAra

BADTTGACATATAAT共有序列图13-1五种E.coli启动序列的共有序列共有序列(consensussequence)决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）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能力。2、

序列——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。编码序列启

pol

列阻遏蛋白3、其他调节序列、调节蛋白例如：激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些

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。真核生物1、顺式作用元件(cis-acting

element)转录起始点上游可以有不同的DNA序列在同一DNA链上,可影响自身BA编码序列DNA表达活性的DNA序列转录起始点RNA聚合酶ⅡmRNABADNA转录起始点RNA聚合酶ⅡmRNA图13-2

顺式作用元件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TATA盒、CAAT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。2、真核

的调节蛋白---反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)：参与真核生物起始和延长的蛋白因子。由某一

过与另一表达产生的蛋白质因子，通的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。还有蛋白质因子可特异识别、结合自身的调节序列，调节自身 的表达，称顺式作用。cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CbAmRNA蛋白质AA图13-3

反式与顺式作用蛋白指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节（四）RNA聚合酶与

的启动子相结合1、原核/真核启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。真核RNA聚合酶单独存在时与启动子亲和力极低或无亲和力。必须与转录因子形成复合物才能与启动子结合。2、调节蛋白与RNA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，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。第三节原核

表达调控Regulation

of

Gene

Expression

inProkaryote——调节的主要环节在转录起始。（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序一、原核

转录调节特点列；不同的σ因子决定特异决定mRNA、rRNA和tRNA的转录激活，的转录。（二）

子模型的普遍性原核生物绝大多数

按功能相关性成簇地串联、密集于

上，共同组成一个转录单位──

子（operon）。一个

子只含一个启动序列（promoter）及数个可转录的编码。通常，这些编码可转录出多顺反子

mRNA。原核的协调表达就是通过调控单个启动的活性来完成的。（三）原核子受到阻遏蛋白的负性调节原核

调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与就会发生特异序列结合或解聚时，的阻遏或去阻遏。二、子调控模式在原核

转录起始（一）乳糖的调节中具有普遍性子(lac

operon)的结构调控区CAP结合位点启动序列序列结构Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶POZYADNAmRNA阻遏蛋白IDNAO

Z

Y

Apol没有乳糖存在时（二）乳糖

子受阻遏蛋白和CAP（分解代谢物

激活蛋白）的双重调节1、阻遏蛋白的负性调节阻遏mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAO

Z

Y

Apol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶图13-4

lac子与阻遏蛋白的负性调节++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时2、CAP的正性调节P

O

Z

Y

ADNACAPCAP

CAP

CAP

CAPCAPCAP分子上有

cAMP结合区和

DNA的结合位点，cAMP与CAP结合后，再结合到CAP位点，可激活RNA转录活性。3、协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与

序列结合，

子仍无转录活性。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/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac

子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic

repression)。以乳糖 子为例简述原核细胞 表达调控原理？乳糖

子的调控区依次包括：CAP结合位点、P序列、O序列。结构Z、Y、A三个（β-半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶）。在调控区上游还有一个调节可转录出阻遏蛋白。P区可结合RNA聚合酶、O区可结合阻遏蛋白、CAP结合位点可结合活化的CAP。当没有乳糖存在时O区结合阻遏蛋白，抑制转录。若有葡萄糖、乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。当没有葡萄糖时，只有乳糖时，cAMP浓度较高，cAMP与CAP结合后再结合到CAP结合位点激活转录。同时乳糖经代谢转变成半乳糖，作为诱导剂与阻遏蛋白结合，引起蛋白构象变化，不能再与O区结合，转录开放，表达出结构的酶蛋白，对乳糖进行分解代谢，为细菌供能。三、原核生物具有不同的转录终止调节机制（一）不依赖Rho因子的转录终止终止子结构特点：两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。（二）依赖Rho因子的转录终止常见于噬菌体中。四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节调节蛋白结合mRNA靶位点，

白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的

，称自我控制(autogenous

control)。（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节可调节

表达的RNA称为调节RNA。细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制(antisense

control)。第四节真核 表达调节Regulation

of

Gene

Expression

inEukaryote一、真核组具有独特的结构特点（一）真核组结构庞大哺乳类动物人编码组DNA

约3×109碱基对。约3~4万个，编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复

约占5%~10%。（二）真核

转录产物为单顺反子即一个编码

转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。的重复序列高度重复序列（106

次）中度重复序列（103

~ 104次）单拷贝序列（一次或数次）人类 组中约有50%以上的序列是重复序列（三）真核

组多拷贝序列真核结构两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是

表达的调控区。在编码

尚有内含子（intron）、外显子（exon）之分，因此真核

是不连续的。（四）真核

中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性二、真核表达调控更为复杂表达的调控过程较原核生物要复杂较多，该过程真核

包括了激活、

转录起始、

转录后修饰

、

转录产物的细胞内转运、翻译起始、翻译后修饰等（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶真核RNA聚合酶有三种，即RNA

polI、II及III，分别负责三种RNA转录。（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化在；

活化后:对核酸酶敏感活化

常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存负超螺旋正超螺旋RNA-pol转录方向DNA碱基的甲基化修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与

表达程度呈反比。组蛋白变化富含Lys组蛋白水平降低H2A·H2B二聚体不稳定性增加组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰组蛋白修饰对于

表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控

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。这些理论构成了“组蛋白

”的假说。组蛋白氨基酸残基位点修饰类型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色质浓缩H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙酰化激活H3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙酰化装配H4Lys-12乙酰化装配H4Lys-16乙酰化核小体装配H4Lys-16乙酰化Fly

X激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响（三）在真核

表达调控中以正性调节占主导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

表达调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济：在正性调节中，大多

数

不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶即可被激活。（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行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。（五）转录后修饰、加工更为复杂三、RNA

PolI和PolIII转录体系的调节相对简单（一）RNA

Pol

I转录体系RNA

PolI的转录产物只有rRNA前体，经剪接修饰生成除5S

rRNA外的各种5.8rRNA、18rRNA

、28rRNA。启动子元件包括：

元件(core

element)或启动子(core

promoter)和上游控制元件(upstream

control

element,

UCE)。（二）RNA

PolIII转录体系RNA

PolIII的转录产物：多种小分子RNA，包括tRNA、5S

rRNA和一部分核内小RNA。启动子位于转录起始点下游，称

控制区(internal

control

regions,

ICR)。（一）真核

顺式作用元件影响

转录活性1.

启动子真核启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒等）。TATA盒是基本转录因子TFⅡD结合位点，TFⅡD通常由TBP和TAFs(是TBP的辅助因子)组成四、RNA

Pol

II转录起始的调节非常复杂CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母图13-7

真核启动子的典型结构2.

增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定的时间、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、距离无关。增强子的作用特征:（1）增强子与被调控于顺式作用元件。位于同一条DNA链上，属增强子是组织特异性转录因子的结合部位，当某些细胞或组织中存在能够与之相结合的特异转录因子时方能表现活性。增强子不仅能够在

的上游或下游起作用，而且还可以远距离实施调节作用（通常情况为1-4kb），个别情况下甚至可以调控30kb以外的

。增强子作用与序列的方向性无关。将增强子的方向倒置后依然能起作用，而方向倒置后的启动子就不能起作用。增强子需要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严

格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。3.沉默子(silencer)某些

的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对

转录起阻遏作用。（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白转录因子分类（按功能特性）通用转录因子(general

transcriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA

、tRNA及rRNA)转录的类别。特异转录因子(special

transcriptionfactors)为个别

转录所必需，决定该的时间、空间特异性表达。转录激活因子：增强子结合蛋白转录抑制因子：沉默子结合蛋白2.

转录因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）酸性激活域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域最常见的DNA结合域：1.

锌指(zinc

finger)常结合GC盒C——

CysH——

HisZnCysHis图13-8

锌指结构

-螺旋碱性螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链常结合CAAT盒（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。PolⅡTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡHTFⅡBDNATATAEBPTBP图13-9转录起始复合物的形成五、RNA

PolII转录终止的调节机制尚不清楚（一）HIV

组转录终止调节蛋白Tat与转录产物5′端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、RNA

Pol

II相互作用，

HIV

组转录的提早终止。（二）热休克蛋白

的转录终止调节在应激条件下暂时性停止大多数的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白(heat

shock

protein)的表达。六、转录后水平的调节也是表达调控的重要环节（一）hnRNA加工成

调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。（二）mRNA

、胞浆内稳定性的调节通过与蛋白质结合形成

白体复合物(ribonucleoprotein,

RNP)进行。七、表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行蛋白质

速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic

initiation

factor,

eIF）的活性对起始阶段有重要的控制作用。（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（RNA

binding

protein,

RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控

表达新蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学