基因表达调控

第五章基因表达的调控(Regulationofgeneexpression

)分子生物学研究中心1遗传信息传递的中心法则2基因表达

(geneexpression)

生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录和翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。一、基因表达的概念3二、基因表达的特点（一）时间特异性

发育阶段特异性

（二）空间特异性组织细胞特异性P1244

按对刺激的反应性分为两大类：（一）基本（组成性）表达

(constitutiveexpression):

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。如管家基因三、基因表达的方式5管家基因(housekeepinggene)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。bcl-2β-actin126（二）诱导和阻遏表达诱导表达(inductionexpression)阻遏表达(repressionexpression)协调表达(coordinanceexpression)在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。7

四、基因表达调控的概念

机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。89五、基因表达的调控因子：蛋白质(主要)小分子RNA(某些环节)10六、基因表达的调控水平基因组转录转录后翻译翻译后11

第一节

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。

本节主要以大肠杆菌(E.coli)为例介绍原核生物基因表达的调控12转录过程可分为四个阶段：RNA聚合酶识别并结合模板DNA（Recognition）2.起始（Initiation）3.延伸（Elongation）4.终止（Termination）13一、原核生物基因表达的特点

1.只有一种RNA聚合酶（DNA-dependentRNAPolymerase)2.基因表达以操纵子为基本单位操纵子（operon）多个功能相关的结构基因成簇串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止信号组成的基因表达单位。P114

14操纵子学说开创了基因表达调控研究的先河

F·Jacob

J·L·Monod

Jacob,F;Monod(1961)."Geneticregulatorymechanismsinthesynthesisofproteins"Journalofmolecularbiology

3:318–5615操纵子(operon)模型ppromoter调节序列结构基因：多个串联ayzstructural

gene16PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNATranscriptionmRNA3′1235′TranslationProteins123原核生物的mRNA是多顺反子mRNA17多顺反子mRNA(polycistronicmRNA):

原核生物中，多个功能相关的结构基因成簇串联排列，利用共同的调控区构成操纵子的基因表达单位，转录产生的一个mRNA分子带有几个结构基因的遗传信息,可编码多个多肽链。183.转录和翻译偶联进行：194.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列(Shine-Dalgarnosequence)起始密码上游一段富含嘌呤的序列，共有序列为AGGAGG

能与rRNA3ˊ端富含嘧啶的序列互补配对结合

是核糖体与mRNA结合、启动翻译的识别信号。

SD序列的顺序和位置影响翻译起始效率。20

5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控通常有两种方式：

(1)起始调控，即启动子调控

(2)终止调控，衰减子调控21二、原核生物基因表达的调控机制

(一)转录起始的调控

(二)转录终止的调控

(三)翻译水平的调控

22(一)转录起始的调控

1.б因子与转录起始的调控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

EcoliRNAPolymerase23调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：

确保RNA聚合酶与特异启动序列稳定结合，而不是与其它位点结合。(1)б因子（Sigmafactor）24

不同的σ因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。最早发现的σ因子为σ70新发现：σ32、σ54

、σ28P11425(2)启动序列（promoter）RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAra

BAD

TTGACA

TATAAT共有序列26

共有序列决定启动序列的转录活性强弱。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。27

2.转录起始的负调控

乳糖操纵子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。

28

乳糖操纵子(lac

operon)的结构结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖透酶A：乙酰基转移酶阻遏基因I调控区CAP结合位点

启动子操纵基因ZYAOPDNAP11429mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负调控阻遏基因30

阻遏蛋白与操纵基因结合的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。31

与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。

-10+1+10+20+30.....5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

32mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖负调控的打破33诱导剂（inducer）乳糖

1,6-别乳糖（体内生理）异丙基硫代半乳糖苷（IPTG，体外试验）34

※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

操纵子有阻遏作用（分解代谢阻遏）

35

cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:环一磷酸腺苷CAP：分解代谢基因激活蛋白质(catabolitegeneactivatorprotein,orCRP)

CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。36转录活性提高50倍无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3.乳糖操纵子中CAP的正调控ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP37

4．转录起始的复合调控

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过正调控因子和负调控因子进行复合调控。38mRNA没有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO39-glucose

+

lactose-glucose

-lactose+glucose

-lactose乳糖操纵子的复合调控+glucose

+lactose启动转录基因表达没有葡萄糖，CAP结合到CAP结合位点无葡萄糖，有乳糖，阻遏蛋白解离CAP结合到CAP结合位点，正调控没有乳糖，阻遏蛋白与操纵元件结合少量表达同时有葡萄糖和乳糖，阻遏蛋白与CAP都不能与DNA结合40※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统?发挥作用；※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子转录活性?。415.转录起始的正、负双向调控

阿拉伯糖操纵子(arabinose

operon)模型

阿拉伯糖操纵子的基因结构图

由调节基因C合成的AraC蛋白是一个自我调节蛋白(autoregulatedprotein),它既是ara操纵子的正调节蛋白，又是ara操纵子的负调节蛋白42

AraC

对阿拉伯糖操纵子的负调控（negativeregulation）43

AraC

对阿拉伯糖操纵子的正调控（positiveregulation）44

（二）转录终止的调控A.依赖ρ因子的终止调控（Rho-dependenttermination）ρ因子：原核细胞中参与转录终止的蛋白质,具有解螺旋酶（ATP-dependenthelicase）活性4546

例:色氨酸操纵子（trp

operon)表达的调控

1.通过阻遏蛋白的负调控

2.通过衰减子作用B.不依赖ρ因子的终止调控（Rho-independenttermination）47终止子(terminator):促使RNApol

终止转录的DNA序列富含GC的区域含多个U的单链48转录终止的衰减调控(Attenuation)：外界因素通过控制发卡结构的形成调控转录终止。衰减子(Attenuator):位于转录起始的终止子序列，可形成发卡结构终止转录。

在色氨酸操纵子中，attenuator位于启动子和第一结构基因之间。49色氨酸操纵子的结构50Trp

Trp

高时Trp

低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?转录衰减的调控色氨酸操纵子6700个核苷酸140个核苷酸51UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密码子

UUUU……52UUUU……34UUUU3’34

核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制

125’

trp

密码子

衰减子结构可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶

终止53UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA

15’

trp

密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶

2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构54色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。55色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA聚合酶通过衰减子区域而继续转录。

56

(三)翻译水平的调控

翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子:RNA、蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。

571.反义RNA的调控作用

反义RNA(AntisenseRNA)

能与特定mRNA互补结合的RNA片段，由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。58SensegeneAntisense

genemRNAAntisenseRNA59反义RNA有三种作用方式：①与mRNA5ˊ端非翻译区包括SD序列相结合，直接抑制翻译。②与mRNA5ˊ端编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。

③与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。60反义RNA调控Tn10转位酶基因的表达示意图61ExamplesofantisenseRNAdrugs：1.Fomivirsen(brandnameVitravene)是一种抗病毒药。用于治疗免疫系统损伤（包括AIDS)引起的巨细胞病毒性视网膜炎（cytomegalovirusretinitis

，CMV)。

是一段合成的带有磷硫键连接的21个寡核苷酸

5'-GCGTTTGCTCTTCTT

CTTGCG-3'

2.Genasense(G3139):atargettoBcl-2andpotentialantisensedrugtolymphoma622.RNA的稳定性与调控的关系

3.蛋白质合成中的自身调控如：核糖体蛋白63

掌握:基因表达、多顺反子的概念；

乳糖操纵子的结构;

乳糖操纵子的转录调控机制。64第二节真核生物基因表达的调控

单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同。

多细胞真核生物，遗传信息从细胞核的基因组DNA传递到基因编码的蛋白质均受到多层次的调控。65一、真核生物基因表达的特点

（1）细胞具有全能性

（2）基因表达的时间性和空间性66Gγ

δ

β

Aγ

ζ2α2α1HbGrow1Hb

PorlandHbGrowⅡ

HbF

HbA2HbA

胚胎期胎儿期成人期不同发育时期珠蛋白基因表达和血红蛋白分子类型胚胎期胎儿期和成人期ε67(3)转录和翻译在细胞的不同部位进行68

（6）不存在超基因式操纵子结构（5）部分基因多拷贝

真核生物的mRNA是个单顺反子mRNA(monocistronicmRNA)

（4）初级转录产物要经过转录后加工修饰

初级转录产物为核不均一性RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）69TranslationTranscriptionmRNADNAProteinPromoterGene3′5′单顺反子mRNA

(monocistronicmRNA)真核生物的一个编码基因转录生成一个mRNA。70（一）基因组DNA水平的调控1.染色质的丢失

不可逆的调控。如一些低等生物（如线虫）体细胞发育过程中发生染色质丢失。二、真核生物基因表达调控的机制712.基因扩增（geneamplification）

当细胞对某种基因产物需要量剧增，单纯靠调节其表达活性不足满足需要，只有增加这种基因的拷贝数。723.基因重排：（generearrangement）免疫球蛋白IgG基因许多片段发生重排，为免疫球蛋白分子的多样性奠定了基础某些基因片段改变原来存在顺序而重新排列组合，成为一个完整的转录单位,造成表达产物多样性。7365Vgenesx27Dgenesx6Jgenes=10530combinations744.基因的甲基化修饰

(Methylationmodification)

DNA上特定的CpG岛处的胞嘧啶发生甲基化修饰（5mC）。甲基化程度与基因的表达一般呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。去甲基化，基因的表达增加。

GCGCGCGCGeneCpG岛：p4475

5.染色质结构对基因表达的调控作用

常染色质中疏松状态的活性染色质是基因转录前在染色质水平上独特的调控机制。76（二）转录水平的调控真核生物RNA聚合酶有3种种类ⅠⅡⅢ转录产物rRNA（5.8、18、28s）Hn-RNAsnRNA5S-RNAtRNA（RNApolymerase,RNApol）77真核生物基因转录调节

以RNA聚合酶Ⅱ为例转录起始复合物的形成顺式作用元件(cis-actingelement)反式作用因子(trans-actingfactor)转录水平的调控机制781.转录起始复合物的形成转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)和转录起始复合物(transcriptioninitiationcomplex,TIC)的形成真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。79ⅡAⅡB由RNA-Pol

Ⅱ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAPOL-ⅡTFⅡFⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-P80geneTATAenhancer5’3’promoterregionEBPTFIIApolIITFIIFTBPTAFTAFTAFTFIIETFIIBTIC形成81顺式作用(cis-acting):“actingfromthesamemolecule”反式作用(trans-acting):“actingfromadifferentmolecule”BADNA编码序列转录起始点

顺式调节82cDNAaDNA反式调节C顺式调节

mRNAC蛋白质CBA

mRNA蛋白质AA831.顺式作用元件(cis-actingelement)

指某些能影响基因表达但不编码新的蛋白质和RNA的DNA序列，按照功能分为启动子、增强子、负调控元件（沉默子等）。

84

1、启动子(promoter)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盒决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的一关键元件。85

①核心启动子(corepromoter)②上游启动子元件(upstreampromoterelement,UPE)上游-25~-30bp处，又称TATA盒（TATAAAA）上游-30~-110bp处，包括GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）86

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增强子

顺式作用元件结构基因-CAAT--GCGC----TATA转录起始真核生物启动子保守序列87(2)增强子(enhancer)

指位于启动子上游或下游并通过启动子增强目标基因转录效率的DNA顺序，增强子本身不具备启动子活性。1)远距离效应；2）无方向性；3）顺式调节；4）无物种和基因特异性；5）具有组织特异性；6）其作用与DNA的构象有关。88(3)其他元件a)沉默子（silencer）

指在真核基因内能抑制基因转录的DNA序列,与反式作用因子相互结合而起作用。不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。b)加尾信号895------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA902.反式作用因子(trans-actingfactor)

指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8～12bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。有时也称转录因子（transcriptionfactor,TF）。91反式作用因子根据作用方式分为三类：

①通用转录因子。普遍存在的转录因子。元件名称共有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

~22bp92②组织特异性转录因子：与基因表达的组织特异性有很大关系。③诱导性反式作用因子：活性能被特异的诱导因子所诱导。93转录调节因子结构DNA结合域(DNAbindingdomain)转录活化域(Trans-activationdomain)TF结合其它蛋白质结构域(ligandbindingdomain)（如，二聚化结构域）94951)DNA识别结合域：

①锌指（zincfinger）结构

Cys2/Cys2锌指Cys2/His2锌指见于甾体激素受体见于SP1，TFⅢA等1)DNABindingDomain96②同源结构域（homeodomain，HD）同源盒(homeobox)基因家族各基因间具有一相同的保守序列。所含的至少二个α螺旋中形成“转折”，第三个α螺旋与DNA大沟相互作用是同源盒蛋白与DNA结合的主要力量。97碱性-亮氨酸拉链

(LeucineZipper)二聚体亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。肽链氨基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。

Fos、Jun98螺旋-环-螺旋(Helix-loop-helix)99

2)转录活化结构域转录活化域是反式作用因子必须具备的结构基础。①酸性α-螺旋（acidicα-helixdomain）

含有较多的负电荷。能非特异性地与起始复合物相互作用发挥转录活化功能（如TBP）。②富含谷氨酰胺的结构域（glutamine-richdomain）

最强的转录活化域之一（如SP1）

。

③富含脯氨酸结构域（proline-richdomain）（如CTF1）1004.转录水平的调控机制(１)反式作用因子的活性调节

真核基因转录起始的调节，首先表现为反式作用因子的功能调节，即特定的反式作用因子被激活后，可以启动特定基因的转录。101反式作用因子的激活方式如下:①表达式调节:反式因子合成出来就有活性②共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化③与配体结合④蛋白质与蛋白质相互作用102103（2）反式作用因子作用方式

1)成环（looping）：使相应位点接近而发挥作用2)扭曲(twisting)：改变DNA构型3）滑动(sliding)：沿DNA滑动到另一特异序列发挥作用4）连锁反应（Oozing）：转录因子与DNA结合后促进另一转录因子的结合104（3）反式作用因子的组合式调控基因表达的调控不是由单一的反式作用因子完成而是几种因子组合，发挥特定的作用。105

cis-actingelementsthestructureofgeneineukaryote,cis-actingelementandtransorcis-actingfactorexonintronATGTAAPolyAsiteAATAAA,30bpdownstreamenhancerterminatordownstreamsilencerinitiationsitepromoterupstreamsilencerupstreamenhancercodingstrandtemplatestrand5’3’12n12n-1TATAboxCAATboxGCboxtrans-actingfactors106exonintronATGTAAPolyAsiteAATAAA,30bpinitiationsite12n12n-1初级转录产物107(三)转录后水平的调控1.首、尾的修饰

5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)

7－甲基鸟苷

3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)108帽子结构1095---