生化学第13章基因表达调控

1、目录目录第第13章章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression目录目录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Basic Conceptions of Gene Expression Regulation目录目录一、基因表达是指基因转录及翻译的过程一、基因表达是指基因转录及翻译的过程 基因（基因（genegene）负载特定遗传信息的）负载特定遗传信息的DNADNA片段。是片段。是结构功能单位，包括调节序列、编码序列、内含结构功能单位，包括调节序列、编码序列、内含子等子等DNADNA区域。区域。 基因组基因组(genome)(genome)

2、 来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。是基因转录及翻译的过程，即：生成具是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。有生物学功能产物的过程。 基因表达基因表达(gene expression)(gene expression) 基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。目录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性（一）时间特异性 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，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定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性特异性(tem

3、poral specificity)(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性特异性(stage specificity)(stage specificity)。目录目录（二）空间特异性（二）空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布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，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所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell (cell or tissue specificity)or tissu

4、e specificity)。 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)(spatial specificity)。目录目录三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： 基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录（一）基本（或组成性）表达（一）基本（或组成性）表达 某些基因在一个个体的

5、几乎所有细胞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中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。 无论表达水平高低，管家基因较少受环无论表达水平高低，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，的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基或变化很小。区别于其他基因，这类基因 表 达 被 视 为 组 成 性 基 因 表 达因 表 达 被 视 为 组 成 性 基 因 表 达(constitutive gene exp

6、ression)。目录目录目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏诱导和阻遏 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，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基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因因(inducible gene)(inducible gene)。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导称为诱导(induction)(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基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因是可阻遏基因(r

7、epressible gene)(repressible gene)。可阻遏基。可阻遏基因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为 阻 遏因 表 达 产 物 水 平 降 低 的 过 程 称 为 阻 遏(repression)(repression)。目录目录 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，即为协调表达致、共同表达，即为协调表达(coordinate (coordinate expression)expression)，这种调节称为协调调节，这种调节称为协调

8、调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)。目录目录四、基因表达调控为生物体生长、四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需发育所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。 目录目录（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化与个体发育

9、在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。 目录目录第二节第二节基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理Basic Principles of Gene Expression Regulation目录目录一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程

10、度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始目录目录二、基因转录激活受到转录调节蛋白二、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与启动子相互作用的调节基因表达的调节与基因的结构、性质，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。胞内所存在的转录调节蛋白有关。（一）特异（一）特异DNADNA序列决定基因的转录活性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（二）转录调节蛋白可

11、以增强或抑制转录活性目录目录目录目录原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon) 机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)目录目录雅各布雅各布 (F.Jacob) (F.Jacob) 1920-1920-法国人法国人 莫诺莫诺(J.L.Monod) (J.L.Monod) 1910-1976 1910-1976 法国人法国人 雷沃夫雷沃夫(A.M.Lwoff)(A.M.Lwoff) 1902-1994 1902-1994 法国人法国人 1961 1961年提出了年

12、提出了“信使核糖核酸信使核糖核酸”（mRNAmRNA）和）和“操纵子操纵子”概念，阐概念，阐明了明了RNARNA在遗传过程中的信息传递在遗传过程中的信息传递作用和乳糖操纵子在蛋白质生物作用和乳糖操纵子在蛋白质生物合成中的调节控制机制。合成中的调节控制机制。 发现酶和细菌发现酶和细菌合成中的遗传调合成中的遗传调节机制节机制. . 1965年三人荣获诺贝尔医学和生理奖年三人荣获诺贝尔医学和生理奖 目录目录是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1 1、启动序列、启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGAT

13、TTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列图图13-1 13-1 五种五种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列目录目录2 2、操纵序列、操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)的结合位点的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍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，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA

14、向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白目录目录3 3、其他调节序列、调节蛋白、其他调节序列、调节蛋白例如：例如： 激活蛋白激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的聚合酶与启动序列的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。 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聚聚合酶很少或完全不能结合启动序列。合酶很少或完全不能结合启动序列。目录目录真核生物真核生物1、顺式作用元件、顺式作用元件(cis-acting e

15、lement)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列RNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点mRNA图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件目录目录 不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如共有序列，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这些共有盒等，这些共有序列是序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。 根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活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分

16、为作用的性质及发挥作用的方式分为 ：启动子、：启动子、增强子、沉默子等。增强子、沉默子等。目录目录 TATA盒盒 CAAT盒盒 GC盒盒 增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列目录目录（二（二) ) 转录调节蛋白转录调节蛋白原核生物基因调节蛋白为三类：原核生物基因调节蛋白为三类： 特异因子特异因子决定决定RNARNA聚合酶对一个或一套启动序聚合酶对一个或一套启动序列的特异识别和结合能力。如列的特异识别和结合能力。如因子。因子。 阻遏蛋白阻遏蛋白结合特异结合特异DNADNA序列序列操纵序列

17、，抑制操纵序列，抑制基因转录基因转录, ,负性调节。负性调节。 激活蛋白激活蛋白结合启动序列邻近的结合启动序列邻近的DNADNA序列，促进序列，促进RNARNA聚合酶与启动序列结合，增强聚合酶与启动序列结合，增强RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。如如: :分解物基因激活蛋白分解物基因激活蛋白(Catabolite gene (Catabolite gene activator protein, CAP)activator protein, CAP) 调节蛋白的共性调节蛋白的共性 ：DNADNA结合蛋白。结合蛋白。目录目录2 2、真核基因的调节蛋白、真核基因的调节蛋白 还有蛋白质因子可特异识别

18、、结合自身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，基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。称顺式作用。 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通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。这种调节作用称互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。为反式作用。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) (trans-acting factor) cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CbA mRNA蛋白质蛋白质AA图图13

19、-3 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节相互作用对转录起始进行调节 （转录调节的作用的基本形式（转录调节的作用的基本形式 ）目录目录目录目录A space-filling representation of a CAP homodimer bound to DNA. Base pairs recognized by the protein are shown in green, and amino acid side chains that bind to these base pai

20、rs are shown in red. Note the bending of the DNA around the protein A ribbon representation with subunits shown in white and light blue. The helix-turn-helix DNA-binding motif is shown in red. Bound molecules of cAMP are shown in dark blue.CAP同源二聚体同源二聚体目录目录目录目录（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/启动子启动子相

21、结合相结合1、原核启动序列、原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶活聚合酶活性性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。真核真核RNA聚合酶的活性与启动子及转录调节聚合酶的活性与启动子及转录调节因子有关。因子有关。目录目录是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATy

22、rlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列图图13-1 13-1 五种五种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列Pribnow盒盒目录目录启动子及RNA聚合酶结合区目录目录2、调节蛋白与、调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相蛋白质相互作用影响互作用影响RNA聚合酶活性。如原核聚合酶活性。如原核因子。因子。外界信号刺激引起调节蛋白分子构象改变。外界信号刺激引起调节蛋白分子构象改变。目录目录第三节第三

23、节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录调节的主要环节在转录起始。调节的主要环节在转录起始。一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一）（一）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 在转录起始阶段，在转录起始阶段，因子识别特异启动序因子识别特异启动序列；不同的列；不同的因子决定特异基因的转录激活，因子决定特异基因的转录激活，决定决定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。 目录目录（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 原核生物绝大多数基因按功能相关性成

24、簇原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位单位操纵子（操纵子（operon）。一个操纵子只含一）。一个操纵子只含一个启动序列（个启动序列（promoter）及数个可转录的编码）及数个可转录的编码基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子mRNA。原核基因的协调表达就是通过调控单。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完成的。个启动基因的活性来完成的。 目录目录（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节 原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋

25、白参原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。与的开、关调节机制。 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。目录目录二、操纵子调控模式在原核基因转录起始二、操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性的调节中具有普遍性（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区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： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA目录目录nlacZ编码编码-半

26、乳糖苷酶，此酶由半乳糖苷酶，此酶由500kd的四聚体的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖。乳糖。nlacY编码透酶，这种酶是一种分子量为编码透酶，这种酶是一种分子量为30kDd膜膜结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中。细胞中。nlacA编码乙酰基转移酶，其功能是将乙酰编码乙酰基转移酶，其功能是将乙酰-辅酶辅酶A上的乙酰基转移到上的乙酰基转移到-半乳糖苷上。半乳糖苷上。目录目录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和（二

27、）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAPCAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1 1、阻遏蛋白的负性调节、阻遏蛋白的负性调节目录目录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol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图图13-4 lac 13-4 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2、CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目录目录3 3、协调调节、

28、协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用。发挥作用。 如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，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；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 目录目录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时

29、高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO目录目录三、原核生物具有不同的转录终止三、原核生物具有不同的转录终止调节机制调节机制（一）不依赖（一）不依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止（二）依赖（二）依赖RhoRho因子的转录终止因子的转录终止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。 两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；若干核苷酸； 下游含一系列下游含一系列T序列。序列。 终止子结构特点：终止子结构特点：目录目录四、原核生物在翻译水平受到四、原核生物在翻

30、译水平受到多个环节的调节多个环节的调节 （一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列（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周围进行自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。识别翻译起始区，从而阻断翻译。 调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身，抑制自身的合成，称自我控制的合成，称自我控制(autogenous control)。 目录目录（二）反义（二）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节互补序列对翻译进行调节 可调节基因表达的可调节基因表达的RN

31、A称为调节称为调节RNA。 细菌中含有与特定细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互翻译起始部位互补的补的RNA，通过与，通过与mRNA杂交阻断杂交阻断30S小小亚基对起始密码子的识别及与亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制制(antisense control)。目录目录mRNA53UAC AGC AUC AUG GCU ACC反义反义RNA AUG UCG UAG UAC目录目录第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Eukaryote目

32、录目录一、真核基因组具有独特的结构特点一、真核基因组具有独特的结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNA 约约 3109碱基对。碱基对。 人编码基因约人编码基因约4万个，编码序列仅占总长的万个，编码序列仅占总长的1%。 rDNA等重复基因约占等重复基因约占5%10%。目录目录（二）真核基因转录产物为单顺反子（二）真核基因转录产物为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）真核基因组含有大量的重复序列（三）真核基

33、因组含有大量的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目录目录HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M) LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶目录目录 真核结构基因两侧存在有不被转录的非真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（码基因内部尚有内含子（intron）、外显子）、外显子（ex

34、on）之分，因此真核基因是不连续的。）之分，因此真核基因是不连续的。 （四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性故：具有不连续性目录目录二、真核基因表达调控更为复杂二、真核基因表达调控更为复杂（一）真核细胞内含有多种（一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNA pol I、II及及 III，分别负责三种，分别负责三种RNA转录。转录。 TATA盒结合蛋白（盒结合蛋白（TBP）是三种聚合酶）是三种聚合酶所共有的。所共有的。目录目录nRNA pol II中转录因子中转录因子D（TFII D ）起

35、核心）起核心作用。作用。nTFII D是一种由是一种由TATA盒结合蛋白（盒结合蛋白（TBP）和和TBP相关因子（相关因子（TAF）组成的多蛋白复合）组成的多蛋白复合物。物。目录目录（二）处于转录激活状态的染色质结构发生（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化明显变化1. 对核酸酶敏感对核酸酶敏感2. DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存均以负性超螺旋构象存在；基因活化后在；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活化基因常有超敏位点，位于调节蛋活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。目录目录3

36、. DNA碱基的甲基化修饰变化碱基的甲基化修饰变化 真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化， 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 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰磷酸化修饰目录目录DNA Methylation and Transcription5353目录目录 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直两种相

37、互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了这些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说。目录目录组蛋白组蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修饰类型修饰类型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色质浓缩染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙酰化乙酰化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化

38、激活激活H3Lys-14乙酰化乙酰化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-12乙酰化乙酰化装配装配H4Lys-16乙酰化乙酰化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙酰化乙酰化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 目录目录 基因的基因的转录活性转录活性DNADNA去甲基化、去甲基化、增强子和某增强子和某些蛋白质因子些蛋白质因子染色质染色质结构松散结构松散基因的基因的转录活性转录活性与与DNA的的结合能力结合能力下降下降 组蛋白被磷酸化、

39、组蛋白被磷酸化、甲基化、甲基化、 乙酰化乙酰化等修饰等修饰 结构松散的区域，基因的转录活性高。结构松散的区域，基因的转录活性高。目录目录（三）在真核基因表达调控中以正性调节占主导（三）在真核基因表达调控中以正性调节占主导 采用正性调节机制更精确：一个负性调节元采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的结合足可阻断件的结合足可阻断RNARNA聚合酶的结合，因此聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性正性调节蛋白可提高基因表达调节的

40、特异性和精确性。和精确性。 采用负性调节不经济：在正性调节中，大多采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。即可被激活。目录目录（四）在真核细胞中转录与翻译分隔进行（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（五）转录后修饰、加工更为复杂 真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在转录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与

41、翻细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。译产物的分布、定位等环节均可以被调控。目录目录三、三、RNA Pol I和和Pol III转录体系的转录体系的调节相对简单调节相对简单（一）（一）RNA Pol I转录体系转录体系 RNA Pol I的转录产物只有的转录产物只有rRNA前体，经剪前体，经剪接修饰生成除接修饰生成除5S rRNA外的各种外的各种rRNA。 启动子元件包括：核心元件启动子元件包括：核心元件(core element)或或核心启动子核心启动子(core promoter)和上游控制元件和上游控制元件(upstream control elem

42、ent, UCE)。 目录目录 rDNA gene-45 +20-156 -107core elementupstream control elementrRNA RNA polupstream binding factor 1, UBF-1selectivity factor 1, SL-1RNA pol目录目录（二）（二）RNA Pol III转录体系转录体系 RNA Pol III的转录产物：多种小分子的转录产物：多种小分子RNA，包括包括tRNA、5S rRNA和一部分小核和一部分小核RNA。 启动子位于转录起始点下游，称内部控制区启动子位于转录起始点下游，称内部控制区(interna

43、l control regions, ICR)。 目录目录control of transcription for RNA pol TGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCTGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCtRNA +1TGGCNNAGTGGtDNA geneGGTTCGANNCCTGGCNNAGTGGGGTTCGANNCCTF CRNA pol TF B目录目录5s rRNA +15s rDNA geneRNA pol TF ATF CTF B目录目录（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性1. 启动子启动子(promoter)真核基

44、因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结合位聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一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。个转录起始点以及一个以上的功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒四、四、RNA Pol II转录起始的转录起始的调节非常复杂调节非常复杂目录目录CCAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母图图13-7 真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构目录目录2. 增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的

45、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序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。无关。 3. 沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。目录目录 The action of enhancer does not have strict The action of enhancer does not have strict direction. directi

46、motergene53GCGAGCTACGT.ACGenhancergene53TCG.AGCGGCA.TGCA 目录目录 其他调其他调控元件控元件增强子增强子或或 沉默子沉默子CAAT盒盒 GC盒盒 TATA 盒盒结构基因结构基因+1调节基因表达水平调节基因表达水平决定基因表达的决定基因表达的时空特异性等。时空特异性等。激素，金属离子，激素，金属离子，小分子化合物等小分子化合物等反应元件。反应元件。决定基因决定基因表达的基表达的基础水平础水平 与与RNA poly II 结合，决定转录结合，决定转录起始点的精确定位起始点的精确定位使转录使转录增强或增强或减弱减弱维持基本的表达水平

47、维持基本的表达水平目录目录（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白调控蛋白1. 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。目录目录特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因为个别基因转录所必需，决定该基因的

48、时间、空间特异性表达。的时间、空间特异性表达。 转录激活因子转录激活因子 转录抑制因子转录抑制因子目录目录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（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目录目录最常见的最常见的DNADNA结合域：结合域：1. 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒目录目录ZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZnZn目录目录2. 2. a-a-螺旋螺旋常结合常结合C

49、AAT盒盒碱性螺旋碱性螺旋- -环环- -螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 目录目录basic helix-turn helix，bHTH3.4nm213+213213213213213 -phage Cro目录目录basic leucine zipper，bZIPCOOHNH2COOHNH218152229361815222936LeucineresidueCNCOHCH2CHCH3CH3目录目录亮氨酸拉链结合亮氨酸拉链结合DNA目录目录（三）（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物转录激活需要转录起始复合物的形成的形成真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，在转录因子帮助下，形成转

50、录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图图13-9 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 甾类激素-受体复合物作用于增强子促进转录目录目录五、五、RNA Pol II转录终止的调节机制转录终止的调节机制尚不清楚尚不清楚（一）（一）HIV基因组转录终止调节基因组转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节病毒蛋白病毒蛋白Tat与转录产物与转录产物5端特异端特异RNA序列结序列结合，并与宿主蛋白质、合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止相互作用，阻止HIV基因组转录

51、的提早终止。基因组转录的提早终止。 在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白质即热休克蛋白(heat shock protein)的表达。的表达。 目录目录六、转录后水平的调节也是六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节基因表达调控的重要环节（一）（一）hnRNA加工成熟的调节加工成熟的调节（二）（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。基修饰和编辑等。 通

52、过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物(ribonucleoprotein, RNP)进行。进行。 hnRNA转录后剪接原肌球蛋白基因可变剪接目录目录七、基因表达在翻译水平以及翻译七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节后阶段仍然可以受到调节 （一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行酸化修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（始因子（eukaryotic initiation factor,