基因表達的調節(jié)基因表達調節(jié)的基本概念及原理原核第1頁/共76頁基因表達調節(jié)的基本概念及原理原核生物基因轉錄調節(jié)真核生物基因轉錄調節(jié)第2頁/共76頁第一節(jié)

基本概念與原理第3頁/共76頁一、基本概念基因（gene）一段編碼蛋白質多肽鏈和功能RNA的DNA片段?；蚪M(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。第4頁/共76頁典型的基因表達是儲存遺傳信息的基因，在一定調節(jié)機制控制下，經過轉錄、翻譯，產生有生物活性的蛋白質或成熟的rRNA和tRNA的過程?；虮磉_基因表達＝轉錄＋翻譯第5頁/共76頁

大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態(tài)。生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的第6頁/共76頁二、基因表達的規(guī)律

--時間性及空間性（1）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。第7頁/共76頁（2）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性。第8頁/共76頁三、基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：（1）組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因。管家基因第9頁/共76頁無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達。組成性基因表達只受到啟動序列或者啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響。

組成性基因表達也是相對的，而不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調控的。

第10頁/共76頁（2）誘導和阻遏表達適應性表達指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。

改變基因表達的情況以適應環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應生活的動物，其肝臟合成的蛋白質圖譜就有明顯的不同；長期攝取不同的食物，體內合成代謝酶類的情況也會有所不同。所以，基因表達調控是生物適應環(huán)境生存的必需。第11頁/共76頁

是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導基因被激活，從而使基因的表達產物增加。如:DNA發(fā)生損傷時，修復酶的基因被誘導激活。

誘導表達

在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。第12頁/共76頁如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏。阻遏如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關閉。第13頁/共76頁在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)(coordinateregulation)。第14頁/共76頁1、基因表達的多級調控四、基因表達調控的基本原理基因激活轉錄起始

轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄水平的基因表達調控最重要第15頁/共76頁2、特異DNA序列對基因轉錄激活的調節(jié)基因轉錄激活調節(jié)基本要素基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外環(huán)境，以及細胞內所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關。第16頁/共76頁原核生物——

操縱子(operon)

機制

編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調節(jié)序列共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。第17頁/共76頁RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。啟動序列RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第18頁/共76頁真核生物

順式作用元件——可影響自身基因表達活性的DNA序列

順式作用元件并非都位于轉錄起始點的上游(5’端)

啟動子增強子沉默子轉錄起始點增強子DNA編碼序列啟動子第19頁/共76頁順式作用元件通常是基因的非編碼序列。不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。第20頁/共76頁3、調節(jié)蛋白對轉錄起始的調節(jié)原核生物基因的調節(jié)蛋白---DNA結合蛋白特異因子、阻遏蛋白、激活蛋白真核生物基因的調節(jié)蛋白---反式作用因子與DNA結合的調節(jié)蛋白與蛋白質結合的調節(jié)蛋白第21頁/共76頁熱休克反應細菌的RNA聚合酶70

（啟動常規(guī)基因表達）被32取代，從而啟動另一套基因的表達。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白—是由調節(jié)基因編碼產生的調節(jié)蛋白。專一與操縱基因（操縱序列）結合。第22頁/共76頁當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。

操縱序列

——阻遏蛋白的結合位點

因阻遏蛋白結合DNA產生的阻斷轉錄調節(jié)作用稱負調節(jié)。第23頁/共76頁激活蛋白可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白激活蛋白—是由調節(jié)基因編碼產生的調節(jié)蛋白。

因激活蛋白結合DNA產生的增強轉錄調節(jié)作用稱正調節(jié)。第24頁/共76頁有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白第25頁/共76頁真核基因的調節(jié)蛋白--反式作用因子（轉錄因子）由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。

反式調節(jié)BAaDNAmRNA蛋白質AA第26頁/共76頁轉錄調節(jié)因子結構DNA結合域轉錄激活域蛋白質－蛋白質結合域（二聚化結構域）酸性激活域谷氨酰胺富含域脯氨酸富含域第27頁/共76頁（1）調節(jié)蛋白與DNA的結合

大部分調節(jié)蛋白與DNA的結合為特異結合。調節(jié)蛋白中與DNA特異結合的結構域中有特征性的亞結構---即結構模序。如：螺旋-轉角-螺旋（HTH）、鋅指（zincfinger）、同質異形結構域等。調節(jié)蛋白中的一些極性帶電荷的氨基酸殘基Asn、Gln、Glu、Arg、Lys與DNA堿基形成氫鍵。第28頁/共76頁螺旋-轉角-螺旋（HTH）

由兩個7-9個氨基酸殘基組成的螺旋。一個用于識別DNA，結合在DNA分子的大溝中。第29頁/共76頁鋅指（zincfinger）見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構成。每四個半胱氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結合。每個蛋白質分子中可含2-9個鋅指結構。

第30頁/共76頁常結合DNA的GC盒，也有與mRNA結合的功能。第31頁/共76頁同質異形結構域由60個氨基酸殘基組成，結構與HTH相似。

在真核生物發(fā)育，如身體形成期間起作用。

編碼這種結構域的DNA序列，叫做同質異形盒。第32頁/共76頁（2）調節(jié)蛋白中蛋白質-蛋白質相互作用結構域絕大多數調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體。（同質或異質）也有的是在結合DNA前，需要蛋白質與蛋白質之間的解聚過程第33頁/共76頁二聚體亮氨酸之間相互作用形成二聚體，形成“拉鏈”。肽鏈氨基端20～30個富含堿性氨基酸結構域與DNA結合。亮氨酸拉鏈(zip)第34頁/共76頁亮氨酸拉鏈第35頁/共76頁堿性螺旋-環(huán)-螺旋(HLH)可形成二聚體由50個氨基酸殘基的保守區(qū)組成肽環(huán)長度可變堿性螺旋與DNA結合第36頁/共76頁4、RNA聚合酶

DNA順式作用元件、調節(jié)蛋白對轉錄激活的調節(jié)最終是由RNA聚活酶的活性體現的。啟動子的結構、調節(jié)蛋白的性質對RNA聚活酶活性影響最大。第37頁/共76頁⑴啟動序列與RNA聚合酶活性

啟動子有強弱只分，原核、真核啟動子堿基序列影響RNA聚合酶與其親和力，進而影響轉錄啟動頻率。啟動子序列的差別，使細胞中不同的管家基因在不同的水平表達。第38頁/共76頁⑵調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性啟動序列決定基礎轉錄頻率，一些特異調節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號（如誘導劑和阻遏劑等）刺激下在細胞內表達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性，使基礎轉錄頻率發(fā)生變化，從而引起表達的變化。第39頁/共76頁第二節(jié)

原核生物基因轉錄調節(jié)第40頁/共76頁——調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始一、原核生物基因轉錄調節(jié)特點（1）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性

——只有一種RNA-pol，但是有很多種σ因子（2）操縱子模型的普遍性

—功能相關基因成簇串聯通過單個啟動子協(xié)調表達（3）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性

——原核生物主要以這種負調節(jié)方式為主第41頁/共76頁二、乳糖操縱子調節(jié)機制（1）乳糖操縱子(lacoperon)的結構

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列ZYAOPDNA第42頁/共76頁mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（2）阻遏蛋白的負性調節(jié)調節(jié)基因第43頁/共76頁mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第44頁/共76頁CAP—降解物基因活化蛋白CAP-cAMP復合物CAP++++

轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（3）CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第45頁/共76頁

調節(jié)基因轉錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的RNA-pol前移，結構基因不被轉錄。1）無乳糖也無葡萄糖存在時：2）當無乳糖，有葡萄糖時：

由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節(jié)不起作用?？偨Y：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關閉OPOP第46頁/共76頁

由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不與CAP形成復合物，CAP不能結合到啟動子附近，RNA聚合酶不能有效轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。3）既有乳糖，又有葡萄糖時：O

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落。第47頁/共76頁

細胞內cAMP含量高，cAMP與CAP結合成復合物，與DNA結合，并推動RNA-pol向前移動，促進轉錄。

4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落，結合在啟動子上的RNA-pol向前移動，結構基因被轉錄翻譯，合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖。所以：有乳糖時，沒有葡萄糖，操縱子才開放；有葡萄糖存在，操縱子關閉第48頁/共76頁（4）協(xié)調調節(jié)阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，如無CAP存在加強轉錄，操縱子仍無轉錄活性。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源。若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。第49頁/共76頁三、其它轉錄調節(jié)機制1、阿拉伯糖操縱子的正調節(jié)和負調節(jié)作用

阿拉伯糖是另一個可以為代謝提供碳源的五碳糖。在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要araB、araA和araD3個基因編碼3個酶：核酮糖激酶，L-阿拉伯糖異構酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶。與araBAD相鄰的是一個復合的啟動子區(qū)域和一個調節(jié)基因araC，araC產生的AraC蛋白同時顯示正、負調節(jié)因子的功能。第50頁/共76頁第51頁/共76頁AraC蛋白通過兩種異構體（P1和P2）來實現正、負調節(jié)因子的雙重功能。在沒有阿拉伯糖時，P1形式占優(yōu)勢，可以與現在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點相結合，起阻遏作用。一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結合，使P1離開操縱基因位點，構象平衡趨向于P2形式。P2是起誘導作用的形式，它通過與啟動子結合促進RNA-pol開始轉錄，發(fā)揮正向調節(jié)作用。第52頁/共76頁2、色氨酸操縱子的轉錄弱化調節(jié)

色氨酸操縱子負責色氨酸的生物合成，編碼5種酶的基因（trpE、trpD、trpC、trpB、trpA）緊密連鎖在一起，當培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時，操縱子自動關閉，缺乏色氨酸時操縱子被打開。

色氨酸或與其代謝有關的某種物質在阻遏基因表達過程中起作用。由于trp操縱子參與生物合成而不是降解，因此它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調控。

第53頁/共76頁RDNAECAOPDBL調節(jié)基因啟動子操縱基因前導序列結構基因mRNA阻遏蛋白輔阻遏物（Trp）×＋研究發(fā)現，有色氨酸，轉錄總是在這個區(qū)域終止，這種終止是被調節(jié)的，這個區(qū)域被稱為衰減子（弱化子）。第54頁/共76頁阻遏-操縱機制是一級開關，主管轉錄是否啟動，相當于粗調開關。前導序列翻譯前導肽是二級開關，屬細調控，指示已經啟動的轉錄是否繼續(xù)下去。這個細微調控是通過轉錄達到第一個結構基因之前的過早終止來實現的，由色氨酸的濃度來調節(jié)這種過早終止的頻率。

色氨酸操縱子是翻譯與轉錄相偶聯的基因表達調節(jié)機制第55頁/共76頁

前導序列由162個核苷酸組成，分為1、2、3、4區(qū)域，四個區(qū)域根據需要彼此互補結合，形成特殊的二級結構，達到調節(jié)基因表達的目的。其中一部分序列編碼了一個含14個氨基酸的前導肽。該多肽內含有兩個相鄰的色氨酸。正是這兩個相連色氨酸的密碼子（組氨酸、苯丙氨酸操縱子中都有這種現象）調控了色氨酸操縱子結構基因的表達。第56頁/共76頁當培養(yǎng)基中Trp濃度很低時，Trp-tRNA含量減少，這樣翻譯通過兩個相鄰Trp密碼子的速度就會很慢，當4區(qū)被轉錄完成時，核糖體才進行到1區(qū)（或停留在兩個相鄰的Trp密碼子處），這時的前導區(qū)結構是2-3配對，不形成3-4配對的終止結構，RNA-pol繼續(xù)前進轉錄，直到將trp操縱子中的結構基因全部轉錄完成。

當培養(yǎng)基中Trp濃度較高時，核糖體可順利通過兩個相鄰的Trp密碼子，在4區(qū)被轉錄之前就到達2區(qū)，使2-3區(qū)不能配對，3-4區(qū)自由配對形成莖環(huán)終止子結構，轉錄被終止，trp操縱子被關閉。第57頁/共76頁第58頁/共76頁調節(jié)基因表達的RNA，稱為調節(jié)RNA。反義RNA：細菌中的一種調節(jié)RNA,含有與特定mRNA翻譯的起始部位互補的序列，通過與mRNA的雜交阻斷30S小亞基對AUG的識別及與SD序列的結合，抑制翻譯的起始。反義RNA的調節(jié)作用，稱為反義控制。反義RNA對翻譯的調節(jié)作用第59頁/共76頁第三節(jié)

真核生物基因轉錄調節(jié)第60頁/共76頁一、真核生物基因組結構特點1、真核基因組結構龐大哺乳類動物基因組DNA

約3×109

堿基對編碼基因約有40000個，占總長的6%rDNA等重復基因約占5%～10%2、染色質的獨特結構DNA與組蛋白、非組蛋白和少量RNA等其它物質相結合，組蛋白可以保護DNA免受損傷，維持穩(wěn)定，調節(jié)表達。第61頁/共76頁3、單順反子即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。4、重復序列（正向重復、反向重復）單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（106

次）中度重復序列（103

～104次）多拷貝序列5、基因不連續(xù)性——斷裂基因第62頁/共76頁---是指核苷酸序列或編碼產物的結構具有一定程度同源性的一組基因。同一家族的基因成員是由同一祖先基因進化而來。其編碼產物常常具有相似的功能?；蚣易逯?，某些成員并不能表達出有功能的產物，這些基因稱為假基因，表示為“Ψ”。哺乳動物中普遍存在這一現象?？赡苡赏蛔儺a生。6、基因家族第63頁/共76頁二、真核生物基因表達調節(jié)的特點1、組織特異性表達和時相性

真核生物和原核生物的分界線是真核生物染色體由一層核膜所包圍，真核生物轉錄和翻譯在時空上是分隔的；原核生物是緊密偶聯的。（1）時間特異性/階段特異性（2）空間特異性/細胞特異性/組織特異性第64頁/共76頁2、活性染色體結構變化（1）對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調節(jié)蛋白結合位點附近。（2）DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在?；蚧罨驲NA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向第65頁/共76頁（3）DNA堿基修飾變化

真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。CpG島—甲基化常發(fā)生在某些基因的5’側翼區(qū)的CpG序列（4）組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露第66頁/共76頁4、多級調節(jié)系統(tǒng)3、正性調節(jié)占主導

真核基因基因組大，通過利用各種轉錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調控的主要機制。

——特異性強，更精確，更經濟

在轉錄前、轉錄、轉錄后與翻譯、mRNA降解、翻譯后、轉運等不同水平分別進行調控。短期調節(jié)（可逆）-環(huán)境、代謝物對合成的影響。長期調節(jié)（不可逆）-發(fā)育中的細胞決定和分化。第67頁/共76頁（1）DNA水平調節(jié)（轉錄前）①染色質的丟失——不可逆調節(jié)②基因擴增——增加基因拷貝數③基因重排——主要調節(jié)方式④DNA甲基化—甲基化與基因表達呈負相關（2）轉錄水平調節(jié)RNA聚合酶活性調節(jié)Britten-Davidson模型第68頁/共76頁Britten-Davidson模型CDNAS1S2STZ1傳感基因Z2st整合基因(受體基因)結構基因受體序列mRNA傳感蛋白＋激素激活蛋白第69頁/共76頁（3）轉錄