基因表达的调控

基因表达的调控当前第1页\共有81页\编于星期四\22点内容

概述

第一节原核生物基因表达的调控

第二节真核生物基因表达的调控思考题小结当前第2页\共有81页\编于星期四\22点概述当前第3页\共有81页\编于星期四\22点一、基本概念

基因(gene)：DNA分子中负载特定生物遗传信息的一段核苷酸序列或某些RNA病毒分子中的一段核苷酸序列。

基因组(genome)：泛指一个细胞或一个生物体的全部遗传信息。在真核生物，基因组是指一套（单倍体）染色体DNA。

结构基因(structuregene)：

调节基因(regulation

gene)：编码调控蛋白的基因。指能转录成rRNA、tRNA、mRNA的核苷酸序列。按基因产物的功能特性，通常将直接参与物质代谢的功能蛋白质、参与细胞组成的结构蛋白质编码的基因称为结构基因；参与蛋白质合成所需的rRNA和tRNA编码的基因也属于结构基因。当前第4页\共有81页\编于星期四\22点

基因表达的调控(regulationandcontrol)：基因表达的调控是研究和阐明在同一机体内，各种细胞内的遗传信息如何根据机体的生长、发育、繁殖的需要所进行的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境。是指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，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。真核生物基因表达还包括转录后的加工和翻译后的加工过程。

基因表达(geneexpresion)：基因表达是受调控的当前第5页\共有81页\编于星期四\22点二、基本表达的特点（一）时间特异性在单细胞生物，按功能需要，某一特定基因的表达随时间、环境而变化，严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。（二）空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。当前第6页\共有81页\编于星期四\22点三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（或称基本的基因表达）某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而且在一个物种或一个生物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。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。当前第7页\共有81页\编于星期四\22点（二）诱导和阻遏表达管家基因之外的基因极易受环境因素影响，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，这种基因称为可诱导基因。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可诱导基因在特定环境信号刺激下表达开放或增强，此种表达方式称为诱导表达(inductionexpresion)；基因的表达表现为关闭或下降，此种表达方式称为阻遏表达(repressionexpresion)。当前第8页\共有81页\编于星期四\22点在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、相互配合，共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。（三）协调表达四、基因表达的多级调控四、基因表达的多级调控基因激活转录起始

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无论真核或原核生物，转录起始是基本的控制点。当前第9页\共有81页\编于星期四\22点*原核与真核生物在调控上的差异原核生物基因的表达的调控主要是在转录和翻译水平，转录和翻译过程偶联在一起，且mRNA降解快、半衰期短（1~3分钟）。真核生物比原核生物基因的表达的调控复杂，环节较多，调控范围大。

DNA水平—转录水平—转录后水平—翻译水平—翻译后水平等多层次调控。*基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化当前第10页\共有81页\编于星期四\22点第一节

原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控第一节当前第11页\共有81页\编于星期四\22点一、转录水平的调控一、转录水平的调控原核生物基因表达的调控，主要在转录水平，其次是翻译水平。主要以大肠杆菌（E.coli）为例介绍。概念是指数个功能上相关的结构基因成簇地串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵基因）以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位称为操纵子或操纵元。原核生物操纵子所转录的RNA为多顺反子。1．操纵子(operon)：—原核生物转录单位原核生物大多数基因的协调表达是通过操纵子机制实现。当前第12页\共有81页\编于星期四\22点2．操纵子组成的基本模式：操纵子由调控区和信息区（结构基因或编码区）两部分组成。上游是调控区，包括启动子（亦称启动基因，promotorgene）、操纵基因（operon）和调节基因（regulationgene

）等。调控区结构基因OPDNAR3．启动子(promotor)：是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。DNA双链碱基对排列顺序：按照信息链上、下游方向确定。信息链转录起始的第一个核苷酸标为＋1，向下游3'端的碱基顺序数依次为＋2，＋3，……；向上游5'端的碱基顺序依次为－1，－2，－3，……。当前第13页\共有81页\编于星期四\22点4．单顺反子(monocistron)：

多顺反子(polycistron)：

顺反子(cistron)：由结构基因转录生成的RNA序列称为顺反子。

单顺反子：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，此相应的mRNA序列称为单顺反子。真核生物基因的转录产物为单顺反子。

多顺反子：原核生物中，大多数功能相关的结构基因成簇地串联在一起，形成操纵子，由操纵子控制转录生成的mRNA是多顺反子。当前第14页\共有81页\编于星期四\22点（一）影响转录的因素转录水平的调控因素有：启动子、σ因子、正调控蛋白和阻遏蛋白、转录终止子与ρ因子、衰减子、RNA聚合物等。例：E.coli启动子全长40～60bp，包括三个功能区（1）启动子决定转录方向和模板链①启动部位：即＋1区②结合部位：是RNA聚合酶与启动子牢固结合的位点，位于－10bp处（TATA盒），TATA盒处碱基配对为两个氢键，容易打开DNA双链。1.启动子当前第15页\共有81页\编于星期四\22点③识别部位：σ因子识别位点，位于－35bp处基因转录时，σ因子识别并结合－35区，RNA聚合酶结合于－10区，全酶与DNA结合后覆盖区域是－40～＋20。开始合成RNA后，RNA聚合酶沿信息链5'→3'方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成RNA。因此，启动子决定着转录方向。如果启动子倒转了方向，RNA聚合酶的移动也随之倒转方向，原来转录的结构基因就不再转录。原核生物启动子开始转录1-30-5010-10-40-205'3'3'5'模板链信息链保守序列（一致性序列）TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区当前第16页\共有81页\编于星期四\22点（2）启动子决定转录效率

－35区和－10区两个序列称为一致性序列。通过比较大量的E.coli

启动子，发现这两个序列中各碱基出现的频率为：－35：T82G78A65C54A95;－10：T80A95T45A60A50T96（下标表示核苷酸在所有启动子中出现的频率）一般来说，强启动子的序列与上述序列接近，弱启动子与上述序列相差较大。此种调控作用与σ因子的识别有关。识别E.coli

启动子中一致性序列的σ因子主要是σ70亚单位。启动子序列与上述序列越接近，σ70与之结合的能力越强。当前第17页\共有81页\编于星期四\22点trptRNATyrlacrecAaraBADN7N7N6N7N6TACTGTTATAATTATGTTTATGATTTAACTTTGACATTTACATTTACARNA转录起始-35区-10区TTGATACTGACGN17N16N17N16N16AAAAATTGACATATAAT共有序列不同启动子－35区和－10区的比较当前第18页\共有81页\编于星期四\22点（1）σ因子控制RNA聚合酶(RNApol)与DNA结合

σ因子的作用是确保RNApol与特异的启动子结合，而不是与其它位点结合（2）不同的σ因子相互竞争RNApol，影响转录2.σ因子当前第19页\共有81页\编于星期四\22点是指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。3.阻遏蛋白当阻遏蛋白与操纵序列结合后，覆盖部分启动子(或不覆盖，产生位阻)，阻碍RNApol与启动序列的结合，或是结合后RNApol不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列P编码序列操纵序列ORNApol、阻遏

蛋白与DNA序

列结合区域：-35-10+1+20+28RNApol结合区阻遏物结合区RNA聚合酶

阻遏物当前第20页\共有81页\编于星期四\22点（2）诱导(induction)（1）阻遏(repression)调节基因产生的有活性的阻遏蛋白与操纵区结合，阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。

①诱导阻遏：一类特定的小分子物质与无活性的阻遏蛋白结合后，形成活性复合物，然后与操纵基因结合，阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。如：大肠杆菌色氨酸操纵子

②诱导去阻遏：一类特定的小分子物质与有活性的阻遏蛋白结合后，使阻遏蛋白失活，然后从操纵基因上脱落下来，RNApol与启动子结合而打开抑制转录。如：大肠杆菌乳糖操纵子阻遏类型当前第21页\共有81页\编于星期四\22点cAMP与CAP结合形成cAMA-CAP复合物，诱导CAP发生结构改变成为活性形式，与相应的CAP位点结合，DNA柔曲性增加，促使RNApol与启动子结合，激活邻近基因质量。cAMA水平降低，复合物解离，CAP与DNA解离，关闭葡萄糖以外的其它糖代谢相关的操纵子。在没有任何调节因素(蛋白)作用下，一类能与特定DNA序列结合，促进基因转录的蛋白质。这种基因表达的方式称为正调控。CAP的作用：将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细

菌在缺乏葡萄糖的环境中利用其它碳源。例1：E.coli

分解代谢基因激活蛋白（CAP）葡萄糖代谢物ATP腺苷酸环化酶cAMPAMP磷酸二酯酶+-CAP的作用机制：4.正调控蛋白当前第22页\共有81页\编于星期四\22点是一种位点特异性的重组酶，可使基因重组，其结果是使启动序列方向改变。例：沙门菌鞭毛素基因的调节H2鞭毛蛋白阻遏蛋白Hin重组酶（倒位蛋白）H1鞭毛蛋白DNAH2启动子倒位基因hinH2H1IH1启动子H1可倒位区hinH2Ihin5.倒位蛋白当前第23页\共有81页\编于星期四\22点衰减子又称弱化子，位于一些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。6.衰减子衰减子是一个受翻译控制的转录终止子结构，由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因或者继续转录，或者在衰减子处实现转录的终止。阻遏与衰减的区别：阻遏作用使转录不能启动；衰减作用能使转录启动,又使转录部分停止,即前导链终止,故称为衰减。7.RNA聚合物当ppGpp(鸟苷-4-磷酸)或pppGpp(鸟苷-5-磷酸)与RNApol结合后，随即改变RNApol的构象，活性降低，影响基因转录。当前第24页\共有81页\编于星期四\22点8.转录终止子与ρ因子（1）转录终止子(teminator)定义：是指基因的3'末端或者操纵子的3'末端的一

段具有终止转录功能的核苷酸序列。分类：①依赖ρ因子的转录终止子（弱终止子）②不依赖ρ因子的转录终止子（强终止子）两类终止子的序列特征：①相同点：终止点之前都有一段回文结构，两重复序列之间有间隔序列，终止子转录出来的RNA可形成发夹结构。当前第25页\共有81页\编于星期四\22点②不同点：强终止子回文序列中有较多的G-C回文序列，下游常有6～8个以上特异的A-T(指DNA上)碱基对序列，转录出来的RNA可形成发夹结构

(含G-C对6～8个以上，可使RNApol搁置时间约60秒)，在发夹之后有连续的UUU…(一般

3～4个)，由于G-C对较多，发夹结构牢固，阻止RNApol向前移动，即可终止转录；

弱终止子回文序列中G-C对较少,A-T比较多，回文序列下游基本没有固定的UUU…特征。发夹结构的作用：阻碍RNA链从三元复合物(DNA、RNA和RNApol)中进一步向外释放，造成转录作用的高度搁置。当前第26页\共有81页\编于星期四\22点回文序列下游A/U序列的作用：dA(DNA分子上的A)和rU(RNA分子上的U)之间的氢键力和碱基堆积力很弱，造成DNA和RNA杂交部分很容易拆开，三元复合物解体，RNApol与RNA解离，转录终止。（2）ρ因子一种蛋白质因子，具有两种生物活性：①促进转录终止；②具NTP酶活性。后一种活性是实现前一种活性必不可少的。（3）终止机制RNApol沿DNA模板移动进行转录,当遇到发夹结构时,RNApol被搁置。如果是强终止子,前方出现连续的U,转录立即终止；如果是弱终止子,发夹结构之后几乎没有U,这时在ρ因子的作用下终止转录。当前第27页\共有81页\编于星期四\22点（一）转录起始的复合调控1.乳糖操纵子(lacoperon)调节机制Lac操纵子的结构：包括ZYA三个结构基因(相应编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖乙酰基转移酶，用于乳糖分解代谢)，上游调控元件有调节基因I、启动子P和操纵基因O。调节基因编码阻遏蛋白。此外，在启动子上游有一个CAP蛋白结合位点。调节区

结构基因

CAP结合区

IOPZAYDNA当前第28页\共有81页\编于星期四\22点因为：乳糖操纵子的启动子是弱启动子，结构基因的转录还需正调控蛋白(CAP蛋白)加强转录。调节区

结构基因

CAP结合区

IOPZAYDNA转录阻遏式调节：RNA聚合酶

（1）没有乳糖存在时（2）有乳糖存在时调节区

结构基因

CAP结合区

IOPZAYDNA乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖转录RNA聚合酶

偶有转录进行，因此，每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶生成。当前第29页\共有81页\编于星期四\22点CAP蛋白的正性调节：（1）无葡萄糖时，[cAMP]↑：CAP结合区调节区

结构基因

IOPZAYRNA聚合酶

CAP转录[cAMP]↑CAP位点CAPCAPCAP结合区+++mRNA转录葡萄糖代谢物对cAMP的影响：葡萄糖代谢物ATP腺苷酸环化酶cAMPAMP磷酸二酯酶+-当前第30页\共有81页\编于星期四\22点（2）有葡萄糖时，[cAMP]↓：CAP结合区调节区

结构基因

IOPZAYRNA聚合酶

CAP转录[cAMP]↓CAP协调调节：lac操纵子结构基因的受CAP蛋白和阻遏蛋白两种因素控制，如同两个开关，只有两个开关同时打开，结构基因才能转录。两个开关可因葡萄糖和乳糖的存在与否有四种不同的组合。当前第31页\共有81页\编于星期四\22点协调调节的四种组合：①葡萄糖、乳糖同时存在CAP结合区

IOPZAY关闭(不转录)葡萄糖或葡萄糖/乳糖共存时，细菌首先利用葡萄糖。②葡萄糖存在、乳糖不存在CAP结合区

IOPZAY关闭(不转录)阻遏蛋白③葡萄糖、乳糖都不存在CAP结合区

IOPZAY关闭(不转录)阻遏蛋白CAP④葡萄糖不存在、乳糖存在CAP结合区

IOPZAY打开(转录)CAPRNA聚合酶

当前第32页\共有81页\编于星期四\22点CAP结合区调节区

结构基因

IOPZAY转录（1）葡萄糖、乳糖同时存在：乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖RNA聚合酶

CAP[cAMP]↓CAP当前第33页\共有81页\编于星期四\22点（2）葡萄糖存在、乳糖不存在：调节区

结构基因

CAP结合区

IOPZAYDNA转录RNA聚合酶

CAP[cAMP]↓CAP当前第34页\共有81页\编于星期四\22点（3）葡萄糖、乳糖都不存在：调节区

结构基因

IOPZAYCAP结合区转录RNA聚合酶

CAP[cAMP]↑无葡萄糖CAPCAP位点CAP当前第35页\共有81页\编于星期四\22点CAP结合区CAP结合区乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖调节区

结构基因

IOPZAY（4）葡萄糖不存在、乳糖存在：转录RNA聚合酶

[cAMP]↑无葡萄糖CAPCAP位点CAPCAPmRNA当前第36页\共有81页\编于星期四\22点2.色氨酸操纵子(trpoperon)的调控机制2.色氨酸操纵子的调控机制调节区

结构基因

trpROPEABCDLTrp操纵子的结构：包括EDCBA五个结构基因(编码三种酶，用于合成色氨酸)和L基因，上游调控元件有启动子、调节基因和操纵基因。调节基因编码阻遏蛋白。

L基因与结构基因转录产生具有6700个核苷酸的全长多顺反子mRNA。当前第37页\共有81页\编于星期四\22点调节区结构基因trpROPEABCDLRNA聚合酶

Trp高时Trp低时mRNARNA聚合酶

Trp

调节过程：当前第38页\共有81页\编于星期四\22点Trp操纵子的调控方式Trp操纵子是一种阻遏型操纵子，E.coli在无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用，L基因与结构基因转录；当细胞内有大量色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵基因结合，结构基因转录受到抑制，但L基因转录的前导mRNA(140个核苷酸)并不减少，这部分转录物称为衰减子转录物。Trp操纵子的调控方式—两种：(1)诱导阻遏式调控(2)衰减机制调节衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。前导mRNA编码14个氨基酸的前导肽，前导肽基因的3'端有一个不依赖ρ因子的转录终止序列。当前第39页\共有81页\编于星期四\22点前导mRNA1234UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROPEABCDL前导序列衰减子区域衰减子结构形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4终止密码子trp密码子

UUUU……UUUU……14aa前导肽编码区:包含序列1第10、11密码子为trp密码子前导mRNA的特性及功能当前第40页\共有81页\编于星期四\22点前导mRNA343'UUUU……核糖体前导肽1.当色氨酸浓度高时衰减子结构产生强终止子使转录34UUUU……5'12trp密码子

UUUU3'前导DNA

RNA聚合酶

终止转录衰减机制（1）当前第41页\共有81页\编于星期四\22点结构基因前导DNA

234UUUU……前导mRNA核糖体前导肽2.当色氨酸浓度低时RNA聚合酶

转录衰减机制（2）5'1trp密码子

序列3、4不能形成衰减子结构32UUUU……4Trp合成酶系相关结构基因被转录当前第42页\共有81页\编于星期四\22点二、翻译水平的调控

位置：位于起始密码子AUG上游3~10个碱基组成的一段DNA序列

功能：识别核糖体16srRNA并与之结合，进行翻译（一）SD序列对翻译的影响1.SD序列的顺序及位置对翻译的影响(1)SD序列的存在与否是翻译的决定因素(2)SD序列的位置影像翻译效率

mRNA缺少SD序列，不能作为模板合成蛋白质。例如：表达IL-2时，lac启动子的SD序列距AUG为7个核苷酸时IL-2表达效率最高，间隔8个核苷酸时，表达水平降低500倍。当前第43页\共有81页\编于星期四\22点2.隐蔽SD序列对翻译的影响

SD序列处于mRNA的二级结构中，核糖体如要与SD序列结合进行翻译，首先要暴露SD序列。例如：红霉素甲基化酶MRNA的表达

23SrRNA特殊位点上一个腺嘌呤甲基化后，可阻止红霉素与23SrRNA结合。红霉素与此位点结合可抑制细菌的蛋白质生物合成。抗红霉素细菌质粒红霉素甲基化酶基因mRNA23SrRNA23SrRNA—CH3酶蛋白当前第44页\共有81页\编于星期四\22点作用机制：（一）红霉素甲基化酶mRNA的结构1.无红霉素时，核糖体合成前导肽后从mRNA上脱落，序列1/2、3/4形成发夹结构，红霉素甲基化酶编码区的SD被掩蔽在序列3/4形成发夹结构中，不能与核糖体结合，故不能合成红霉素甲基化酶。（二）调节过程5'3'序列4序列3序列2序列1SDSD甲基化酶编码区前导肽编码区终止码

与色氨酸操纵子转录的mRNA类似，同样有4个短序列，形成发夹结构能力：1/2＞2/3＞3/4。2.有红霉素时，红霉素与核糖体23SrRNA结合，阻止核糖体沿mRNA向前移动，使核糖体停留在序列1上，序列1/2不能形成发夹结构，2/3形成发夹结构，红霉素甲基化酶编码区的SD暴露，与核糖体结合，翻译出红霉素甲基化酶。当前第45页\共有81页\编于星期四\22点（四）小分子RNA(反义RNA)的调控作用（二）mRNA的稳定性（三）翻译产物对翻译的调控1.核糖体蛋白合成的自身调控2.翻译终止因子RF2调节自身的翻译1.调整基因表达产物的类型（渗透压调节蛋白[OmpR蛋白]的调控）2.低水平表达基因的调节当前第46页\共有81页\编于星期四\22点1.E.Coli渗透压调节中micRNA的调节作用1.低渗时：2.高渗时：OFF启动子OmpR蛋白ompF

基因ONOmpF

蛋白ompC

基因micF

基因启动子OFFOFF变构的OmpR蛋白OFFOFFompFmRNA5'3'micRNA5'3'ompCmRNAOmpC

蛋白已转录的ompFmRNA5'3'3'5'3'5'当前第47页\共有81页\编于星期四\22点2.低水平表达基因的控制例：Tn10转位酶

Tn10转位酶存在于细菌中，一种小分子的RNA阻遏物在翻译水平上严格限制Tn10转位酶基因的表达。

Tn10转位酶基因由pIN启动子控制，RNA阻遏物基因有pOUT启动子控制。两个启动子方向相反，交叉进行转录。两个转录区有35个碱基重叠，因此，两个基因转录产物中有35个碱基互补，互补区覆盖了Tn10转位酶mRNA的翻译起始区，干扰翻译，结果是Tn10转位酶的表达效率非常低，转位作用极少发生。3'5'阻遏物mRNApOUT启动转录5'3'pIN启动转录Tn10转位酶mRNA3'5'阻遏物mRNA5'3'Tn10转位酶mRNA5'3'3'5'pOUTpINDNA＋1＋1当前第48页\共有81页\编于星期四\22点第二节

真核基因转录调节第二节真核基因转录调节当前第49页\共有81页\编于星期四\22点(一)真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA约3×109碱基对编码基因约有40000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%～10%概述

真核基因组结构特点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。(二)单顺反子（monocistron）当前第50页\共有81页\编于星期四\22点(三)重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106次）中度重复序列（103～104次）多拷贝序列(四)基因不连续性当前第51页\共有81页\编于星期四\22点(一)RNA聚合酶(二)活性染色体结构变化1、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。真核基因表达调控特点2、DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后，RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向当前第52页\共有81页\编于星期四\22点3、DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。4、组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2AH2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰④H3组蛋白巯基暴露(三)正性调节占主导(四)转录与翻译分隔进行(五)转录后修饰、加工当前第53页\共有81页\编于星期四\22点基因表达的多级调控基因激活转录起始

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DNA水平转录水平翻译水平当前第54页\共有81页\编于星期四\22点一、DNA水平的调控1.染色质的丢失2.基因扩增3.基因重排4.DNA的甲基化5.染色质结构对基因表达的调控作用当前第55页\共有81页\编于星期四\22点二、转录水平调控(一)转录因子（transcriptionfactor，TF）按功能特性分：①基本转录因子②调节转录因子*①基本转录因子是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。TFⅠ→rRNATFⅡ→mRNATFⅢ→tRNA*②调节转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子主要通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成。当前第56页\共有81页\编于星期四\22点(二)顺式作用元件（cis-actingelement）是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性仅影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因表达。这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。按功能分启动子、增强子和沉默子。1.启动子（promotor）与基因表达启动相关的顺式作用元件，位于基因转录起始点上游。根据启动子中有无TATA盒分为典型启动子和不典型启动子。使基因转录速率显著提高的一类顺式作用组件。2.增强子（onhancer）使基因转录速率降低或使基因关闭的一类顺式作用组件。3.沉默子（silencer）当前第57页\共有81页\编于星期四\22点(三)反式作用因子（trans-actingfactor，TAF）是能直接或间接地识别或结合在各顺式阻件8～12bp的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。1.定义2.反式作用因子(TAF)的特点①具有3个功能域：DNA识别结合域，转录活化域，调节结构域。②具有识别启动子和增强子的功能。③对调节具有正向和负向两个方面。当前第58页\共有81页\编于星期四\22点3.反式作用因子的结构特征基本结构包括三个主要的功能域DNA识别结合域TF转录活化域富含谷氨酰胺结构域酸性α-螺旋结构域富含脯氨酸结构域调节结构域（结合其它因子或调控蛋白）当前第59页\共有81页\编于星期四\22点最常见的DNA结合域①锌指（zincfinger）结构—常结合GC盒CGQRVHLZnVEKERSFCRSALS

HCOOHNYKKH2N组氨酸残基半胱氨酸残基-折叠-螺旋ZnZnZn当前第60页\共有81页\编于星期四\22点②亮氨酸拉链（leucinezippor）C/EBP单体和二聚体结构亮氨酸重复区H2NCOOH碱性区亮氨酸残基DNA结合部

位结构域H2N亮氨酸拉链区当前第61页\共有81页\编于星期四\22点③螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH）④螺旋-转折-螺旋常结合CAAT盒⑤碱性α-螺旋等当前第62页\共有81页\编于星期四\22点5.反式作用因子的作用及特点一种反式作用因子可以与一种以上的顺式作用元件结合。有些反式作用因子以二聚体或多聚体的形式与顺式作用元件结合。有些反式作用因子通过修饰激活后才能结合到顺式作用元件上；少数反式作用因子先与

DNA上的顺式作用元件结合，再被激活。反式作用因子激活后，可识别上游启动子元件和增强子中的特定序列，并与之结合，调节基因表达。其作用：①影响TATA因子与TATAbox结合；②影响RNApol与TATA因子-DNA复合物作用；③影响转录起始复合物形成反式作用因子有激活表达反式因子和阻遏表达反式因子两种。当前第63页\共有81页\编于星期四\22点6.反式作用因子的活性调节①表达式调节②共价修饰③配体结合④蛋白质与蛋白质相互作用①成环(looping)假说②扭曲(twisting)假说③滑动(sliding)假说④接力(Oozing)假说7.反式作用因子的作用方式当前第64页\共有81页\编于星期四\22点8.反式作用因子的组合式调控几种反式因子通过组合共同完成基因表达的调控，这种方式称为组合式调控。例如：1.A、B、C三种反式作用因子结合作用于Q基因，其中A、C两种因子起正调控，B因子起负调控，其综合效应则是激活Q基因转录。2.A、B、D三种反式作用因子结合作用于F基因，其中A因子起正调控，B、D因子起负调控，其综合效应则是抑制F基因转录。当前第65页\共有81页\编于星期四\22点编码序列启动子元件增强子高水平转录＋＋＋＋＋－低水平转录－－＋基因关闭依据增强子和启动子各自的组合效应有四种情况：即强的正调控（＋＋），弱的正调控（＋），强的负调控（－－），弱的负调控（－）。结合反式因子的启动子与结合反式因子的增强子通过蛋白质的相互作用对转录的组合式调控当前第66页\共有81页\编于星期四\22点polⅡTAFTFⅡHTFⅡF真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物(四)转录起始复合物的形成TAFTAFTFⅡATFⅡBTFⅡDTATADNA形成过程分三步：TAF主要作用：

①促进或抑制TFⅡD与TATA盒结合②促进或抑制RNApol与TFⅡD-DNA复合物结合③促进或抑制转录起始复合物的形成TFⅡD(TBP)相关因子①TFⅡD结合TATA盒形成蛋白质-DNA复合物②RNApolⅡ识别并结合TFⅡD-DNA复合物，此时形成的是闭合复合物③其它转录因子与RNApolⅡ结合，形成开放性复合物，开始转录当前第67页\共有81页\编于星期四\22点（五）转录起始的调控转录起始的关键是RNApol与启动子结合。细菌的RNApol识别的是一段DNA序列，真核生物RNApol识别的不是单纯的DNA，它识别转录因子与DNA形成的蛋白质-DNA复合物。真核生物有三种RNApol，分别识别不同的启动子，转录不同的产物，需不同的转录因子。

RNApolⅡ识别启动子至少需要一个TATA盒结合因子（TFⅡD），此因子必须在RNApolⅡ识别启动子之前就与DNA结合，形成TFⅡD-DNA复合物。在转录过程中，TFⅡD（基本转录因子）始终与DNA结合。当前第68页\共有81页\编于星期四\22点（六）转录终止的调控

RNApolⅡ转录停止于PolyA添加点以下0.5～2kb范围内多处可能位点，而不是想象中的理应在PolyA添加点以上。例1：HIV基因组转录终止的调控

HIV的Tst蛋白是一抗终止蛋白，它可使RNApolⅡ通过转录终止点，阻止基因组转录过程的提早终止。例2：HSP基因转录终止的调节正常情况下，RNApolⅡ起始HSP基因转录后只合成约25个核苷酸即停止，热休克时(环境温度升高或其它应激条件下)，热休克转录因子(HSTF)快速地由无活性转变为活性状态，与HSP基因启动子的特异序列(HSE)结合，使RNApolⅡ由停顿处释放而继续向下游转录，HSTF的结合不仅起抗终止作用，还能激活另外的RNApolⅡ的转录起始，因此，HSTF同时也是激活蛋白。当前第69页\共有81页\编于星期四\22点三、转录后水平的调控（一）mRNA的选择剪接对基因表达的调控作用核内初合成出来mRNA称为杂化核RNA或不均一核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)断裂基因、外显子和内含子hnRNA断裂基因(splitegene)：内含子(intorn)和外显子(exon)：真核生物的结构基因内部存在的非编码序列称为内含子；编码序列称为外显子。真核生物的结构基因不连续，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成。当前第70页\共有81页\编于星期四\22点真核生物mRNA的剪切1.mRNA选择性剪切的几种主要方式(1)外显子选择(也称外显子跳跃)外显子内含子可选择的外显子或内含子(2)内含子选择(3)互斥外显子(4)内部剪切位点当前第71页\共有81页\编于星期四\22点例1：Bax基因转录产物的选择剪切Bax基因编码产生的蛋白质有α、β、γ等，结构略有差异，差异的产生主要来自mRNA的选择剪切①α型mRNA经剪切后，保留了全部外显子（6个），共192个密码子，翻译出来的肽链为192个氨基酸。②β型mRNA选择剪切过程中保留了全部外显子，但同时也保留了第5个内含子（内含子选择），共218个密码子，终止密码不是来自第6个外显子，而是在第5个内含子中。所以，翻译出来的肽链中没有第6个外显子的氨基酸。③γ型mRNA选择剪切过程中删除了第二个外显子（含41个密码子），所以成熟的mRNA中只保留了基因中的5个外显子，共151个密码子，翻译出151氨基酸组成的多肽。2.选择性剪切对基因表达的调控作用当前第72页\共有81页\编于星期四\22点例2：IκBγ基因转录产物的选择剪切

NF-κB蛋白是一种广泛存在的反式作用因子，通过与很多基因上游的启动子元件或增强子内部的κB元件结合而调节IκBγ基因的表达。

IκBγ蛋白可调节NF-κB的活性，IκBγ基因表达时产生的mRNA可通过选择剪切产生具有不同特性的表达产物—IκBγ蛋白、IκBγ1蛋白、IκBγ2蛋白。①NF-κB蛋白与IκBγ蛋白结合后，存在于血浆，阻止NF-κB进入细胞核，抑制NF-κB的转录调节活性。IκBγ蛋白磷酸化位点磷酸化，则IκBγ从复合体上解离下来，从而解除IκBγ对NF-κB的抑制。②IκBγ基因表达的mRNA通过选择剪切，可造成IκBγ

mRNA中的178个或67个密码子缺失，产生IκBγ1和IκBγ2。IκBγ1等量分布于胞浆和细胞核内，IκBγ2主要位于核内，它们都可与NF-κB结合，但具有不同的亲和力。这两种蛋白中缺失了一个蛋白激酶A作