第二章 基因表达与调控

任课教师：朱慧芳第二章基因表达调控举例:p53p53：抑癌基因，蛋白质分子质量为53KD，命名为p53转录因子，参与调节细胞周期、细胞凋亡、维持基因组稳定性等CompanyLogop53基因定位CompanyLogop53基因定位：p53CompanyLogop53基因结构p53基因p53CompanyLogop53蛋白P53蛋白结构CompanyLogop53功能p53与DNA结合p53功能CompanyLogop53的调节基因水平转录水平蛋白质水平CompanyLogop53突变与肿瘤发生CompanyLogop53与肿瘤治疗CompanyLogo第二章基因表达调控第三节原核基因表达调节第一节基本概念与原理第二节基因表达调控的基本原理第四节真核基因表达调节CompanyLogo第一节

基本概念与原理重点：掌握基因表达的特点和方式CompanyLogo一、基因表达的概念基因(gene)

位于染色体上的遗传基本单位，是负载特定遗传信息的DNA片段，编码具有生物功能的产物包括RNA和多肽链。

DNA分子中的某一特定的核苷酸序列，经过复制可以传递给后代，经过转录和翻译可以产生维持正常生命活动的生物大分子（RNA和蛋白质）。基因具有可遗传性、可表达性、可移动性（转座单元、跳跃基因）、不连续性（内含子intron、断裂基因）和重叠性（重叠基因）的特征。CompanyLogo基因组(genome)指来自一个生物体的一整套遗传物质。细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。如人类基因组包含22条染色体和X、Y两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。人类基因组约含2万～2.5万个基因，但通常只有一部分基因处于表达状态。CompanyLogo基因负载的遗传信息转变生成具有生物学功能产物的过程，包括基因的激活、转录、翻译以及相关的加工修饰等多个步骤或过程。基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA)表达产物蛋白质多肽链。CompanyLogo基因的激活转录转录后加工翻译翻译后加工修饰CompanyLogo二、基因表达特点：

时间特异性性及空间特异性基因表达的时间特异性：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。基因表达的空间特异性：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，又称为细胞或组织特异性。CompanyLogo化疗药物阿霉素诱导POLH和XPO5基因的表达谱基因表达的时间特异性CompanyLogo基因表达的空间特异性POLH在正常组织中的表达情况p53在正常组织中的表达CompanyLogo三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达生物体内不同基因的表达受到协调调节CompanyLogo（一）组成性表达（基本表达）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。例如GAPDH、β-肌动蛋白等。无论表达水平高低，管家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。此类基因只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节。CompanyLogoGAPDH在各组织细胞中的表达CompanyLogo（二）诱导和阻遏表达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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。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。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。CompanyLogo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、共同表达，即为协调表达，这种调节称为协调调节。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节CompanyLogo四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持细胞分化与个体发育CompanyLogo第二节

基因表达调控的基本原理重点：掌握基因表达的多级调控特征；掌握转录的启始是基因表达的基本调控点；掌握操纵子、增强子、沉默子、调节蛋白、转录因子的概念；熟悉真核转录因子的结构特点。CompanyLogo一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因水平转录水平翻译水平拷贝数基因重排DNA甲基化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CompanyLogo二、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节基因表达调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。CompanyLogo基因转录激活涉及多种因素，包括：RNA聚合酶活性等特异DNA序列转录调节蛋白DNA与蛋白质蛋白质与蛋白质的相互作用决定基因的转录活性可以增强或抑制转录活性对转录起始进行调节与基因的启动序列/启动子相结合CompanyLogoCompanyLogo原核生物的特异DNA序列

原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。（一）特异DNA序列操纵子是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录协调单位。

调控序列包括操纵序列(O)、启动序列(P)和调节基因(I/R)等组件CompanyLogo调节基因启动序列操纵序列编码序列（结构基因）ICAPPOZYA阻遏蛋白结合部位RNA聚合酶结合部位多顺反子mRNA阻遏蛋白（负性调节）（正性调节）多种蛋白质转录表达

操纵子的结构

调控序列多顺反子mRNA：功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的mRNA

。启动序列（P）：其中的-35区-10区是RNA聚合酶识别并结合的部位。

CompanyLogo原核生物的共有序列

转录起始点-35区-10区

RNA聚合酶（σ因子）识别并结合启动部位特异碱基序列

DNA双链局部解开

RNA聚合酶移向转录起始点启动转录

CompanyLogo2.真核生物的特异DNA序列顺式作用元件真核生物启动子顺式作用元件增强子沉默子位于基因附近或内部的能够调节基因自身表达的特定DNA序列，是转录因子的结合位点，通过与转录因子结合而实现对真核基因转录的精确调控。原核生物操纵序列调控序列启动序列调节基因CompanyLogo是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。包括转录起始点、共有序列——TATA盒（核心序列）以及GC盒或CAAT盒等。共有序列

－110bp-30-25bp转录起始位点

CAAT盒GC盒

TATA盒RNAPolⅡ结合位点对基因转录起阻遏作用的特异DNA序列，属于负性调控元件。

启动子增强子沉默子是增强启动子转录活性的特异DNA序列。（远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存）启动子增强子核心启动子调节启动子区域TheConsensusSequencesinProkaryoticPromoters启动子调节区域核心启动子（二）转录调节蛋白与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发挥正性调控作用。（如，CAP—分解代谢物基因活化蛋白）原核生物的调节蛋白（3类）特异因子阻遏蛋白激活蛋白决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力，(如RNA聚合酶的因子)通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；（由调节基因表达的阻遏蛋白）CompanyLogo按其功能不同，常有以下三类基本转录因子特异转录因子共调节因子

反式作用因子

能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。

2.真核生物的调节蛋白CompanyLogo（1）基本转录因子是指能够在启动子部位与核心序列TATA盒和RNA聚合酶Ⅱ结合，形成转录前起始复合物（PIC）的一类调节蛋白，以起动转录。

与RNA聚合酶Ⅱ结合的(基本)转录因子有：TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH,TFⅡJ等。首先由TFⅡD与启动子TATA盒结合，然后按一定的时空顺序依次结合RNAPolⅡ和其它转录因子，形成PIC。

CompanyLogo转录前起始复合体的组装（PIC)CompanyLogo（2）特异转录因子（转录调节因子）

这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子/沉默子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。起激活转录作用——转录激活因子；起抑制转录作用——转录抑制因子。（3）共调节因子另有一类与转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。与转录激活因子有协同作用——共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用——共阻遏因子。CompanyLogoDNA结合域转录激活域TF结合其他蛋白质的功能域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域反式作用因子的特殊功能域P53蛋白转录激活域核定位信号四聚化结构域DNA结合域结合其他蛋白质的功能域最常见的DNA结合域锌指结构

亮氨酸拉链结构ZnCysHis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，形成二聚体或多聚体。（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1

原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与启动序列的亲和力，影响转录。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。（四）RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合（1）原核RNA聚合酶（RNApolymerase）在E.coli启动子中，在-35和-10的两个序列称为一致性序列。两个序列中各碱基的出现频率为：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNA）则与上述序列相差较大这种调控作用与σ因子的作用有关。与原核生物的RNApol不同，真核RNApol不能单独与启动子结合，必需要有转录因子的参与。（2）三种真核RNA聚合酶（RNApolymerase）酶定位转录产物

对-Amaniting的敏感性RNApolIRNApolIIRNApolIII核仁rRNA（18S，28S，5.8S）—核质hnRNA（mRNA），snRNA+核质tRNA，5SrRNA，某些snRNA有种属特异性第三节

原核基因表达调节重点：掌握CAP-cAMP与乳糖的协同作用。

熟悉原核生物基因表达调控的基本规律及乳糖操纵子的工作原理。

CompanyLogo调节的主要环节在转录起始-35区和-10区与TGACA和TATAT序列一致性：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96σ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列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。

一、原核基因表达调节特点CompanyLogo操纵子模型的普遍性原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位──操纵子（operon）。一个操纵子只含一个启动序列（promoter）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。如：乳糖操纵子、色氨酸操纵子等。

CompanyLogo大肠杆菌乳糖操纵子结构lacIlacYPlacOlacZlacA启动子阻遏蛋白基因结构基因操纵基因原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。CompanyLogo调节机制相对简单多级调控，但主要在转录水平多基因作为一个单元被调控负性调节比较常见原核基因表达调节特点CompanyLogo乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的调节机制二、转录水平的调节——操纵子调控模式CompanyLogo（一）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

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列调节基因ZYAOPDNAICompanyLogo-84—+1-7—+28AUG：+39—+41-67—-59CompanyLogomRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因1、阻遏蛋白的负性调节CompanyLogomRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶图

lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节CompanyLogo当调控蛋白结合于特异DNA序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。

E.coli中的一些弱启动子，本身结合RNA聚合酶的作用很弱，对于这些启动子来说，正调控作用是很重要的。2、CAP的正性调节CAP蛋白可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可以利用其他碳源。CAP结合DNA由cAMP控制。

CAP蛋白（分解代谢物基因活化蛋白catabolitegeneactivatorprotein）：CompanyLogo++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCompanyLogo葡萄糖cAMPcAMPcAMP—CAPCAPDNA乳糖代谢操纵子cAMPCAP转录CAP—DNA3、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操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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

操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。

CompanyLogomRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOCompanyLogoCAPCAP结合位点启动子操纵基因结构基因+葡萄糖+乳糖+葡萄糖-乳糖-葡萄糖-乳糖-葡萄糖+乳糖开放关闭关闭关闭转录mRNA阻遏物RNA聚合酶乳糖操纵子中的P是一个弱启动子。CompanyLogo半乳糖苷通透酶硫半乳糖苷乙酰基转移酶cAMPCAP-cAMP--葡萄糖+乳糖--乳糖CompanyLogo乳糖类似物：异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（简称IPTG）被用来作为乳糖操纵子的诱导物；IPTG与阻褐基因结合并使之不活跃，但却非β-半乳糖苷酶的基底，不能被大肠肝菌所代谢；IPTG能在缺乏lacY基因下而有效地被运送。并且，由于细胞不会代谢IPTG，它的浓度在实验中并不会改变。IPTG乳糖CompanyLogo乳糖操纵子应用：CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo第四节

真核基因表达调节重点：熟悉真核基因表达调控的特点；

了解真核生物的基因表达调控的基本规律。

CompanyLogo一、真核基因组具有独特的结构特点（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。

人编码基因约2万个，编码序列仅占总长的1%。

重复基因约占