第八章 基因表达调控

Chapter9Geneexpressioncontrols

1Basicconceptionandprinciple一、基因表达的概念二、基因表达特性三、生物学意义四、基本原理一、基因表达的概念proteintranscriptiontranslationDNARNA基因表达就是基因转录及翻译过程。二、基因表达特性

基因表达时空性时间特异性（阶段特异性）空间特异性（细胞特异性、组织特异性）

基因表达方式组成性表达（constitutivegeneexpression）管家基因（Housekeepinggene）：相对缺少时间和空间特异性而持续表达的一类基因。诱导和阻遏表达（inductionandrepression）：受环境因素影响而呈现出基因表达升高（诱导）或降低（阻遏）的现象。ProgrammingGeneExpression.Complexbiologicalprocessesofteninvolvecoordinatedcontroloftheexpressionofmanygenes.Thematurationofatadpoleintoafrogislargelycontrolledbythyroidhormone.Thishormoneregulatesgeneexpressionbybindingtoaprotein,thethyroidhormonereceptor,shownattheright.Inresponsetohormonebinding,thisproteinbindstospecificDNAsitesinthegenomeandmodulatestheexpressionofnearbygenes.Diagramofthehumanglobinfamilyofgenesonchromosome1ProcarboxypeptidaseA17.6Albumin3.52Pancreatictrypsinogen25.5ApolipoproteinA-I2.83Chymotrypsinogen4.4ApolipoproteinC-I2.54Pancreatictrypsin13.7ApolipoproteinC-III2.15ElastaseIIIB2.4ATPase6/81.56ProteaseE1.9Cytochromeoxidase31.17Pancreaticlipase1.9Cytochromeoxidase21.18ProcarboxypeptidaseB1.7a-1-Antitrypsin1.09Pancreaticamylase1.7Cytochromeoxidase10.910Bilesalt-stimulatedlipase1.4ApolipoproteinE0.9RankPancreas%Liver%Highlyexpressedprotein-encodinggenesofthepancreasandliver(aspercentageoftotalmRNApool)转录翻译转录水平调控

转录产物：加工、转运、降解翻译水平基因表达的多级调控DNARNAPROTEIN基因激活翻译后：加工、转运、降解三、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

四、基因转录激活调节基本要素（一）基因表达的调控序列（元件,element）：一段特异DNA序列

1、原核生物基因表达调控单元—操纵元（operon）

调控区：启动序列（启动子,promoter,P）

操纵序列(operator,O)

编码区：编码序列（结构基因）POABC调控序列（区）编码序列（区）启动子(promoter,P)启动子概念：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。启动子组成特点：有两段保守序列(共有序列,consensussequence）,决定启动子转录活性大小。-10区：TATAAT(Pribnowbox),与RNA聚合酶核心酶结合-35区：TTGACA,与σ因子结合操纵序列(operator,O)：是阻遏蛋白结合位点，与启动子序列毗邻，常交叉、重叠。介导负性调节激活蛋白结合序列---介导正性调节间隔-35区间隔RNA起始TTGACAN17TTAACTN7ATTTACAN16TATGATN7ATTTACAN17TATGTTN6ATTGATAN16TATAATN7ACTGACGN18TACTGTN6A-10区+1trptRNATyrlacRecAaraBADTTGACATATAAT共有序列2、真核生物基因表达调控序列—顺式作用元件（cis-actingelement）:

影响自身基因表达活性的序列，位于基因的两侧或中间：

启动子（promoter）增强子(enhancer)沉默子(silencer)

BARNA聚合酶ⅡBADNADNA转录起始点mRNAmRNA图14-2顺式作用元件概念转录起始点RNA聚合酶Ⅱ(二)基因表达的调节蛋白1、原核生物：特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套识别启动序列的特异性识别和结合能力，如因子：当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子。阻遏蛋白（repressor）结合操纵序列，阻遏基因表达激活蛋白（activator）与启动子附近DNA序列结合，促进RNA聚合酶与启动子结合2、真核生物：转录因子(transcriptionfactor)，可分为：

反式作用因子（trans-actingfactor）,大多数转录因子由某一基因表达后，与特异的顺式作用元件作用（DNA-蛋白质）激活另一基因的转录。

顺式作用因子（cis-actingfactor）：极少数可识别和结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭。蛋白质mRNAPADNAPB转录起始点mRNA顺式调节蛋白质图14-3反式与顺式作用蛋白反式调节BA（三）调节机制：通过非共价键分子间相互作用蛋白质–DNA相互作用（protein-DNAinteraction）：反式作用因子与顺式作用元件特异识别和结合。蛋白质–蛋白质相互作用(protein-proteininteraction):蛋白质之间相互作用可直接或间接结合DNA。（四）RNA聚合酶活性：

启动子序列影响其与RNA聚合酶的亲合力。调节蛋白影响RNA聚合酶的活性。

第二节原核基因转录调节乳糖操纵元(lac

operon)色氨酸操纵元(trp

operon)基因重组(geneticrecombination)SOS反应(SOSresponse)（一）结构组成：调控区：Plac、O、CAP结合位点和

编码区：三个结构基因（Z、Y、A）操纵元外有调节基因（lacI）编码阻遏蛋白一、乳糖操纵元（lactoseoperon）图16－2乳糖操纵子的结构（二）调节方式：

阻遏蛋白的负性调节

CAP的正性调节协调调节IPTG(乳糖类似物)阻遏蛋白的负性调节CAP的正性调节CAP腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP;cAMP磷二酯酶水解cAMP产生5’-AMP图16－3乳糖操纵子对基因表达的调节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；没有CAP时，即使阻遏蛋白从operator上解离仍无明显的转录活性；若有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖---分解代谢阻遏（catabolicrepression）2CAPcAMPCAP位点低乳糖阻遏蛋白操纵序列高乳糖RNA聚合酶mRNA5'图14-5CAP,阻遏蛋白，cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节1.当葡萄糖浓度低，cAMP浓度高时2.当葡萄糖浓度高，cAMP浓度低时启动序列启动序列启动序列启动序列1二、色氨酸操纵子（trpoperon）（一）色氨酸操纵元组成：调控区：启动子（Ptrp）、操纵序列（Otrp）、前导序列（trpL）、衰减子序列（trpa）；及远离的调节基因（trpR）结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB、trpA（二）调节方式：阻遏蛋白的负调控；辅阻遏物(色氨酸)+辅阻遏蛋白=阻遏蛋白衰减子（trpa）机制阻遏蛋白的负调控

色氨酸操纵子的结构

色氨酸操纵子对转录的调控机制图16－6λ噬菌体的开关事件操纵基因的结构衰减子（attenuator）：提前终止转录，调节基因表达的DNA序列。位于转录起始点前，存在前导序列（162nt）中，当trp浓度很高时，在与转录偶联的翻译过程中，在mRNA分子上形成一个不依赖

因子的终止结构。转录衰减机制1234转录衰减机制在高浓度色氨酸环境中，能形成色氨酰-tRNA，核糖体在翻译过程中能通过片段1，同时影响片段2和3之间的发夹结构形成，但片段3和4之间能形成发夹结构，这个结构就是P因子不依赖的转录终止结构，因此RNA聚合酶的作用停止。当色氨酸缺乏时，色氨酰-tRNA也相应缺乏，此时核糖体就停留在两个相邻的色氨酸密码的位置上，片段1和2之间不能形成发夹结构，而片段2和3之间可形成发夹结构，结果使色氨酸操纵子得以转录。调节效应：trpAttenuation:10-foldrepressiontrprepressor:70-foldrepressionTotalregulatoryeffect:700-foldrepression第三节真核基因转录调节真核基因组结构特点真核基因表达调控特点真核基因转录激活调节一、真核基因组结构特点结构庞大：人30亿（3×109）bp,基因占6%

单顺反子（monocistron）

重复序列多基因不连续性(断裂基因):外显子（exon）、内含子（intron）二、真核基因表达调控特点三种RNA聚合酶（RNA-PolⅠ、Ⅱ、Ⅲ）

活性染色体结构变化调节蛋白结合位点附近对核酸酶敏感

RNA酶前方DNA呈负超螺旋，后方呈正超螺旋

5’侧翼区CpG序列低甲基化组蛋白被修饰，核小体结构不稳定正性调节占主导转录与翻译分离转录后修饰、加工三、真核基因转录激活调节

（一）顺式作用元件

启动子：含有一组转录控制组件（module）

转录起始点

TATA盒:位于-25~-35bp处，是TFIID结合位点，控制转录的准确性和频率

CAAT盒

GC盒

增强子（enhancer）：

增强启动子转录活性的DNA序列。含有若干功能组件—增强体（enhanson）是TF结合的核心序列位于启动子内、或交错、或相邻、或其它部位远距离起作用，专一性不强，无方向性沉默子（silencer）负性调控元件，当结合特异调控蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。Generalpatternofcis-actingcontrolelementsthatregulategeneexpressioninyeastandmulticellularorganisms(invertebrates,vertebrates,andplants).(a)Genesofmulticellularorganismsconta