Regulation of Gene Expression

1. 第十三章 基因表达调控 Regulation of Gene Expression

2. 第一节 基因表达调控的基本概念第二节 基因表达调控的基本原理第三节 原核生物基因表达调节第四节 真核生物基因表达调节

3. 第一节基因表达调控的基本概念 Basic Conceptions of Gene Expression Regulation

4. 一、基因表达的概念 • * 基因（gene）：是编码一定功能产物的DNA序列。这种功能产物主要是蛋白质和RNA。 • 基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。 * 基因表达(gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有生物学功能产物的过程。 rRNA、tRNA的合成属于基因表达。 基因表达是受调控的

5. 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，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。 如甲胎蛋白(alpha fetal protein, AFP)基因的表达。 二、基因表达的时间性及空间性 （一）时间特异性

6. （二）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，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。

8. 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： （一）组成性表达 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(housekeeping gene)。 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。这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。

9. （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)。

10. 协调表达 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(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。

11. 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）维持个体发育与分化

12. 第二节基因表达调控的基本原理 Basic Principles of Gene Expression Regulation

13. 一、基因表达调控呈现多层次和复杂性 • 基因激活 • 转录 • 转录后加工 • 翻译 • 翻译后加工

14. 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 （一）特异DNA序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性 （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 （四）RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合

15. 启动序列 (promoter) 编码序列 其他调节序列 操纵序列 (operator) 蛋白质因子 特异DNA序列 原核生物 —— 操纵子(operon)机制

16. 1)启动序列 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 -35区 -10区 RNA转录起始 trp TTGACA N17 TTAACT N7 A A tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7 lac TTTACA N17 TATGTT N6 A recA N16 TATAAT N7 A TTGATA Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6 A 共有序列 TTGACA TATAAT

17. 共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。 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。

18. 阻遏蛋白 启动序列 操纵序列 编码序列 pol • 2 操纵序列 • ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。

19. 3)其他调节序列、调节蛋白 例如 激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。 有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。

20. 1) 顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列 转录起始点 DNA B A 编码序列 真核生物 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。

21. 2)真核基因的调节蛋白 反式作用因子(trans-acting factor) 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，调节其表达。 这种调节作用称为反式作用。 还有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，称顺式作用。

22. DNA a B mRNA 蛋白质A A C A c DNA mRNA C 蛋白质C 反式调节 顺式调节

23. DNA - 蛋白质 • 蛋白质-蛋白质 的相互作用 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(dimer)或多聚体(polymer)。

24. RNA聚合酶 ⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。 ⑵ 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。

25. 第三节 原核基因表达调节 Regulation of Gene Expression in Prokaryote

26. 一、原核生物基因表达的特点 1. 只有一种RNA聚合酶。 2. 基因表达以操纵子为基本单位。 3. 转录和翻译偶联进行 4. mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列。 5. 原核生物基因表达的调控主要在转录水平。 • (1) 起始调控，即启动子调控； • (2) 终止调控，即衰减子调控。

27. 二、操纵子调控模式 • 操纵子模型的提出 • 1961年，法国Monod和Jacob提出了著名的乳糖操纵子(lactose operon）模型，该模型的提出犹如当年Watson和Crick发现DNA双螺旋模型一样，受到人们的重视，被看作分子生物学的第二个里程碑。 • 获1965年诺贝尔生理学和医学奖 Jacob and Monod

28. 大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但2～3分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但2～3分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶 （1）β-半乳糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳糖和葡萄糖 （2）β-半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。 （3）β-半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙酰基酶）：该酶的功能不清楚，可能是将不能代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体外。

29. 结构基因 DNA P O Z Y A Z： β-半乳糖苷酶 Y： β-半乳糖透性酶 A： 乙酰基转移酶 操纵序列 启动序列 乳糖操纵子调节机制 （一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区 CAP结合位点 CAP：分解（代谢）物基因激活蛋白(catabolite gene activator portein, CAP)

30. 调节基因 pol DNA I P O Z Y A mRNA 阻遏蛋白 （二）阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时

31. DNA I P O Z Y A 启动转录 mRNA mRNA β-半乳糖苷酶 pol 阻遏蛋白 半乳糖 乳糖 有乳糖存在时

32. IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖苷, isopropylthiogalactoside) • IPTG是实验室常用的强诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定。 • 安慰诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG。

33. （三）cAMP-CAP（分解（代谢）物基因激活蛋白，catabolite gene activator portein) 的正性调节 • CAP与操纵子的某些序列（CAP位点）结合后，可促进转录。 • cAMP存在时与CAP结合，使后者构象改变并与CAP结合位点结合，刺激RNA转录活性（活性提高50倍），介导正性调节。 • 葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，称分解代谢阻遏（catabolic repression）。

34. 葡萄糖利用对乳糖操纵子的影响 • 葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录。 CAP CAP-cAMP

35. CAP CAP CAP CAP CAP CAP + + + + 转录 DNA P O Z Y A CAP的正性调节 无葡萄糖，cAMP浓度高时↑ 有葡萄糖，cAMP浓度低时↓

36. （四）协调调节 • 阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节协调 • （1）阻遏蛋白封闭时，CAP对系统不能发挥作用。 • （2）如果没有CAP加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵基因上解聚，仍没有转录活性。 • 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖（解除阻遏）又需缺乏葡萄糖（加强转录）。 • 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。

37. RNA-pol O O mRNA O O Flash 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

38. 三、原核生物具有不同的转录终止调节机制 （一）不依赖Rho因子的转录终止 终止子结构特点： • 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸； • 下游含一系列T序列。 （二）依赖Rho因子的转录终止 常见于噬菌体中，结构特点不清楚。

39. 四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节 （一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节 • 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。 • 调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。

40. （二）反义RNA (antisense RNA）结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节 • 可调节基因表达的RNA称为调节RNA。 • 细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制(antisense control)。

41. 第四节 真核基因表达调节 Regulation of Gene Expression in Eukaryote

42. 真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。 • 单细胞真核生物：如酵母，其基因表达调控与原核生物基本相同。 • 多细胞真核生物：基因表达调控与生物体的发育、分化有密切关系。

43. 哺乳类动物基因组 DNA 约 3 × 10 9碱基对 编码基因约 有 3~4万 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10% 一、真核基因组结构特点 （一）真核基因组结构庞大 DNA与组蛋白结合形成染色质

44. 高度重复序列（106次） 多拷贝序列 中度重复序列（103 ~ 104次） 单拷贝序列（一次或数次） （二）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。 （三）重复序列 （四）基因不连续性 断裂基因：外显子与内含子

45. 二、真核基因表达调控更为复杂 （一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶 真核RNA聚合酶有三种，即RNA pol I、II及 III，分别负责三种RNA转录。

46. 转录方向 负超螺旋 RNA-pol 正超螺旋 （二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化 • 对核酸酶敏感 活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。 • DNA拓扑结构变化 天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后:

47. H2N • DNA碱基的甲基化修饰变化 • DNA的甲基化程度与基因的表达一般呈反比。 • 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。 • 真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化 • DNA的这种修饰方式并没有改变基因序列，但它调控了基因的表达。

48. 组蛋白变化 • 富含Lys组蛋白水平降低 • H2A·H2B二聚体不稳定性增加 • 组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰 • 组蛋白的修饰： • 影响组蛋白与DNA双链的亲和性，改变染色质的疏松或凝集状态 • 影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性，发挥基因调控作用。 • 组蛋白密码

49. （三）在真核基因表达调控中，正性调节占主导（三）在真核基因表达调控中，正性调节占主导 • 采用正性调节机制更精确 • 采用负性调节不经济 （四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工更为复杂

50. 三、真核基因转录激活调节 （一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性 • 顺式作用元件：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 • 启动子、增强子、沉默子等 1.启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。