生物化学与分子生物学：第16章 基因表达调控

1、Regulation of Gene Expression 本章内容本章内容 第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念 第二节第二节 基因表达调控的基因表达调控的基本要素基本要素 第三节第三节 原核基因的表达调控原核基因的表达调控 第四节第四节 真核基因的表达调控真核基因的表达调控 第第 一一 节节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念 一、基因及基因表达的概念一、基因及基因表达的概念 基因组基因组* *( (genome) ) 指含有一个生物体生存、发育、活动和繁指含有一个生物体生存、发育、活动和繁 殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。殖所需要的全部遗传信息的整套核酸

2、。 个体或细胞所含的全套基因的总和。个体或细胞所含的全套基因的总和。 基因基因* *( (gene) ) 负载特定遗传信息的负载特定遗传信息的DNA片段片段( (或或RNA片段片段) ) DNA 转转 录录 mRNA tRNA rRNA 小小RNA 翻翻 译译 蛋白质蛋白质( (多肽多肽) ) 无翻译产物无翻译产物 无转录产物无转录产物 如启动基因、操纵基因如启动基因、操纵基因 基因的分类基因的分类 结构基因结构基因 调节基因调节基因 n基因表达基因表达* *（gene expression）是指在一定调节是指在一定调节 因素的作用下，因素的作用下，DNA分分子上特定的基因被激活子上特定的基因

3、被激活 并转录生成特定的并转录生成特定的RNA，或或由此引起特异性蛋由此引起特异性蛋 白质合成的过程。白质合成的过程。 n基因表达的产物基因表达的产物* *： 1 1、蛋白质（多数）、蛋白质（多数） 2 2、RNA 基因表达转录翻译基因表达转录翻译 Question: tRNA、 rRNA 的转录过程是否是基因表达？的转录过程是否是基因表达？ 生物基因组的遗传信息并不是同时全部都生物基因组的遗传信息并不是同时全部都 表达出来的。表达出来的。 基因基因是否表达、表达多少、表达时间和部是否表达、表达多少、表达时间和部 位位与细胞结构和功能的需求相适应；与内外环与细胞结构和功能的需求相适应；与内外环

4、 境的变化相适应。境的变化相适应。 基因表达是受调控的基因表达是受调控的 大肠杆菌基因组含有约大肠杆菌基因组含有约40004000个基因，一般情况个基因，一般情况 下只有下只有5 510%10%在高水平转录状态，其它基因有的处在高水平转录状态，其它基因有的处 于较低水平的表达，有的暂时不表达。于较低水平的表达，有的暂时不表达。 人的基因组约含有人的基因组约含有2.52.5万个基因，但在一个组万个基因，但在一个组 织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在 沉静状态。沉静状态。 即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高即使蛋白质合成量比较多、基因开放

5、比例较高 的肝细胞，一般也只有不超过的肝细胞，一般也只有不超过20%20%的基因处于表达的基因处于表达 状态。状态。 Hb 22 22 22 胚胎型胚胎型 胎儿型胎儿型 成人型成人型 如如: 如：不同组织器官形态、功能的差异如：不同组织器官形态、功能的差异 组成性基因表达也是相对的，而不是一成不组成性基因表达也是相对的，而不是一成不 变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。 适应性表达适应性表达( (adaptive expression) )：指环境指环境 的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 改变基因表达的情

6、况以适应环境。改变基因表达的情况以适应环境。 例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环 境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱 就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合 成代谢酶类的情况也会有所不同。成代谢酶类的情况也会有所不同。 （二）（二）适应性适应性表达表达 DNA损伤损伤 修复酶基因激活修复酶基因激活 乳糖乳糖 利用乳糖的三种酶表达利用乳糖的三种酶表达 1 1、诱导表达（、诱导表达（inductioninduction） 培养基中有充足的色氨酸时培养基中有充足的

7、色氨酸时: : 阻遏色氨酸合阻遏色氨酸合 成酶系的表达。成酶系的表达。 周围有充足的葡萄糖时周围有充足的葡萄糖时: :细菌的乳糖操纵子被细菌的乳糖操纵子被 阻遏、关闭。阻遏、关闭。 2、阻遏表达、阻遏表达(repression) 在一定机制控制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，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、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，这种调节称为共同表达，即为协调表达，这种调节称为协调协调 调节调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)。 如如: :控制糖原合成和分解

8、的关键酶的表达。控制糖原合成和分解的关键酶的表达。 （三）协调表达（三）协调表达 适应环境的不断变化，维持生物体的生存。适应环境的不断变化，维持生物体的生存。 多细胞生物进行正常地分化、发育、多细胞生物进行正常地分化、发育、 繁殖和代谢等生命活动。繁殖和代谢等生命活动。 基因表达调控的概念：基因表达调控的概念： 生物体内基因表达的生物体内基因表达的开启开启、关闭关闭和和表达强表达强 度度的直接调节。的直接调节。 基因表达调控是生物适应环境生存的必需。基因表达调控是生物适应环境生存的必需。 第二第二 节节 基因表达调控的基本要素基因表达调控的基本要素 转录水平的基因表达调控最重要转录水平的基因表

9、达调控最重要* * 一、基因表达调控的多层次性一、基因表达调控的多层次性 1.1.特异的特异的DNA序列序列 原核生物原核生物: :启动序列、操纵序列等启动序列、操纵序列等 真核生物：真核生物： 2.2.调节蛋白调节蛋白 原核生物原核生物: :、 真核生物：真核生物： 3.3.RNA聚合酶聚合酶 操纵子调控模式操纵子调控模式 PromoterGene 1Gene 2Gene 3Terminator RNA转录起始转录起始 -35区区-10区区 TTGACATTAACT TTTACATATGAT TTTACATATGTT TTGATATATAAT CTGACG TACTGT N17 N16 N1

10、7 N16 N16 N7 N7 N6 N7 N6 A A A A A trp tRNATyr lac recA Ara BAD TTGACA TATAAT 共有序列共有序列 启动序列的共有序列：启动序列的共有序列： 某些特异因子（蛋白质）决定某些特异因子（蛋白质）决定RNA 聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的特异性对一个或一套启动序列的特异性 识别和结合能力。识别和结合能力。 共有序列中的任一碱基突变或变异都共有序列中的任一碱基突变或变异都 会影响会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及聚合酶与启动序列的结合及 转录起始。因此，转录起始。因此，共有序列决定启动序共有序列决定启动序 列的转录活性大小

11、。列的转录活性大小。 与自身处于同与自身处于同 一一DNA分子中分子中 启动子启动子见转录章（复习）见转录章（复习） 增强子：增强子：能增强其能增强其上游上游或或下游下游基因转录基因转录DNADNA序列序列 终止子：终止子：基因编码区下游能促使基因编码区下游能促使RNAP识别并终止识别并终止 RNA合成的合成的DNA序列序列 沉默子：沉默子：能抑制其能抑制其上游上游或或下游下游基因转录基因转录DNA序列序列 顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游顺式作用元件并非都位于转录起始点的上游(5(5端端) ) 有些基因在没有激活蛋白存在时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

12、动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。 启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol 激活蛋白激活蛋白 启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白 反式作用因子反式作用因子 真核细胞内含有大量的能识别、结合特异性真核细胞内含有大量的能识别、结合特异性 序列的序列的DNA结合蛋白，其结合蛋白，其主要功能主要功能是使基因是使基因开开 放放或或关闭关闭，称为，称为反式作用因子反式作用因子，通常是一类细，通常是一类细 胞核内蛋白质因子。胞核内蛋白质因子。 反式作用因子的作用：反式作用因子的作用： 能识别并结合顺式作用元件能识别并结合顺式作用元件,

13、,对基因的表达具有对基因的表达具有 正调控与负调控作用正调控与负调控作用。 小小RNA也可作为也可作为 3 3、RNA聚合酶聚合酶 DNA元件与调节蛋白对转录激活元件与调节蛋白对转录激活 的调节最终是由的调节最终是由RNA聚合酶活性聚合酶活性体现体现 的。的。 （1 1）启动序列）启动序列/ /启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 启动序列或启动子核苷酸序列会影响其与启动序列或启动子核苷酸序列会影响其与RNA 聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起动和频率。聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起动和频率。 （2）调节蛋白与）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性 特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在

14、细胞内表特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表 达，通过达，通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影蛋白质相互作用影 响响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变， 出现表达水平变化。出现表达水平变化。 启动序列启动序列/启动子有强弱之分！启动子有强弱之分！ 第第 三三 节节 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控 基因组很小，大多只有一条染色体基因组很小，大多只有一条染色体 结构简单结构简单 转录单元为转录单元为多顺反子多顺反子 有重叠基因有重叠基因 一、原核生物基因组结构特点一、原核生物基因组结构特点* *： 原核生物

15、的多顺反子原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子 PPP5 3 蛋白质蛋白质 PPP mG - 5 3 蛋白质蛋白质 只有一种只有一种RNA-pol，但是有很多种，但是有很多种因子因子 n典型的操纵子可分为典型的操纵子可分为控制区控制区和和信息区信息区两部分。两部分。 n控制区由各种控制区由各种调控基因调控基因所组成，而信息区则由所组成，而信息区则由 若干若干结构基因结构基因串联在一起构成。串联在一起构成。 操纵子的结构操纵子的结构 控制区控制区: :包括包括操纵序列操纵序列、启动序列启动序列、调节调节序列序列等等 操纵子分为操纵子分为可可诱导型诱导型和和可阻遏型可阻遏型两类

16、两类 调控区调控区 cAMP-CAP结合位点结合位点 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 结构基因结构基因 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y： 通透酶通透酶 A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 53 ZYAOP DNA I 阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因 CAP CAP（降解产物激活蛋白）（降解产物激活蛋白） 三、乳糖操纵子调节机制三、乳糖操纵子调节机制* （一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 CAPCAP（降解产物激活蛋白）（降解产物激活蛋白） CAP是一种调节蛋白，必须与是一种调节蛋白，必须与cAMP结合才结合才 具有促转录活性。具有促转录活性。 CAP-cAMP复合物与

17、启动子邻近的特异复合物与启动子邻近的特异DNA 序列结合后，可促进序列结合后，可促进RNA-pol与启动子的结与启动子的结 合，增强酶活性。合，增强酶活性。 ZYAOP DNA CAP结结 合位点合位点 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 I DNA ZYAOP pol 没有乳糖存在时没有乳糖存在时 （二二）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因阻遏基因 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在时有乳糖存在时 I DNA ZYAOP pol 启动转录启动转录 mRNA 乳糖乳糖半乳糖半乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 关于乳糖操纵子的启动子结构关于乳糖操纵子的启动子结构 1、不具有典型的、不具有典型

18、的TTGACA/TATAAA（-35/-10） 结构。结构。 2、乳糖操纵子的启动子：、乳糖操纵子的启动子：TTTACA / TATGTT 属于属于弱弱启动子，被启动子，被RNA-pol 结合后结合后 需要需要cAMP-CAP活化。活化。 （三三）乳糖操纵子乳糖操纵子的正性调节的正性调节 + + + + + + + 转录转录 葡萄糖葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时 葡萄糖葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时 cAMP-CAP的激活机制的激活机制 CAP CAPCAP CAP CAP ZYAOP ICAP （乳糖存在）（乳糖存在） cAMP 分解物基因激活蛋白分解物基因激活蛋白 （四四）协调调节协调

19、调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；不发挥作用； 如无如无CAP存在，即使无阻遏蛋白与操纵序列存在，即使无阻遏蛋白与操纵序列 结合，操纵子仍无转录活性。结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细 菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代 谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活葡萄糖分解代谢的降解物

20、能抑制腺苷酸环化酶活 性，因而降低性，因而降低cAMPcAMP浓度浓度 mRNA 低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMPcAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高 cAMPcAMP浓度低浓度低 RNA-pol OO OO 第第 四四 节节 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点* （一）真核基因组结构庞大一）真核基因组结构庞大 哺乳类动哺乳类动 物基因组物基因组 DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对 编码基因编码基因约约 有有 2.5-3万万 个个 rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5% 10% （二）单顺

21、反子二）单顺反子 单顺反子单顺反子(monocistron) : 即一个编码基因转录生成一个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。分子，经翻译生成一条多肽链。 （三）重复序列三）重复序列 单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次） 高度重复序列（高度重复序列（106 次）次） 中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次） 多拷贝序列多拷贝序列 （四）基因不连续性四）基因不连续性 -断裂基因断裂基因 n1 1RNA聚合酶活性受转录因子的影响聚合酶活性受转录因子的影响 n2 2染色质结构改变参与基因表达的调控染色质结构改变参与基因表达的调控 n3 3正性调节占

22、主导正性调节占主导 n4 4转录和翻译过程分别进行转录和翻译过程分别进行 n5 5转录后加工修饰过程复杂转录后加工修饰过程复杂 （一）（一）RNA聚合酶聚合酶活性活性受转录因子的影响受转录因子的影响 真核生物中存在真核生物中存在RNA polpol、三种不三种不 同的同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的聚合酶，分别负责转录不同的RNA。 这些这些RNA聚合酶与聚合酶与相应的转录因子相应的转录因子形成复合形成复合 体，从而体，从而激活激活或或抑制抑制该酶的催化活性。该酶的催化活性。 RNA聚合酶不能直接与启动子结合聚合酶不能直接与启动子结合 （二）（二）染色质结构改变参与基因表达的调控染色质结构

23、改变参与基因表达的调控 1. 1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感 2. DNA2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化 天然双链天然双链DNADNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在； 基因活化后基因活化后 RNA-pol 正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋 转录方向转录方向 阻碍核小阻碍核小 体结形成，体结形成， 有利转录。有利转录。 基因被激活后，双链基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转解开成单链以利于转 录，从而形成一些对录，从而形成一些对DNAase的超敏位点的超敏位点。 3. 3. DNA碱基修饰变化碱基修饰变化 真核真核DNADNA约有约有5%5%的胞嘧啶被甲基化的胞嘧啶被

24、甲基化 甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。 4. 4. 组蛋白变化组蛋白变化 （四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工（五）转录后修饰、加工 （三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因基因组大，通过利用各种转录因子真核基因基因组大，通过利用各种转录因子 正性激活正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机聚合酶是真核基因调控的主要机 制。制。 更精确，更经济更精确，更经济 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部 位，可分别进行调控。位，可分别进行调控。 三、真核生物转录水平上的基因表达调控

25、* n真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各真核生物基因表达在转录水平上的调控，是各 级调控中最重要的一步。级调控中最重要的一步。 n主要涉及主要涉及RNA聚合酶聚合酶，顺式作用元件顺式作用元件和和反式作反式作 用因子用因子三种因素的相互作用。三种因素的相互作用。 真核基因转录激活调节真核基因转录激活调节 （一）顺式作用元件一）顺式作用元件 1. 启动子启动子 真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点 周围的一组转录控制组件，至少包括周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录一个转录 起始点起始点以及以及一个以上的功能组件。一个以上的功能组件。 TATA盒盒 GC盒盒

26、 CAAT盒盒 2. 增强子增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、 空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序序 列。列。 其作用特点：其作用特点：所在位置不固定所在位置不固定: :可位于结构可位于结构 基因的上游、下游或内部；基因的上游、下游或内部；可远距离作用可远距离作用 （距靶基因可近可远，远至几十（距靶基因可近可远，远至几十kbkb也同样能发也同样能发 挥作用）；挥作用）；无基因特异性（对各种基因均有无基因特异性（对各种基因均有 作用），作用），但有组织或细胞特异性。但有组织或细胞特异性。 3. 沉

27、默子沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起蛋白因子时，对基因转录起阻遏阻遏作用。作用。 沉默子与相应的反式作用因子结合后，可以沉默子与相应的反式作用因子结合后，可以 使正调控系统失去作用。使正调控系统失去作用。 （二）反式作用因子二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类转录调节因子分类 （1）基本转录因子）基本转录因子 是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋 白因子，决定三种白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及 rRNA)转录的类别。转录的类别。 (2) (2)特异转录因子特异转录因子 为个别基因转录所必需，决定该基为个别基因转录所必需，决定该基 因的因的时间、空间时间、空间特异性表达。特异性表达。 转录激活因子转录激活因子 转录抑制因子转录抑制因子 2. 转录调节因子结构转录调节因子结构 DNA结合域结合域* 转录激活域转录激活域 TF 蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域 （二聚化