基因表达的调控制

第五章

基因表达的调控

Regulationofgeneexpression

主讲：陈慧勇1现在是1页\一共有95页\编辑于星期三遗传信息传递中心法则2现在是2页\一共有95页\编辑于星期三基因表达

(geneexpression)

生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。一、基因表达的概念rRNA与tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达3现在是3页\一共有95页\编辑于星期三二、基因表达的特点（一）时间特异性

阶段特异性

（二）空间特异性组织细胞特异性P1414现在是4页\一共有95页\编辑于星期三

按对刺激的反应性分为两大类：（一）基本（组成性）表达

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或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。如管家基因。三、基因表达的方式5现在是5页\一共有95页\编辑于星期三管家基因(housekeepinggene)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。bcl-2β-actin126现在是6页\一共有95页\编辑于星期三（二）诱导和阻遏表达诱导表达(inductionexpression)阻遏表达(repressionexpression)协调表达(coordinanceexpression)在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。7现在是7页\一共有95页\编辑于星期三

四、基因表达的调控的概念

机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。8现在是8页\一共有95页\编辑于星期三五、基因表达的调控因子：

蛋白质(主要)RNA(某些环节)9现在是9页\一共有95页\编辑于星期三六、基因表达的调控水平

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后10现在是10页\一共有95页\编辑于星期三

第一节

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。11现在是11页\一共有95页\编辑于星期三一、原核生物基因表达的特点

1.只有一种RNA聚合酶。2.基因表达以操纵子为基本单位。操纵子（operon）多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。12现在是12页\一共有95页\编辑于星期三操纵子学说开创了基因表达调控的研究F·JacobJ·L·Monod13现在是13页\一共有95页\编辑于星期三操纵子(operon)模型tayz

opstructural

genepromoterterminatoroperator乳糖操纵子lacoperon14现在是14页\一共有95页\编辑于星期三PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多顺反子mRNA15现在是15页\一共有95页\编辑于星期三3.转录和翻译偶联进行：4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列。共有序列为AGGAGG16现在是16页\一共有95页\编辑于星期三

5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。

通常有两种方式：

(1)起始调控，即启动子调控；

(2)终止调控(衰减子调控)。17现在是17页\一共有95页\编辑于星期三二、原核生物基因表达的调控机制

(一)转录起始的调控

(二)转录终止的调控

(三)翻译水平的调控18现在是18页\一共有95页\编辑于星期三(一)转录起始的调控

1.б因子与转录起始的调控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)19现在是19页\一共有95页\编辑于星期三调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：确保RNA聚合酶与特异启动序列稳定结合，而不是与其它位点结合。(1)б因子20现在是20页\一共有95页\编辑于星期三

不同的σ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能力。最早发现的σ因子为σ70新发现：σ32、σ54

、σ28P10821现在是21页\一共有95页\编辑于星期三(2)启动序列（promoter）RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列22现在是22页\一共有95页\编辑于星期三

共有序列决定启动序列的转录活性强弱。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。23现在是23页\一共有95页\编辑于星期三

2.转录起始的负调控

乳糖操纵子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。24现在是24页\一共有95页\编辑于星期三

乳糖操纵子(lacoperon)的结构

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶阻遏基因I

调控区CAP结合位点

启动子操纵元件ZYAOPDNA25现在是25页\一共有95页\编辑于星期三mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因26现在是26页\一共有95页\编辑于星期三

操纵元件在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。27现在是27页\一共有95页\编辑于星期三

与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。

-10+1+10+20+30.....5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

28现在是28页\一共有95页\编辑于星期三mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖负调控的打破29现在是29页\一共有95页\编辑于星期三诱导剂（inducer）乳糖

1,6-别乳糖（体内生理）异丙基硫代半乳糖苷（IPTG，体外试验）30现在是30页\一共有95页\编辑于星期三3.转录起始的正调控

阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。

31现在是31页\一共有95页\编辑于星期三转录活性提高50倍无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时乳糖操纵子中CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP32现在是32页\一共有95页\编辑于星期三

cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:环一磷酸腺苷CAP：分解代谢基因激活蛋白质(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。33现在是33页\一共有95页\编辑于星期三

4．转录起始的复合调控

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。

34现在是34页\一共有95页\编辑于星期三mRNA没有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOmRNA35现在是35页\一共有95页\编辑于星期三

※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※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操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

36现在是36页\一共有95页\编辑于星期三

（二）转录终止的调控转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；ATP37现在是37页\一共有95页\编辑于星期三

例:色氨酸操纵子表达的调控

1.通过阻遏蛋白的负调控

2.通过衰减子作用B.不依赖ρ因子的终止调控。38现在是38页\一共有95页\编辑于星期三TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?转录衰减的调控色氨酸操纵子6700个核苷酸140个核苷酸39现在是39页\一共有95页\编辑于星期三UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……40现在是40页\一共有95页\编辑于星期三UUUU……34UUUU3’34

核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制

125’

trp密码子

衰减子结构可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶

终止41现在是41页\一共有95页\编辑于星期三UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA

15’

trp密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶

2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录

序列3、4不能形成衰减子结构42现在是42页\一共有95页\编辑于星期三色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。43现在是43页\一共有95页\编辑于星期三色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA聚合酶通过衰减子区域而继续转录。44现在是44页\一共有95页\编辑于星期三

(三)翻译水平的调控

翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子:RNA、蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。

45现在是45页\一共有95页\编辑于星期三1.反义RNA的调控作用

反义RNA

能与特定mRNA互补结合的RNA片段，由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。46现在是46页\一共有95页\编辑于星期三

反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达示意图47现在是47页\一共有95页\编辑于星期三2.RNA的稳定性与调控的关系mRNA的稳定性与其序列和结构有关。3.蛋白质合成中的自身调控

如：核糖体蛋白48现在是48页\一共有95页\编辑于星期三第二节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。

多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。49现在是49页\一共有95页\编辑于星期三一、真核生物基因表达的特点

（1）细胞具有全能性

（2）基因表达的时间性和空间性50现在是50页\一共有95页\编辑于星期三Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1HbPorlandHbGrowⅡ

HbFHbA2HbA胚胎期胎儿期成人期不同发育时期珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型胚胎期胎儿期和成人期ε51现在是51页\一共有95页\编辑于星期三

（3）转录和翻译分开进行

（4）初级转录产物要经过转录后加工修饰

初级转录产物为核不均一性RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）52现在是52页\一共有95页\编辑于星期三53现在是53页\一共有95页\编辑于星期三

（6）不存在超基因式操纵子结构（5）部分基因多拷贝

真核生物的mRNA是个单顺反子mRNA(monocistronicmRNA)54现在是54页\一共有95页\编辑于星期三TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′单顺反子mRNA

(monocistronicmRNA)55现在是55页\一共有95页\编辑于星期三二、真核生物基因表达的多级调控（一）DNA水平（二）转录水平（三）转录后水平（四）翻译水平（五）翻译后水平56现在是56页\一共有95页\编辑于星期三（一）DNA水平的调控1.染色质的丢失：不可逆的调控；2.基因扩增：增加基因的拷贝数；3.基因重排：调节表达产物多样性；VJCVJCVJCIgG的基因重排57现在是57页\一共有95页\编辑于星期三4.基因的甲基化修饰：

甲基化程度高，基因表达降低；早基化程度低，基因表达增加。5.染色质结构：

组蛋白与DNA结合，抑制基因转录，非组蛋白与DNA结合促进基因转录。58现在是58页\一共有95页\编辑于星期三（二）转录水平的调控真核生物RNA聚合酶有3种种类ⅠⅡⅢ转录产物45S-rRNA（5.8、18、28）Hn-RNAsnRNA5S-RNAtRNA（RNApolymerase,RNApol）59现在是59页\一共有95页\编辑于星期三1.转录起始复合物形成的调控

转录因子结合到DNA上，形成功能性启动子，才能被RNA聚合酶识别和结合。TFⅡDTFⅡA

TFⅡBRNApolyⅡ/TFⅡFTFⅡEDTATABFEDNAARNApolyⅡTATA60现在是60页\一共有95页\编辑于星期三转录因子(transcriptionfactor，TF)

是RNA合成起始所必需的因子，TF不依赖RNA聚合酶而独立地结合DNA，并且在转录过程中促使RNA聚合酶分子与启动子结合。61现在是61页\一共有95页\编辑于星期三2.顺式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。

62现在是62页\一共有95页\编辑于星期三

（1）启动子(promoter)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盒决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的一关键元件。63现在是63页\一共有95页\编辑于星期三

①核心启动子(corepromoter)②上游启动子元件(upstreampromoterelement,UPE)上游-25~-30bp处，又称TATA盒（TATAAAA）上游-30~-120bp处，包括GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）64现在是64页\一共有95页\编辑于星期三TATA盒CAAT盒GC盒

增强子

顺式作用元件

结构基因-CAAT--GCGC----TATA转录起始真核生物启动子保守序列65现在是65页\一共有95页\编辑于星期三(2)增强子(enhancer)

指位于启动子上游或下游并通过启动子增强目标基因转录效率的DNA顺序，增强子本身不具备启动子活性。位置距离及作用方向不固定决定基因表达的时空特异性66现在是66页\一共有95页\编辑于星期三(3)其他元件a)沉默子（silencer）指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。b)加尾信号67现在是67页\一共有95页\编辑于星期三5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA68现在是68页\一共有95页\编辑于星期三69现在是69页\一共有95页\编辑于星期三真核基因结构70现在是70页\一共有95页\编辑于星期三3.反式作用因子指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8～12bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。有时也称转录因子（transcriptionfactor,TF）。TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）71现在是71页\一共有95页\编辑于星期三反式作用因子根据作用方式分为三类：

①通用转录因子。普遍存在的转录因子。②组织特异性转录因子。与基因表达的组织特异性有很大关系。③诱导性反式作用因子。活性能被特异的诱导因子所诱导。72现在是72页\一共有95页\编辑于星期三反式作用因子结构域的模式DNA结合结构域转录活化结构域结构域连接区（结合其他蛋白质的结构域）73现在是73页\一共有95页\编辑于星期三（1）DNA结合域的结构模式1）锌指结构2）同源结构域3）碱性亮氨酸拉链5）碱性α-螺旋结构4）螺旋-环-螺旋结构74现在是74页\一共有95页\编辑于星期三1）锌指结构配位键2-9个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。75现在是75页\一共有95页\编辑于星期三Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等76现在是76页\一共有95页\编辑于星期三②同源结构域（homeodomain，HD）同源盒基因家族各基因间具有一相同的保守序列，称为同源结构域。所含的至少二个α螺旋中形成“转折”，第三个α螺旋与DNA大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA结合的主要力量。77现在是77页\一共有95页\编辑于星期三3）碱性-亮氨酸拉链二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。78现在是78页\一共有95页\编辑于星期三4）碱性-螺旋-环-螺旋79现在是79页\一共有95页\编辑于星期三（2）转录活化结构域：转录激活区1）酸性α-螺旋结构域2）富含谷氨酰胺结构域3）富含脯氨酰胺结构域80现在是80页\一共有95页\编辑于星期三4.转录水平的调控机制1）反式作用因子的激活1）表达式调节：反式因子合

成出来就具有活性2）共价修饰调节：

磷酸化-去磷酸化，糖基化3）配体结合4）蛋白质与蛋白质相互作用81现在是81页\一共有95页\编辑于星期三2）反式作用因子作用方式连锁反应：转录因子与DNA结合后促

进另一转录因子的结合DNA扭曲：改变DNA构型滑动：沿DNA滑动到另一特异

序列发挥作用82现在是82页\一共有95页\编辑于星期三PromoterEnhancerGENEDNA成环：使相应位点接近而发挥作用83现在是83页\一共有95页\编辑于星期三UpstreamenhancerTranscriptioninitiationsiteUpstreampromoterelement3）反式作用因子的组合式调控84现在是84页\一共有95页\编辑于星期三三、转录后水平的调控（一）5′端加帽和3′端多聚腺苷酸化保护mRNA在转录过程中不被降解（二）mRNA的选择性剪接85现在是85页\一共有95页\编辑于星期三外显子与内含子的连接区

指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个重要特征：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列

5'GT——AG