分子生物学课件：第二章 基因表达调控

第二章

基因表达调控

基因表达——是指基因转录及翻译的过程

（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段生命科学的中心法则RNA一条主线：遗传信息的传递—信息流二个阶段：遗传信息的表达—转录和翻译三个层面：1.DNA2.RNA3.蛋白质第三节原核生物基因表达调控第二节基因表达调控的基本原理及其生物学意义第四节真核生物基因表达调控第二章基因表达调控第一节基因与基因组第一节基因与基因组第一节基因与基因组一、相关概念二、基因组结构三、生物学意义基因（gene）

基因组（genome）基因组学（genomics）一、相关概念第一节基因与基因组1.基因(gene)是1909年丹麦植物学家W.Johannsen根据希腊文单词genos(birth，给予生命）创造的。现代分子生物学的基因概念：表达（合成）有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。基因就是一段DNA序列。但对RNA作为遗传信息载体的RNA病毒而言，基因则是一段RNA序列第一节基因与基因组2.基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。

人的核基因组大约有30亿个（最新资料说28.5亿个）硷基对(bp)，2∼2.5万个蛋白编码基因，这些编码区仅占整个基因组很少一部分（不到3%），而大部分是非编码区。第一节基因与基因组真核生物基因组核基因组线粒体基因组叶绿体基因组原核生物基因组染色体质粒第一节基因与基因组3.基因组学（genomics）由美国科学家ThomasRoderick于1986年首创。基因组学：在基因组水平上研究基因的科学，涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。第一节基因与基因组基因组学（Genomics）：简言之，就是研究基因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的功能和相互作用等。第一节基因与基因组二、基因的结构基因分为：被转录区：从转录起始位点开始到转录终止位点结束的作为转录模板的被转录区域。2.调控区：对基因表达起调控作用的序列，如启动子、增强子。第一节基因与基因组（一）原核生物的基因结构：

原核生物中，绝大多数基因按功能相关性成簇地串联排列于染色体上，共同组成一个转录单位——操纵子（operon）。操纵子也是原核生物基因表达的协调控制单位。其被转录区包括功能上相关的几个结构基因前后相连成串，位于上游的调控区序列同时调控下游的多个结构基因的表达。第一节基因与基因组图2-1大肠杆菌基因及调控序列第一节基因与基因组阻遏蛋白基因启动序列操纵序列结构基因编码阻遏蛋白RNA聚合酶结合部位阻遏蛋白结合部位编码数个功能相关蛋白5’-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATAATCTCAATAGGTCCACG-3’3’-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC-5’－35－10+1（一）原核生物的基因结构一般构成一个转录单位——操纵子（operon）包括：1.启动序列：位于结构基因转录起始位点上游，TATA盒、

CAAT盒2.终止序列：结构基因下游3.操作序列：启动基因邻近，常与启动序列部分重叠4.正调控蛋白结合位点:可加快转录的启动第一节基因与基因组（二）真核生物的基因结构：最大特点：不连续性——断裂基因：外显子与内含子相间排列，组成真核生物基因的被转录区。1.外显子：被转录并在转录后加工剪接时被保留最终呈现于成熟mRNA中的DNA片段（即与成熟mRNA中的DNA片段）。2.内含子：被转录但在转录后加工剪接时被除去的DNA片段。第一节基因与基因组第一节基因与基因组起始密码子内含子外显子终止密码子调控区5'非翻译区成熟mRNA3'非翻译区转录起始位点图2-2真核生物断裂基因（二）真核生物的基因结构包括：1.启动子（promoter）

：真核生物主要有三类启动子（Ⅰ～Ⅲ）2.增强子(enhancer)：是真核生物基因中最重要的调控序列，决定着基因的表达水平3.沉默子(silencer)：属于负性调控原件，可抑制（阻遏）基因的转录4.其他：绝缘子、位点控制区、核基质结合区，等第一节基因与基因组第一节基因与基因组图2-真核生物基因及其调控序列增强子沉默子启动子基因转录起始点外显子内含子+1位点控制区等第一节基因与基因组Ⅰ类启动子核心启动子–156～–107bp上游调控元件–45～＋20bpⅢ类启动子Ⅱ类启动子核心启动子增强子近端启动子－37bp~＋32bp远端启动子沉默子C盒A盒＋10bp＋20bp＋50bpB盒三、基因组的结构特点第一节基因与基因组表2-2不同生物基因组的大小第一节基因与基因组大小（kb）双螺旋线性长度（m）染色体数染色体（拷贝数）形状病毒病毒SV405.20.0000017--环状噬菌体φX1745.40.0000018--线性单链噬菌体λ460.000015--线性原核生物细菌大肠杆菌46000.0013611环状真核生物酿酒酵母121000.00034171或2线性黑腹果蝇1800000.01442线性人30000001.222+X,Y2线性（一）病毒基因组的结构特点1.病毒基因组大小差异较大:病毒的基因组很小，但不同病毒基因组相差较大2.有的病毒基因组是DNA，而有的病毒基因组是RNA3.多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成，但有些RNA病毒基因组由数条不连续的RNA链组成4.病毒基因组存在着基因重叠第一节基因与基因组5.病毒基因组的大部分区域是编码蛋白质的，只有极小部分不被翻译.6.有的病毒基因可以转录生成多顺反子mRNA7.除反转录病毒外，病毒基因组都是单倍体，每个基因只有一个拷贝，即在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。8.噬菌体基因是连续的，而真核细胞病毒的基因是不连续的.第一节基因与基因组（二）原核生物基因组的结构特点原核生物的基因组较小，对其结构和功能的认识远较真核生物深入。原核生物基因组DNA虽然与蛋白质结合，但并不形成真正的染色体结构，只是习惯上称之为染色体DNA。原核生物的基因组主要是染色体DNA，有的含有质粒(可作载体)等其它携带遗传物质的DNA。第一节基因与基因组原核生物基因组的结构具有以下特点：①基因组较小，基因组中很少有重复序列；②编码蛋白的基因多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因是多拷贝基因；③编码蛋白的基因在基因组中所占的比例约为50%；④许多编码蛋白的结构基因在基因组中以操纵子（operon）为单位排列。第一节基因与基因组（三）真核生物基因组的结构特点

真核生物的基因组比较庞大，并且不同生物种间差异很大。真核生物基因组具有以下特点：

①真核生物基因结构庞大，如人的单倍体基因组含有3×109bp，大约含有2万～2.5万个基因，而大肠杆菌基因组含有约4×106bp，约4000个基因；第一节基因与基因组②真核基因转录产物为单顺反子，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；③真核基因组含有大量的重复序列，重复序列或集中成簇，或散在分布于基因间；④真核基因中不被转录的区域远远超过被转录的区域。基因两侧的不被转录的序列往往是基因表达的调控区。在基因内部有内含子、外显子之分，因此真核基因是不连续的。第一节基因与基因组第一节基因与基因组（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段

顺式作用元件：启动子、增强子、转录终止子、沉默子第一节基因与基因组真核生物

顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。

第一节基因与基因组RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列图

五种E.coli启动序列的共有序列原核启动子在E.coli启动子中，在-35和-10两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。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。原核启动子真核基因启动子是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盒真核启动子CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母图

真核基因启动子的典型结构真核启动子真核启动子元件名称共同序列结合的蛋白因子名称分子量结合DNA长度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bp

Oct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列第二节基因表达调控的基本原理及其生物学意义一、相关概念√二、基本规律(特点)三、生物学意义（一）基因表达的概念基因表达（geneexpreession）：是指基因负载的遗传信息转变生成具有生物学功能的产物的过程，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。（二）基因表达调控的概念即基因表达的调节和控制（regulationandcontrol）一、基因表达与调控的概念（一）基因表达具有时间及空间特异性二、基因表达调控的特点时间特异性(temporalspecificity):基因的表达按一定的时间顺序发生，即根据功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称为基因表达的时间特异性空间特异性(spatialspecificity):多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同，称之为基因表达的空间特异性。基本规律——特点三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达（constitutiveexpression（基本表达）

一个生物个体的几乎所有组织细胞中和所有时间阶段都持续表达的基因，其表达水平变化很小且较少受环境变化的影响。如GAPDH、β-肌动蛋白等

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。基本规律——方式非组成性表达（适应性表达）环境的变化容易使其表达水平变动

非组成性表达是指受特定环境信号刺激后表达水平发生变化的一类基因表达，随环境条件变化:

1.基因表达水平增高的现象称为诱导（induction），这类基因称为可诱导基因；

2.随环境条件变化，基因表达水平降低的现象称为阻遏（repression），相应的基因称为可阻遏基因。诱导和阻遏现象在生物界普遍存在，是生物体适应环境的基本途径。基本规律——方式四、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细胞分化与个体发育在疾病发生发展过程中起重要作用第三节原核生物基因表达调控第二章基因表达调控一、原核生物基因表达调控的特点二、转录水平的调节——操纵子调控模式三、翻译水平的调节一、原核生物基因转录调控的特点第二节原核表达调控（一）相对较简单（二）多级调控，主要在转录水平（三）操纵子调控模式具有普遍性：乳糖操纵子（lac

operon）;色氨酸操纵子（trpoperon

）（四）负性调控比较常见二、转录水平的调节——操纵子调控模式乳糖操纵子（lac

operon）色氨酸操纵子（trpoperon

）第二节原核表达调控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。第二节原核表达调控大肠杆菌乳糖操纵子结构lacIlacYPlacOlacZlacA启动子调节基因阻遏蛋白基因结构基因操纵基因第二节原核表达调控乳糖操纵子(lacoperon)的结构

调控区CAP（激活蛋白）结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第二节原核表达调控IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶RNA聚合酶结合位点Lac操纵子mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因阻遏蛋白的负性调节Lac操纵子mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶生理性诱导剂实验常用诱导剂异半乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操纵子诱导剂生理性诱导剂实验常用诱导剂Lac操纵子属于负调控，实质是去阻遏。2.Lac操纵子正调控cAMP-CAP激活Lac操纵子与负调控相反，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。CAP蛋白（分解代谢物基因活化蛋白

catabolitegeneactivatorprotein）：这种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。葡萄糖cAMPcAMPcAMP—CAPCAPDNA乳糖代谢操纵子cAMPCAP转录CAP—DNA++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPLac操纵子乳糖操纵子中的P是一个弱启动子。3、协调调节即阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节的协调。Lac操纵子mRNA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-polOOOO协调作用CAPCAP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。协调作用Lac操纵子调节机制（B）有葡萄糖，有乳糖（A）有葡萄糖，无乳糖（C）无葡萄糖，有乳糖很少的mRNA转录诱导剂阻遏蛋白CAP无转录ZAYOPIPIRNAPolCAP-cAMP大量的mRNA转录ZAYOPIPIZAYOPIPI阻遏蛋白CAPRNAPol阻遏蛋白RNAPol第二节原核表达调控三、翻译水平的调控

原核生物的基因表达调控主要在转录水平上，这种调控方式显然更符合生物界的“经济”原则。但在mRNA被转录出来之后，再从翻译水平给予调控，作为转录水平调控的补充。与转录类似，翻译一般在起始和终止阶段受到调节，尤其是起始阶段。翻译起始的调节主要靠调节分子，调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核糖体所利用。调节分子可以是蛋白质，也可以是RNA。第二节原核表达调控三、翻译水平的调控（一）多种方式SD序列mRNA稳定性翻译产物（二）小分子RNA（包括反义RNA）转录核糖体mRNA核糖体DNAprotein第二节原核表达调控第四节真核生物基因表达调控一、真核生物基因表达调控特点二、染色质水平的调节三、转录水平调控四、转录后水平调控五、翻译水平和翻译后水平调节第二章基因表达调控（一）真核基因组结构特征（二）不同功能模体构成的调节蛋白的结构特征第三节真核表达调控一、真核生物基因表达调控特点独特的结构特征（一）结构特点1.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5%~10%。第三节真核表达调控2.真核基因转录产物为单顺反子单顺反子(monocistron)

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。第三节真核表达调控3.真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性第三节真核表达调控4.真核基因组含有大量的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）多拷贝序列第三节真核表达调控（二）不同功能模体构成的调节蛋白的结构特征螺旋-转角-螺旋碱性亮氨酸拉链模体锌指模体“溴”结构域第三节真核表达调控HTH第三节真核表达调控最常见的DNA结合域：锌指(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒第三节真核表达调控ZnCysHis图

锌指结构第三节真核表达调控a-螺旋常结合CAAT盒碱性螺旋-环-螺旋碱性亮氨酸拉链

第三节真核表达调控第三节真核表达调控亮氨酸拉链形成倒Y字结构骑跨在DNA双螺旋的大沟上。与转录因子结合的DNA区常是一段反向重复序列，因此许多转录因子常以二聚体形式与DNA结合。第三节真核表达调控HTH结构域组成：两个α-螺旋区被一个β-转角隔开。其中一个a-螺旋常带有几个与DNA序列相识别的氨基酸可与DNA大沟结合。第三节真核表达调控第三节真核生物基因表达调控一、独特的结构特征二、染色质水平的调节四、转录后水平的调控五、翻译水平和翻译后水平的调节六、非编码RNA与真核基因表达调控第二章基因表达调控第三节真核表达调控一、独特的结构特征①真核基因组比原核基因组大得多；②原核基因组的大部分序列为编码序列，而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA，其余90%的序列的功能至今还不清楚，可能参与调控；③真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次；第三节真核表达调控④原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子（monocistron），许多功能相关蛋白，即使是一种蛋白质的不同亚基也将涉及多个基因的协调表达；⑤真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；⑥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，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。第三节真核表达调控

由于真核基因组的这些特点，真核基因表达的调控过程较原核生物要复杂许多（如下图）。该过程包括了染色质激活、转录激活、转录后修饰、转录产物的细胞内转运、翻译起始、翻译后修饰等多个步骤。在上述过程的每一个环节都可以对基因表达进行干预，从而使得基因表达调控呈现出多层次和综合协调的特点。但一般来讲，转录起始的调控是基因表达调控的较为关键的环节。染色质双链DNAhnRNAmRNA未折叠蛋白质成熟蛋白质染色质激活转录起始转录后加工修饰及转运翻译起始翻译后加工修饰基因表达调控中的可调控点第三节真核表达调控二、染色质水平调节（一）染色质结构的调节（二）DNA的甲基化修饰（一）染色质结构的调节组蛋白修饰组蛋白修饰的常见形式包括乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、磷酸化与去磷酸化等

乙酰化修饰使紧凑的核小体结构变得松散，有利于转录因子与DNA的结合，从而激活基因的转录；而去乙酰化修饰的作用则相反染色质水平调控2.染色质重塑染色质重塑同样在真核基因转录起始的激活过程中具有重要作用。如图13-9B所示，转录激活因子也可通过结合招募染色质重塑复合物，使启动子区域的DNA暴露出来，促进转录起始前复合体形成而激活转录起始染色质水平调控真核转录水平转录激活因子转录激活因子启动子启动子组蛋白乙酰化酶染色质重塑复合物组蛋白乙酰化转录起始复合物的形成染色质重塑转录起始复合物的形成（A）（B）（二）DNA的甲基化修饰

在染色质水平上，DNA的甲基化修饰也是真核生物控制基因表达尤其是转录起始激活的重要机制。DNA的甲基化主要发生在CpG岛（CpGislands）区域。CpG岛是指基因组DNA中长度为300bp～3000bp的富含CpG二核甘酸的一些区域，主要存在于调控基因转录的启动子区。约有60%以上基因的启动子区域含有CpG岛。染色质水平调控（二）DNA的甲基化修饰

启动子区中CpG岛的甲基化可导致基因转录抑制，而CpG岛甲基化水平的降低是基因转录激活所必需的在组织中低表达的基因多呈高甲基化。目前认为，甲基化影响基因表达的机制主要有：①DNA的甲基化影响DNA特异序列与转录因子的结合；②DNA高甲基化促进染色质形成致密结构，不利于基因表达。染色质水平调控三、转录水平的调控

与原核生物一样，真核基因表达调控的关键也是在转录水平，并且主要是在转录起始。但与原核生物不同的是，真核基因转录水平的调控涉及位于基因调控区的各种顺式作用元件与大量转录因子的相互作用。（一）顺式作用元件与基因调控区

顺式作用元件（cis-actingelement）是指位于DNA中的一些能够调节相邻基因转录的特殊的序列。顺式作用元件与其调控的基因位于同一条DNA链上，顺式作用元件通常位于基因的调控区。转录因子正是通过与顺式作用元件结合而调控基因转录。基因的调控区包括启动子、增强子和沉默子等，其作用模式以及顺式作用元件组成特点也有所不同。转录水平的调控启动子

真核基因的启动子可以大致分为核心启动子、近端启动子和远端启动子三部分区域。

核心启动子是指RNA聚合酶精确起始转录所需要的最少的一段DNA，长度约40个核苷酸，能与RNA聚合酶和通用转录因子结合起始转录.

近端启动子和远端启动子位于核心启动子区域的上游和更上游区域，主要含有能够与各种特异性转录因子结合的顺式作用元件，这些顺式作用元件主要参与调控不同细胞类型或不同生理/病理条件下各种基因的特异性转录.转录水平的调控2.增强子增强子则是一种位于核心启动子之外、转录起始位点较远的位置上（1kb～30kb，通常是在其上游）的调控序列。其长度约200bp，可使基因转录效率提高100倍或更多转录水平的调控3.沉默子沉默子是一类基因表达的负性调控元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。沉默子与增强子类似，其作用亦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。转录水平的调控（二）反式作用因子与转录因子反式作用因子（trans-actingfactor）是指能够通过直接结合或间接作用于DNA或RNA核酸分子，对基因表达发挥不同调节作用（激活或抑制）的各类蛋白质分子。

转录因子则是能够直接结合或间接作用于靶基因启动子、促进转录起始前复合体形成的蛋白质因子转录水平的调控有的蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达(开启或关闭)，称顺式调节作用。具有这种调节方式的调节蛋白因子称为顺式作用因子由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节(激活或抑制)其表达。这种调节作用称为反式作用.具有这种调节方式的调节蛋白因子称为反式作用因子。转录水平的调控cDNAaDNA反式调节C顺式调节

mRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA转录水平的调控APA蛋白质ABPBDNAmRNA反式调节顺式调节（三）转录激活的调节机制

一般来讲，真核基因的转录调节是正性调节。也就是说，基因只有被激活才被转录，否则就处于不表达的被抑制状态。真核基因转录调节的关键节点是转录起始的激活，该步骤的关键是完成转录起始前复合体的装配，转