生物化学基因表达的调控

生物化学基因表达的调控第1页/共99页有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管家基因（housekeepinggene）。管家基因的表达只与启动序列（或称为启动子）和RNA聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他因素的影响。管家基因的表达方式称为组成性表达（constitutiveexpression）。

一、诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普通方式第2页/共99页有一类基因极易受到外界环境因素的影响。在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制性的表达。因此它们分别称为诱导表达（inductionexpression）和阻遏表达（repressionexpression）。这些基因分别称为可诱导（inducible）基因和可阻遏（repressible）基因。诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环境的改变而做出的两种表现形式。第3页/共99页基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻译水平的调控和翻译后水平的调控。转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。

二、基因表达调控是多层次的复杂过程第4页/共99页

三、基因表达具有时空特异性时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育。空间特异性（即组织特异性）：同一基因产物在不同的组织器官中的分布是不同的，某些基因在一种组织中暂不表达或永不表达。而另外一些基因是相反的情况。

第5页/共99页人血红蛋白珠蛋白b基因簇的阶段性表达第6页/共99页

四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节一个基因是否表达和表达多少与调节序列（regulatorysequence）密切相关。调节序列位于被调控的结构基因（structuralgene）的上游，具有特定的核苷酸序列。根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些调节序列称为顺式作用元件（cis-actingelement），包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）、沉默子（silencer）等。第7页/共99页有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元件结合，共同实现调节基因表达的目的，它们被称为反式作用因子（trans-actingfactor）。

第8页/共99页第二节原核生物基因表达调控原核生物基因组是一个闭合环状的DNA分子。原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（DNA，RNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，mRNA就已经结合在由rRNA和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。第9页/共99页1960年，法国巴黎巴斯德研究所的F.Jacob

和J.L.Monod发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的培养基中不分泌b-半乳糖苷酶，只有在只含乳糖的培养基中才能分泌b-半乳糖苷酶。分析表明这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码b-半乳糖苷酶的mRNA的结果。1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。

一、操纵子模型是原核生物基因表达的基本模式第10页/共99页1969年，J.R.Beckwith从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。

第11页/共99页乳糖操纵子（lacoperon）结构基因lacZ、lacY、lacA:分别编码b-半乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。操纵序列（operator，o）:阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋与操纵基因结合时，lac的转录将受到阻遏。阻遏基因lacI:编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。启动子（promoter）:位于lacI

和lacO之间。第12页/共99页典型的大肠杆菌启动子序列能够被由s70组成的RNA聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启动子的保守序列第13页/共99页LacI

阻遏蛋白的阻遏作用阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了lac操纵子中结构基因的表达。第14页/共99页LacI

阻遏蛋白与DNA结合的复合物第15页/共99页别乳糖诱导的lac

操纵子表达第16页/共99页乳糖、半乳糖和别乳糖的化学结构式乳糖半乳糖别乳糖第17页/共99页Lac

操纵子的基因表达调节

在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。乳糖在b-半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转录lac操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂（inducer）。但是，乳糖操纵子是一个弱启动子(TTTACA/TATGTT)，需要一个正调控机制来促使转录的启动。第18页/共99页CAP的结合位点CAP：catabolitegeneactivationproteinCAP的结合位点在-60处。CAP以同源二聚物的形式与cAMP结合，这个复合物结合在CAP结合位点上。外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP合成。第19页/共99页CAP-cAMP复合物第20页/共99页CAP的正调控作用cAMP与CAP的二聚物形成复合物后，结合在CAP结合位点上，促使转录的启动。第21页/共99页乳糖操纵子的协同调控第22页/共99页乳糖操纵子的意义阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同担负着原核生物体系内糖源的协调利用。乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生物学的一个划时代的突破。第23页/共99页

二、翻译水平的调控是对转录调控的补充原核生物基因表达的时空性决定了转录和翻译过程的偶联。色氨酸操纵子（trpoperon）是典型的转录和翻译过程的偶联。转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译的偶联而实现的。第24页/共99页色氨酸操纵子（trpoperon）结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB

和trpA上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（P）和操纵序列（O）。启动子（P）和操纵序列（O）有部分重叠。第25页/共99页第26页/共99页开放状态的色氨酸操纵子

当培养基中色氨酸含量很少时，trpR

阻遏蛋白以同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列O结合，使得RNA聚合酶能够启动转录。第27页/共99页关闭状态的色氨酸操纵子

当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。第28页/共99页色氨酸操纵子mRNA前导序列第29页/共99页前导序列的发夹结构第30页/共99页转录中的色氨酸操纵子

当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列1。而此时的转录仍在进行，序列2和序列3形成了稳定的2:3茎-环结构。RNA聚合酶可以转录5个结构基因。第31页/共99页转录衰减子终止了转录

当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列1，并继续向前与序列2结合。核蛋白体与序列1和序列2的结合，使序列3和序列4形成了3:4茎-环结构。这一结构与随后的多聚U序列使RNA聚合酶终止了转录。第32页/共99页常见的前导肽氨基酸序列第33页/共99页转录衰减子转录衰减子（transcriptionattenuator）：操纵子前导区内一段类似于终止子结构的DNA序列，其作用是减弱操纵子的转录，实现对转录过程的精确调节。第34页/共99页转录衰减子的意义转录衰减子的形成使RNA聚合酶无法对已经启动的操纵子中的结构基因进行转录，而终止转录的茎-环结构的形成又依赖于核糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。由此可见，衰减作用充分利用了转录和翻译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精细调节。第35页/共99页第三节真核生物基因表达调控真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，其原因在于：大小不同。大肠杆菌基因组的长度为4×106bp，约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为~109bp，约有3万~3.5万个基因。编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA和tRNA等，其余90%的序列功能至今尚不清楚。第36页/共99页连续性不同。原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译成为蛋白质；而真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的mRNA。排列方式不同。原核生物的基因是以串联的形式排列的，可转录出多顺反子的mRNA；而真核生物是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的协调表达。第37页/共99页序列重复度不同。原核基因组中基本上没有重复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复序列（repetitivesequence）。存在的形式不同。原核基因组是裸露的环状双链DNA；而真核基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链DNA再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。遗传信息的载体不同。原核基因组的遗传信息存在于DNA上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上。第38页/共99页基因表达的时空性不同。原核细胞中基因表达在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。基本调节方式不同。处于基本状态下的原核生物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。第39页/共99页DNA和组蛋白八聚体构成了高度排列有序的染色质，这不利于基因表达。基因激活蛋白通过改变基因启动子和调节序列区域的染色质结构来转录起始，这称为染色质重塑（chromatinremodeling）。染色质重塑需要ATP依赖的酶蛋白复合体。

一、转录活化染色质的结构影响到基因表达的频率和程度第40页/共99页第41页/共99页超敏感位点被激活的染色质上常出现一些对核酸酶高度敏感的位点，称之超敏感位点（hypersensitivesite）。超敏感位点通常位于被活化基因的5′-侧翼区1000bp内，但有时也会出现在更远的5′-侧翼区或3′-侧翼区。许多超敏感位点是核小体相对缺少的区域，使得调节蛋白易与之结合。第42页/共99页DNA碱基的化学修饰真核生物DNA中，约有5％的胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶，并与其3′的鸟嘌呤形成CpG结构。发生在基因5′侧翼区的CpG结构称为CpG岛。染色质甲基化程度与基因转录的活化状态呈反比。管家基因多富含CpG岛，并且CpG岛中胞嘧啶多处在非甲基化的状态。

第43页/共99页组蛋白的磷酸化和乙酰化在组蛋白H3和H4N-末端的丝氨酸可被磷酸化，降低了整个核小体与DNA的结合能力。同理，组蛋白H1的赖氨酸乙酰化和精氨酸乙酰化也可使其正电荷减少，与DNA结合的能力降低，核小体的脱落有利于转录调控因子的结合。第44页/共99页

二、转录水平上的真核生物基因表达调控最为重要真核生物的转录调控是通过依赖DNA的RNA聚合酶、DNA的顺式作用元件和反式作用因子的相互作用实现的。

第45页/共99页RNA聚合酶I：位于细胞核的核仁；合成45SrRNA的前体，加工成28S、5.8S及18SrRNA；这类启动子包括核心元件（coreelement，CE）和上游调控原件（upstreamcontrolelement，USE）。RNA聚合酶II：位于细胞核的核仁外，合成编码蛋白的mRNA前体hnRNA和snRNA。其启动子具有典型的TATA盒、CAAT盒和GC盒等。RNA聚合酶III：位于细胞核的核仁，合成5SrRNA、tRNA、U6snRNA和7SLRNA的前体。

（一）RNA聚合酶第46页/共99页与RNA聚合酶II作用的转录因子TBP（TFIID）特异性识别TATA盒TAF辅助TBP-DNA结合TFIIA稳定TFIIB与TBP对启动子的结合TFIIB结合TBP，并结合聚合酶II-TFIIF复合物TFIIE结合TFIIH，具有ATP酶和解旋酶活性TFIIF紧密与聚合酶II结合；也与TFIIB结合；阻遏聚合酶II和非特异的DNA序列结合TFIIH具有解旋酶活性，使DNA解开双链；使聚合酶II的CTD磷酸化；结合核苷酸-切除修复蛋白第47页/共99页按功能特性，顺式作用元件可分为启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默基因（silencer）。

（二）顺式作用元件第48页/共99页启动子启动子包括至少一个转录起始位点以及一个以上的功能组件。TATA盒（TATAbox）：位于-25~-35处，一致保守序列为TATAAAACAAT盒（CAATbox）：位于-70~-80处，保守序列为CCAATGC盒（GCbox）：位于-80~-110处，保守序列为GCCACACCC或GGGCGGG第49页/共99页TATA盒是启动子中的主要序列。DNA在起始（initiator，Inr）序列处被解螺旋。RNA聚合酶II识别的启动子序列第50页/共99页TATA结合蛋白与DNA第51页/共99页是一种顺式调控元件，它可以通过启动子来极大地提高转录效率。可远离转录起始位点（1~30kb）。它的一般跨度为100~200bp，可使旁侧的基因转录效率提高~100倍。增强子由若干组件构成，其基本的核心组件常由8bp~12bp组成，可以有完整的或部分的回文结构，并以单拷贝或多拷贝的形式存在，增强子普遍存在于多种真核生物、原核生物以及病毒的基因组上。它决定基因表达的时空特异性。增强子（enhancer）第52页/共99页增强子的特性增强子要有通过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。增强子的效应与位置无关。它可以在基因的上游和下游发挥作用。增强子作用与序列的方向性无关。增强子具有很强的组织或细胞特异性。第53页/共99页沉默子是是一种参与基因表达的负性调控元件，对基因的转录具有抑制作用。

沉默子的作用不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。沉默子（silencer）第54页/共99页反式作用因子的作用是调控靶基因表达效率的蛋白质。又称为转录因子，能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件的（8bp~12bp）核心序列上，参与调控靶基因表达效率的蛋白质。

1．反式作用因子的种类

（三）反式作用因子第55页/共99页

2．转录因子与顺式作用元件相互作用的结构基础转录因子含有三个功能不同的结构域：DNA结合结构域（DNAbindingdomain）、转录活化结构域（transcriptionalactivationdomain）和与其它蛋白因子结合的结构域（proteinbindingdomain）。转录因子能够特异性地识别和结合顺式作用元件是DNA结合结构域特定的空间结构所决定的。第56页/共99页DNA结合结构域转录因子的DNA结合结构域有三种特定的空间结构：螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）结构锌指（zincfinger）结构亮氨酸拉链（leucinezipper）结构第57页/共99页螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）两个a-螺旋（7~9氨基酸残基）通过一段b-转角连接，其中一个a-螺旋富含碱性氨基酸残基，是与DNA结合的结构域。HTH是某个大蛋白质分子的一部分，通常以二聚体形式存在。两个a-螺旋之间的距离大约与DNA双螺旋的一个螺距相近，使两个a-螺旋的碱性区刚好分别嵌入DNA双螺旋的大沟内。第58页/共99页与DNA结合的螺旋-转角-螺旋模体lac

阻扼蛋白（PDBID1LCC）第59页/共99页与DNA结合的螺旋-转角-螺旋模体Trp

阻扼蛋白（PDBID1TRO）第60页/共99页与DNA结合的螺旋-转角-螺旋模体人转录因子MAX（PDBID1HLO）第61页/共99页锌指（zincfinger）由N-末端的2个反向平行的b-折叠和C-末端的1个a-螺旋组成。在锌指模体的N-末端有两个相近的半胱氨酸，在C-末端有一对相邻的组氨酸（或者半胱氨酸），它们在空间上形成一个能容纳Zn2+的空穴，而且空穴内的Zn2+能与这4个氨基酸残基配位连接形成手指样的形状。

第62页/共99页Cys-Cys锌指与Cys-His锌指第63页/共99页含有锌指模体的类固醇激素受体第64页/共99页与DNA结合的锌指模体小鼠调节蛋白Zif268锌指模体（PDBID1A1L）第65页/共99页亮氨酸拉链（leucinezipper）在蛋白质C-末端的氨基酸序列中，每间隔6个氨基酸是一个疏水性的亮氨酸残基。当C-末端形成a-螺旋结构时，肽链每旋转两周就出现一个亮氨酸残基，并且都位于a-螺旋的同一侧。这样的两个肽链能以疏水力结合成二聚体，形同拉链一样。第66页/共99页典型的亮氨酸拉链氨基酸序列第67页/共99页与DNA结合的碱性亮氨酸拉链酵母激活蛋白GCN4（PDBID1YSA）第68页/共99页碱性亮氨酸拉链

第69页/共99页转录活化结构域转录活化结构域的特征带负电荷的a-螺旋结构域。与TFⅡD复合物中某些转录因子或RNA聚合酶Ⅱ结合。富含谷氨酰胺的结构域。与启动子GC盒结合的蛋白SP1中的谷氨酰胺占该结构域氨基酸总数的25%。富含脯氨酸的结构域。该结构域很难形成a-螺旋。不规则的含有双性a-螺旋和酸性氨基酸的结构域。第70页/共99页

三、对转录后的初级产物实施调控保证了mRNA的稳定性和生物多样性基因长度和性质的差异使得初级转录本很不均一，因此称为异质性核内RNA（heterogeneousnuclearRNA）。hnRNA需要一系列的加工修饰后才能成为成熟的mRNA。第71页/共99页5′加帽过程5′-帽子结构可以与相应的帽子结合蛋白（capbindingprotein，CBP）结合。帽子结合蛋白的结合可以使得mRNA免于在5′-核酸外切酶的作用下被降解，增加mRNA的稳定性。

帽子结构可以提高翻译的效率。帽子结构可能参与mRNA从细胞核向细胞质的转运。

第72页/共99页3′加尾过程3′-poly（A）尾中每10~

20个腺苷酸可以结合一个poly（A）结合蛋白（poly（A）-bindingprotein，PABP）。这样的结构可以防止3′-核酸外切酶降解mRNA，提高mRNA的稳定性。尾巴越长，翻译效率越高。

3′-末端poly（A）尾结构与5′-末端帽子结构的协同作用影响着翻译的启动。

第73页/共99页选择性剪接过程通过选择性剪接（alternativesplicing），同一条前体mRNA可以产生了不同的成熟mRNA，因而形成不同的多肽链。选择性剪接可以被正负调节分子所调控。第74页/共99页通过个别碱基的更换使一个基因表达出多个氨基酸序列不同的蛋白质。既扩大了遗传信息又使生物能更好地适应生存环境。RNA编辑通常会表现出组织特异性。RNA编辑第75页/共99页RNA干扰RNA干扰（RNAinterference，RNAi）是在miRNA原理上发展起来的一项研究特定基因功能的技术。RNAi技术则是将预先设计好的外源性双链RNA导入细胞后达到高效和特异性抑制靶mRNA表达的目的。是研究功能基因组的有力工具，是基因敲除的补充。

第76页/共99页

四、翻译起始因子的磷酸化是调控翻译的关键在翻译水平上的调控也表现在对翻译起始的调控上。蛋白质合成速率的下降都是通过真核生物起始因子2（eukaryoticinitiationfactor-2，eIF-2）的磷酸化过程实现的。新合成的蛋白质还需要进行一系列的加工才能成为有活性的蛋白质。加工包括蛋白质的切割、蛋白质化学修饰、蛋白质的折叠和蛋白质的定位。第77页/共99页问题第78页/共99页单选题1.启动子是指：

A.DNA中能转录的序列

B.与RNA聚合酶结合的DNA序列

C.与阻遏蛋白结合的DNA序列

D.有转录终止信号的序列

E.与激活蛋白结合的序列第79页/共99页2.操纵基因：

A.是与阻遏蛋白结合的部位

B.是与RNA聚合酶结合的部位

C.属于结构基因的一部分

D.具有转录活性

E.能促进结构基因的转录第80页/共99页3.在乳糖操纵子中，cAMP能对转录进行调控，但先与

A.CAP结合，形成cAMP-CAP复合物

B.RNA聚合酶结合，从而促进该酶与启动子结合

C.G蛋白结合

D.受体结合

E.操纵基因结合第81页/共99页4.增强子的作用是：

A.抑制操纵基因表达

B.抑制结构基因转录

C.抑制阻遏蛋白表达

D.促进结构基因转录

E.抑制启动子第82页/共99页5.增强子的作用特点是：

A.是存在于高等真核生物

B.只存在于启动子的上游

C.有严格的基因专一性

D.无需与蛋白因子结合就能增强转录

E.作用无方向性第83页/共99页6.反式作用因子是指：

A.DNA的某些片段

B.RNA的某些序列

C.mRNA的表达产物

D.组蛋白及非组蛋白

E.调节转录的蛋白因子第84页/共99页7.亮氨酸拉链是指：

A.多个亮氨酸连续出现的结构

B.亮氨酸每隔8个氨基酸出现一次

C.两组平行、带亮氨酸的α螺旋形成的对称结构

D.一个亚基上带多个亮氨酸的α螺旋

E.两个亮氨酸的R-基团形成的氢键第85页/共99页多选题1.在操纵子上，DNA可与蛋白质或酶结合的区域有

A．启动序列

B．结构基因

C．操纵序列

D．转录起始区

E．I序列第86页/共99页2.乳糖操纵子的调控区有

A．CAP结合位点

B．Z基因

C．P序列

D．Y基因

E．O序列第87页/共99页3.真核生物的启动子特征序列有

A．TATAAAA B．TATAAT C．GCCAAT D．TTGACA E．GGGCGG第88页/共99页4.乳糖操纵子转录过程起作用的诸多因素中，哪些属于蛋白质类化合物

A．启动子

B．诱导物

C．阻遏物基因

D．阻遏物

E．CAP第89页/共99页5.真核生物调控转录的顺式作用元件包括

A．TATA盒

B．GC盒

C．CAAT盒

D．酵母的上游活化序列

E．增强子第90页/共99页答案第91页/共99页单选题1.B指的是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，每一组件含7-20bp的DNA序列2.A控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。3.A分解物基因激活物蛋白（CAP）与cAMP的复合物能剌激操纵子结构基因的转录。4.D增强子一般由两个以上的增强子元件组成，有增强转录的作用。第92页/共99页5.E增强子的特点：可以远距离作用，作用与其序列的正反方向无