决定基因转录活性的特异DNA序列课件

第十六章

基因表达调控

第一节基因表达的基本规律

一、基因表达的特异性

1.基因表达的时间特异性

基因表达的时间特异性(temporalspecificity)是指基因表达按一定的时间顺序发生，又称为基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。

2.基因表达的空间特异性

基因表达的空间特异性(specialspecificity)是指在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现。

基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此又称细胞特异性(cellspecificity)或组织特异性(tissuespecificity)。二、基因表达的方式1.组成型表达(constitutiveexpression)有些基因几乎在所有细胞中持续表达，将其称为管家基因(house-keepinggene)。

2.诱导表达(inductionexpression)和阻遏表达(repressionexpression)3.协同表达

三、基因表达调控序列和调节蛋白

(一)决定基因转录活性的特异DNA序列原核生物大多数基因的表达调控是通过“操纵子”机制实现的。操纵子(operon)通常由2个以上的编码序列(codingsequences)、启动子(promoter)、操纵基因(operator)以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。

启动子：

是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。

在各种原核基因启动序列的特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些高度保守的序列，称为共有序列(consensussequence)。

E.coli

及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域通常为TATAAT，又称Pribnow框(Pribnowbox)，在-35区域通常为TTGACA（图16-1）。TTGACAN17TTAACTN7A–35区–10区RNA转录起始trpTTTACAN16TATGATN7AtRNATyrTTTACAN17TATGTTN6AlacTTGATAN16TATAATN7ArecACTGACGN16TACTGTN6AAra

BAD共有序列TTGACATATAAT图16-1五种E.coli启动子的共有序列

操纵基因：

与启动子毗邻或邻近，其DNA序列常与启动子交错、重叠，它是阻遏蛋白的结合位点。当操纵基因结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，从而阻遏转录，介导负性调节。

真核生物基因转录调节

顺式作用元件(cis-actingelement)：指可以影响自身基因表达活性的DNA序列。图16-2中，A，B分别代表同一DNA分子中的两段特异DNA序列，B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A，B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件。Pol

ⅡBA5´3´转录起始点mRNAPol

ⅡAE15´3´mRNABE2转录起始点DNADNA图16-2顺式作用元件作用机制（二）转录调节蛋白

1.原核生物基因转录调节蛋白

分为三类：

特异因子

阻遏蛋白

激活蛋白

特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动子的特异性识别和结合能力。

阻遏蛋白（repressors）:可以识别、结合特异DNA序列——操纵基因，抑制基因转录，介导负性调节。

激活蛋白（activators):

可结合启动子附近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动子结合的能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，如分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,CAP)。

2.真核生物基因转录调节蛋白

又称转录调节因子或转录因子（transcriptionfactors)。

绝大多数真核转录调节因子由它的编码基因表达后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合（即DNA-蛋白质相互作用），反式激活另一基因的转录，故也称为反式作用蛋白或反式作用因子（trans-actingfactors）。

有些基因产物也可特异识别、结合自身的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，发挥顺式调节作用。具有这种调节方式的调节蛋白称为顺式作用蛋白（图16-3）。

PAAmRNADNA蛋白质A反式调节PBB转录起始点蛋白质B顺式调节mRNA图16-3反式与顺式作用蛋白（三）DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用

1.DNA-蛋白质相互作用（DNA-proteininteraction)

指反式调节因子与顺式作用元件之间的特异识别与结合。

2.蛋白质-蛋白质相互作用（protein-proteininteraction)

调节蛋白在结合DNA前，通过蛋白质之间的二聚化或多聚化，改变其与DNA的结合能力。四、基因表达调控的多层次复杂调控

从理论上讲，一个基因的编码产物——酶或蛋白质在细胞内的水平至少在以下几个环节受到调控，即基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、翻译、翻译后修饰和蛋白质降解等。第二节原核生物基因表达调控

一、原核生物基因表达调控的特点1.原核生物与周围环境关系密切

原核生物是单细胞生物，没有能量储备系统，在长期进化过程中演变出对环境的高度适应性。原核生物必须不断地调控各种基因的表达，以适应生存环境和营养环境的变化，使其生长繁殖达到最优化。2.原核生物基因以操纵子为单位进行转录

原核生物为多顺反子mRNA（polycistronicmRNA）。

见图16-4。启动子操纵基因结构基因1结构基因2结构基因3操纵子多顺反子mRNA翻译翻译翻译蛋白质1蛋白质2蛋白质3图16-4操纵子和多顺反子mRNA3.原核生物基因转录的特异性由σ因子决定

大肠杆菌RNA聚合酶由核心酶（α2ββ‘ω）和σ因子组成。σ因子协助核心酶识别并结合启动子，启动转录。不同的σ因子可以竞争结合核心酶，以决定哪个基因被转录。环境变化可以诱导产生特定的σ因子，启动转录特定基因。

4.原核生物基因表达存在正调控和负调控

基因表达调控是通过调控蛋白与调控序列的直接结合实现的。如果结合的结果促进基因表达，则为正调控（positivecontrol）；如果结合的结果阻抑基因表达，则为负调控（negativecontrol）。原核生物基因表达既存在正调控，又存在负调控。

二、原核生物转录水平调控——操纵子学说

（一）乳糖操纵子的结构

E.coli

的乳糖操纵子包含Z、Y、A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖通透酶（lactosepermease）和硫代半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactoside

transacetylase）。PIIPOZYADNAmRNA阻遏蛋白IPOZYADNA别乳糖或IPTGIPOZYAmRNA（a）（b）RNA聚合酶RNA聚合酶RNA聚合酶图16-5lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节

（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节

E.coli的乳糖操纵子包含Z、Y、A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖通透酶（lactosepermease）和硫代半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactoside

transacetylase）。(a)有葡萄糖，无乳糖PIICAP结合位点OZYACAP阻遏蛋白无转录(b)有葡萄糖，有乳糖PIICAP结合位点OZYACAPP阻遏蛋白很少的mRNA转录诱导剂RNA聚合酶RNA聚合酶P(c)无葡萄糖，有乳糖PIICAP结合位点OZYACAPP大量的mRNA转录阻遏蛋白诱导剂RNA聚合酶图16-6CAP、阻遏蛋白、cAMP、和诱导剂对lac

操纵子的调节(a)当葡萄糖存在，没有乳糖存在时，阻遏蛋白封闭转录，CAP不能发挥作用；(b)当乳糖存在时，去阻遏；但因有葡萄糖存在，CAP不能发挥作用；(c)当葡萄糖不存在，乳糖存在时，即去阻遏，CAP又能发挥作用，对lac操纵子有强的诱导调节三、原核生物翻译水平的调控

1.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2.反义RNA结合mRNA翻译起始部位互补序列对翻译进行调节第三节真核生物基因表达调控

一、真核生物基因表达调控的特点

1.基因激活与转录区染色体结构的变化有关2.转录和翻译分隔进行，具有时空差别3.转录后加工更复杂4.既有瞬时调控又有发育调控5.转录调控以正调控为主

二、真核生物DNA水平的调控

1.染色体结构改变2.DNA甲基化3.基因重排4.基因扩增5.染色体丢失三、真核生物转录水平的调控

（一）调控序列

1.启动子2.增强子3.沉默子

（二）调控蛋白