基因表达调控 Regulation of Gene Expression

1. Chapter 13 基因表达调控 Regulation of Gene Expression 主讲：张维娟 副教授 生 物 化 学 与 分 子 生 物 学 教研室

2. 主要内容 • §1.基本概念与原理 • 基因表达的概念、特异性、方式及生物学意义 • §2.基因表达调控的基本原理 • 基因表达的多层次和复杂性 • 基因转录激活调节基本要素 • §3.原核基因表达调节 • 原核基因转录调节特点 • 原核生物转录起始、转录终止和翻译水平调节 • §4.真核基因表达调节 • 真核基因组结构特点 • 真核基因表达调控特点 • 转录起始、终止、转录后及翻译水平的调节

3. 第 一 节基本概念与原理 Basic Conceptions and Principle • 基因表达的概念 • 基因表达的特异性 • 基因表达的方式 • 基因表达调控的生物学意义

4. 一、基因表达的概念 * 基因(gene) 是遗传的基本功能单位。从分子生物学角度，是指负载特定遗传信息的DNA片段。 翻 译 mRNA 多肽 结构基因 转 录 DNA tRNA 无翻译产物 rRNA 无转录产物 调节基因 * 基因表达(gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。

5. * 基因组(genome) • 生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。 • 绝大部分生物体基因组:双链DNA • 病毒基因组:双链或单链DNA或RNA。 • 不同生物基因组所含基因数目不同。 • 基因组的大小用全部核苷酸序列的碱基对总数表示。 • 例如：哺乳动物基因组DNA：3109bp 人的23对染色体

6. ﹡基因表达调控（gene expression regulation and control） 指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。

7. 紫外光照射 DNA损伤 光修复酶 光修复酶基因

8. A B 二、基因表达的特异性 （一）时间特异性 在生物体不同的功能阶段，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)。

9. （二）空间特异性 在个体生长、发育全过程，某种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同组织空间出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。 A B C 基因表达伴随时间或阶段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)。

10. 三、基因表达的方式 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)。 （一）组成性表达 管家基因 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，几乎在生命的全过程和生物体的所有细胞中持续表达。这类基因表达被视为组成性(或基本)基因表达(constitutive gene expression)。

11. 诱导 阻遏 表达增强 表达减弱 （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。该过程称为诱导(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)。 环境信号 协调表达

12. 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)。

13. 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

14. 第二节 基因表达 调控的基本原理

15. 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等 一、基因表达的多层次和复杂性 基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 转录起始

16. 二、基因转录激活调节基本要素 基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。 特异DNA序列 调节蛋白 DNA -蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用 RNA聚合酶

17. 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 (一)特异DNA序列 某种基因特异的表达方式与基因结构有关，这里主要指具有调节功能的DNA序列。 原核生物 ——操纵子(operon)机制

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

19. 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。

20. 3)其他调节序列 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。

21. 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。

22. 根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核生物基因的这些功能元件分为：根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核生物基因的这些功能元件分为： • 启动子 • 增强子 • 沉默子

23. (二) 调节蛋白 原核生物 RNA聚合酶 特异因子 CAP 启动序列 操纵区 转录起始 阻遏蛋白 激活蛋白 特异因子决定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。 阻遏蛋白识别、结合操纵序列,阻遏基因转录 激活蛋白 与启动子附近DNA结合,促进RNA聚 合酶与启动区结合，增强转录活性 DNA结合蛋白

24. 分解代谢物基因激活蛋白(catabolite gene activator protein,CAP) CAP与CAP位点结合后，才能促使RNApol与启动子结合，启动基因转录，这样一个操纵子中的一组基因就有两道开关，只有两道开关同时打开时基因才能转录。

25. 反式作用 P 顺式作用 真核生物 转录因子 反式作用因子(trans-acting factor) 顺式作用蛋白

26. 反式作用因子 P P (三)DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用 通常是非共价结合 顺式作用元件 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)。 蛋白质-蛋白质相互作用

27. (四) RNA聚合酶 1.原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 -35: T82G78A65C54A95 -10: T80A95T45A60A50T96 2.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。

28. 小结: 一、多级调控： 基因激活、转录起始、转录后加工、 mRNA降 解、蛋白质翻译、翻译后加工、蛋白质降解 二、基因转录激活调节基本要素 (一) 特异DNA序列 原核生物—操纵子（operon） 启动序列 操纵序列 编码序列 调控区

29. 真核生物—顺式作用元件 启动子 增强子 沉默子 (二) 调节蛋白 原核生物：特异因子（识别启动序列） 阻遏蛋白（结合操纵序列） 激活蛋白（与启动子附近DNA结合） 真核生物：转录因子 （反式作用因子和顺式作用蛋白）

30. (三) DNA–蛋白质、蛋白质–蛋白质相互作用 • 反式作用因子与顺式作用元件特异识别和结合 • 蛋白质之间相互作用可直接或间接结合DNA • (四) RNA聚合酶 • 启动子序列的差别决定RNA聚合酶的活性 • 调节蛋白影响RNA聚合酶的活性

31. 第 三节 原核基因表达调节 Regulation of Prokaryotic Gene Expression

32. 一、原核基因转录调节特点 ——调节的主要环节在转录起始 （一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

33. 调控区 结构基因 DNA P O Z Y A Z：β-半乳糖苷酶 Y：透酶 A：乙酰基转移酶 操纵序列 启动序列 CAP结合位点 二、原核生物转录起始调节 （一）乳糖操纵子(lac operon)的结构

34. 操纵子模型的提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖操纵子模型的提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖 François Jacob, 1965 Jacques Monod, 1965 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说(lac operon)，开创了基因表达调节研究的新领域。

35. 阻遏基因 pol DNA I P O Z Y A mRNA 阻遏蛋白 （二）乳糖操纵子调节机制 1.阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时

36. 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

37. IPTG(异丙基硫代半乳糖苷) • 极强的诱导剂

38. CAP CAP CAP CAP CAP CAP + + + +转录 DNA P O Z Y A 2. CAP的正性调节 无葡萄糖，cAMP浓度高时 有葡萄糖，cAMP浓度低时

39. 3.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； ※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 乳糖操纵子结构基因转录需具备两个条件： ① 阻遏蛋白与操纵基因解离 ② CAP与CAP结合位点结合 • 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖

40. RNA-pol O O mRNA O O 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

41. 三、原核生物转录终止调节 转录终止机制：依赖因子的转录终止 不依赖因子的转录终止 E.coli 存在两种终止调节方式： 衰减和抗终止 色氨酸操纵子的转录衰减作用是通过操纵子前导区内存在的类似终止子结构的一段DNA序列实现的，这段DNA序列称为衰减子。

42. Trp 转录衰减 调节区 结构基因 P O RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA Trp 高时 ? 色氨酸操纵子

43. 结构基因 调节区 P O trpR 前导mRNA 1 2 3 4 UUUU…… 终止密码子 trp 密码子 衰减子区域 衰减子结构 UUUU…… UUUU…… UUUU…… 前导序列 14aa前导肽编码区: 包含序列1 第10、11密码子为trp密码子 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4

44. 前导DNA UUUU 3’ 3 4 UUUU…… 1 2 4 核糖体 3 5’ trp 密码子 转录衰减机制 RNA聚合酶 前导mRNA 衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止 UUUU 3’ 前导肽 1.当色氨酸浓度高时

45. 前导DNA 结构基因 3 4 UUUU…… 1 2 2 3 5’ 4 UUUU…… 核糖体 trp 密码子 Trp合成酶系相关 结构基因被转录 RNA聚合酶 前导mRNA 序列3、4不能形成衰减子结构 前导肽 2.当色氨酸浓度低时

46. 意义：这种机制可以保证充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。 36

47. 四、原核生物翻译水平调节 （一）蛋白质分子的自我调节 调节蛋白-----自身的RNA 调控蛋白一般作用于自身mRNA,抑制自身的合成,这种调节方式称自我控制(autogenous control) （二）反义RNA对翻译的调节 调节RNA-----反义控制 反义RNA(anti sense RNA)是指mRNA互补的RNA分子。 反义控制(antisense control) ------是指反义RNA抑制翻译起始的调节。

48. 小结: 原核基因转录调节 一、特点 因子决定转录特异性 操纵子模型------多顺反子 阻遏蛋白调节 二、乳糖操纵子调节机制 结构：调控区：P、O和CAP结合位点 结构基因： Z 、Y 、A 调节：阻遏蛋白的负性调节 CAP的正性调节 协调调节

49. 第 四节 真核基因表达调节 Regulation of Eukaryotic Gene Expression

50. 一、真核基因组结构特点 （一）真核基因组结构庞大 哺乳动物基因组DNA：3109 bp 结构基因：6% 重复基因：5%---10% 其它：80%---90%