第十三章 基因表达调节

13基因表达的调节Chapter13RegulationofGeneExpression本章重点与难点重点：代谢途径的相互关系：了解各代谢途径相互间的关系与联系；了解酶活性的调节机理和酶合成的调控机理、明确这两种调节在代谢上的重要性；掌握原核生物酶合成的调节特点——操纵子。难点：各代谢途径相互间的联系；酶活性调节的主要方式；原核生物酶合成调节——乳糖操纵子的调节方式；真核生物基因表达调节。根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长、发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有选择性地和程序性地适度表达。生物体通过改变基因表达来适应环境的变化。在生物体和细胞的发育及分化的阶段，基因表达必须受到遗传信息的严格调控。第一节基因表达调节的基本概念及原理BasicConceptionsandPrinciple一、基本概念基因（Gene）：是一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。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。生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录和翻译等一系列过程，合成特定的RNA和蛋白质，进而发挥其特定的生物功能的全过程。基因的表达是可调控的：生物体通过特定的蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质之间的相互作用来控制基因表达的过程。其目的是满足自身发育的需求及适应环境的变化。*基因表达(geneexpression)

二、基因表达的规律

细胞中的基因并不是同时表达，而是有的被启动表达，有的被阻遏不能表达，存在一个基因表达调节控制机制。1、时间特异性或发育阶段特异性按功能需要，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(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。在细胞的生长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育。人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达2、空间特异性或组织细胞特异性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(cellortissuespecificity)。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(spatialspecificity)。三、基因表达的方式不同基因对内环境信号和外环境信号的应答不相同；按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1.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，基本不受环境因素的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。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。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。2.可诱导和可阻遏表达

相对于管家基因，另外一些基因极易受到外界环境因素的影响。在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强性的表达，称为诱导表达（inductionexpression），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，表现出关闭性或抑制性的表达。称为阻遏表达（repressionexpression）。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)。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(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。

诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环境的改变而做出的两种表现形式。环境信号表达增强表达减弱诱导阻遏协调表达

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（coodinateexpression）。

四、基因表达调控的生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化五、基因表达调节的基本原理1、基因表达的多级调控基因激活转录水平转录后加工mRNA降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质翻译翻译后加工修饰基因表达可在多层次上受到调节转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。2、基因转录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。三个基本要素：1）特异的DNA调节序列2）调节蛋白3）RNA聚合酶（1）DNA水平的调控

包括基因扩增（拷贝数增多）、基因重排、基因结构的活化等。

DNA必须部分暴露才能使RNApol有效的结合，转录起始前基因必须进入活性状态才能起始转录。（2）转录水平的调控

转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节，转录的起始是基本的控制点。这是因为：①在所有生物合成途径中，第一步反应通常是最有效的调节环节，控制反应途径的第一步反应通常可减少不必要的生物合成，节约原料，合理用能；②在功能方面相互依赖的数个蛋白质编码基因串联为复合基因（如Lac操纵子），此时通过转录起始阶段调节这些基因产物的表达是最有效的。（3）转录后水平的调控

指转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工过程。包括转录提前终止、mRNA前体的加工、剪接、RNA编辑等。对某些基因来说，转录后水平的调控在决定细胞的表型多样化和蛋白质结构与功能上也是十分关键的。（4）翻译水平的调控

通过特异的蛋白质阻断某些mRNA翻译起始，是一种特异性调节。翻译的起始调控是翻译水平调控的主要阶段。（5）翻译后水平的调控

蛋白质合成后，使蛋白质活化并发挥生物学功能的调节过程称为翻译后水平的调控。六、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节一个基因是否表达和表达多少与调节序列（regulatorysequence）密切相关。调节序列位于被调控的结构基因（structuralgene）的上游，具有特定的核苷酸序列。根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们将这些调节序列称为顺式作用元件（cis-actingelement），包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）、沉默子（silencer）等。有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元件结合，共同实现调节基因表达的目的，它们被称为反式作用因子（trans-actingfactor）。

第二节原核生物基因转录调节RegulationofProkaryoticGeneTranscriptionDNAmRNA蛋白转录翻译原核生物基因组是一个闭合环状的DNA分子。原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质（DNA，RNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，时间上的差异不大。在转录过程终止之前，mRNA就已经结合在由rRNA和核蛋白体蛋白共同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。——调节的主要环节在转录水平上进行一、原核生物基因转录调节的特点(一)、σ因子决定RNA聚合酶识别特异性（二）、主要通过操纵子模式进行调节（三）、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用（一）、启动子

启动子是DNA链上能与RNApol结合并能有效起始RNA转录的DNA序列。它是基因表达不可缺少的调控序列，没有启动子，基因就不能转录。⑴启动子决定转录的方向及模板链5′TTGACATATATTAGGTCCACG3′-35-10+1

3′AACTGTATATAATCCAGGTGC5′AGGUCCACG⑵启动子决定转录的效率（二）.б因子与转录起始的调控

核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

EcoliRNAPolymerase调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：

确保RNA聚合酶与特异启动序列稳定结合，而不是与其它位点结合。

（1）б因子（Sigmafactor）

不同的σ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。最早发现的σ因子为σ70新发现：σ32、σ54、σ28⑵因子控制特定基因表达

因子使得RNApol选择特定的启动区起始转录。一旦一种因子被另一种因子代替，即引起原来一套基因的关闭和新的一套基因转录的开始。如环境温度升高或其它应激变化引起32与核心酶结合，RNApol全酶结合Hsp基因的启动区，起始Hsp基因转录，而原先许多基因的转录关闭。σ因子识别转录启动子是转录起始的第一步存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。所谓操纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。

（三）操纵子(operon)

机制1.操纵子的结构与功能

典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)(codingsequence)P位是RNA聚合酶结合并启动转录的模板。O位结合阻遏蛋白或阻遏物。信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导mRNA的合成。在DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，能合成阻遏蛋白。阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使DNA变构，RNA聚合酶不能沿着DNA滑动，转录停止。诱导物与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从DNA上拉下来，DNA模板变构，RNA聚合酶可沿着DNA滑动，转录进行。是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。2.启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

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。3.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。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白

4.调节蛋白

原核生物基因调节蛋白

分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白，都是DNA结合蛋白。

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。

阻遏蛋白可识别、结合操纵序列，抑制基因转录，介导负性调节。

激活蛋白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。

（四）.操纵序列和阻遏蛋白

操纵元件又称操纵基因,是阻遏蛋白识别与结合的一小段DNA序列。阻遏蛋白指一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白。它主要通过抑制开放性启动子复合物的形成而控制基因转录。

1.阻遏（repression）:有活性的阻遏蛋白与操纵基因结合时，阻止RNApol与启动子结合或阻止开放性启动子复合物形成而抑制转录的作用2.去阻遏（derepression）:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA脱落下来的作用。3.辅阻遏:一类特定的小分子物质与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白活化，抑制转录。⑴可诱导的操纵子如E.colilac，当阻遏蛋白与操纵基因结合时，则抑制转录。有乳糖或乳糖类似物(IPTG)存在时，阻遏蛋白与乳糖结合而变构，变构的阻遏蛋白不能与操纵基因结合，引起结构基因转录。⑵可阻遏的操纵子

如E.coliTrp，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNApol与启动子结合启动基因转录。有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后与操纵基因结合，阻止RNApol与启动子结合而抑制转录。4.正调控蛋白及其结合位点正调控蛋白：

一类与DNA结合后，促进基因转录的调控蛋白。它主要通过改变启动子的起始效率而控制基因的转录。5.分解代谢基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein,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。大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白（nitrogenmetabolismgeneactivatorprotein,ntrC）ntrCntrCpntrB激酶ntrB磷酸酶

6.增强子与激活蛋白7、倒位蛋白(inversionprotein)

是一种位点特异性的重组酶。可使DNA的某一段序列发生倒位。倒位蛋白可使启动子的方向发生倒位，而控制基因转录。8、转录终止子与因子⑴转录终止子(teminater)①定义：指基因的3′末端或者操纵子的3′的一段具有终止转录功能的核苷酸序列。②分类：依赖因子的转录终止子不依赖因子的转录终止子③序列特征相同点：终止点之前有一段回文结构，两重复序列之间有间隔序列，终止子被转录出来的RNA可形成发夹结构。不同点：不依赖因子的转录终止子回文序列中有较多G-C碱基对，回文序列下游有6-8A-T碱基对；依赖因子的转录终止子回文序列中G-C含量较少，回文序列下游没有固定特征。不依赖因子（E.coli,Trp）终止子依赖因子（TR1）的终止子发夹结构的作用：阻碍RNA链从三元复合物进一步向外释放，造成转录作用高度搁置。回文序列下游A/U序列的作用：dA和rU之间氢键力和碱基堆积力很弱，造成RNA和DNA杂交部分很容易拆开，三元复合物解体，RNApol与RNA解离，转录终止。9

因子因子具有两种活性：①促进转录终止；②具有NTP酶活性，后一种活性是实现前一种活性必不可少的。ATP10、衰减子(attenuator)

是一个受翻译控制的转录终止子结构。是一段能减弱转录作用的序列。由于翻译作用的影响，衰减子下游的基因或者继续被转录，或者在衰减子处实现转录的终止。1960年，法国巴黎巴斯德研究所的F.Jacob

和J.L.Monod发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的培养基中不分泌b-半乳糖苷酶，只有在只含乳糖的培养基中才能分泌b-半乳糖苷酶。分析表明这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码b-半乳糖苷酶的mRNA的结果。1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。

操纵子模型是原核生物基因表达的基本模式二、乳糖操纵子调节机制1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。1969年，J.R.Beckwith从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。二、乳糖操纵子调节机制

通过负调控因子和正调控因子所进行的复合调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录；当阻遏蛋白与操纵基因解离时，RNA聚合酶与启动子结合，起始基因转录。1、乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA

乳糖操纵子的结构：Z、Y、A三个结构基因，逆流而上依次为：操纵基因(O)、启动子(P)、CAP结合位点和调节基因，O与P有一定程度重叠。乳糖操纵子（lacoperon）结构基因lacZ、lacY、lacA:分别编码b-半乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。操纵序列（operator，o）:阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋与操纵基因结合时，lac的转录将受到阻遏。阻遏基因lacI:编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。启动子（promoter）:位于lacI和lacO之间。以原核生物乳糖操纵子(Lacoperon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。

控制区信息区能够被由s70组成的RNA聚合酶全酶所识别的大肠杆菌启动子的保守序列典型的大肠杆菌启动子序列

当阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上会阻碍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，抑制了lac操纵子中结构基因的表达。2.LacI阻遏蛋白的阻遏作用LacI阻遏蛋白与DNA结合的复合物乳糖操纵子的结构基因及其表达产物

乳糖操纵子的转录调控机制

通过负调控因子和正调控因子所进行的复合调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录；CAP与CAP结合位点结合促进RNApol与P结合，引起有效转录。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②CAP与CAP结合位点结合mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节

阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3、CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP

※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。

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。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

4、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。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。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

mRNA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RNA-polOOOO别乳糖诱导的lac操纵子表达乳糖、半乳糖和别乳糖的化学结构式乳糖半乳糖别乳糖Lac操纵子的基因表达调节

在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。乳糖在b-半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转录lac操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂（inducer）。但是，乳糖操纵子是一个弱启动子(TTTACA/TATGTT)，需要一个正调控机制来促使转录的启动。CAP的结合位点CAP：catabolitegeneactivationproteinCAP的结合位点在-60处。CAP以同源二聚物的形式与cAMP结合，这个复合物结合在CAP结合位点上。外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP合成。CAP-cAMP复合物CAP的正调控作用cAMP与CAP的二聚物形成复合物后，结合在CAP结合位点上，促使转录的启动。乳糖操纵子的协同调控乳糖操纵子的意义阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同担负着原核生物体系内糖源的协调利用。乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生物学的一个划时代的突破。

二、翻译水平的调控是对转录调控的补充原核生物基因表达的时空性决定了转录和翻译过程的偶联。色氨酸操纵子（trpoperon）是典型的转录和翻译过程的偶联。转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译的偶联而实现的。mRNA没有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO-glucose

+

lactose-glucose

-lactose+glucose

-lactose乳糖操纵子的复合调控+glucose

+lactose启动转录基因表达没有葡萄糖，CAP结合到CAP结合位点无葡萄糖，有乳糖，阻遏蛋白解离CAP结合到CAP结合位点，正调控没有乳糖，阻遏蛋白与操纵元件结合少量表达同时有葡萄糖和乳糖，阻遏蛋白与CAP都不能与DNA结合(一)色氨酸操纵子（trpoperon）结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB和trpA上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（P）和操纵序列（O）。启动子（P）和操纵序列（O）有部分重叠。三、其他转录调节机制（一）色氨酸操纵子（转录衰减作用）1.阻遏蛋白的调控作用trptrp高时trp低时mRNAOPI调节区结构基因前导肽衰减子色氨酸

操纵子色氨酸操纵子（trpoperon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。

色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。

当培养基中色氨酸含量很少时，trpR阻遏蛋白以同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列O结合，使得RNA聚合酶能够启动转录。开放状态的色氨酸操纵子当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。关闭状态的色氨酸操纵子色氨酸操纵子mRNA前导序列前导序列的发夹结构当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列1。而此时的转录仍在进行，序列2和序列3形成了稳定的2:3茎-环结构。RNA聚合酶可以转录5个结构基因。转录中的色氨酸操纵子当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列1，并继续向前与序列2结合。核蛋白体与序列1和序列2的结合，使序列3和序列4形成了3:4茎-环结构。这一结构与随后的多聚U序列使RNA聚合酶终止了转录。转录衰减子终止了转录UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……

2.衰减子的调控作用

L基因的3′端有一个衰减子序列。前导序列转录的mRNA具有如下特性及功能：1）内含4段特殊的短序列2）序列①是一个开放阅读框：转录后立即翻译成14氨基酸的短肽称作前导肽，前导肽第10，11位是两个连续的色氨酸。

色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。

UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构转录衰减子的形成使RNA聚合酶无法对已经启动的操纵子中的结构基因进行转录，而终止转录的茎-环结构的形成又依赖于核糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。由此可见，衰减作用充分利用了转录和翻译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精细调节。3.转录衰减子的意义4.分解代谢和合成代谢操纵子的调节机制（二）阿拉伯糖操纵子(arabinoseoperon)模型

阿拉伯糖操纵子的基因结构图

由调节基因C合成的AraC蛋白是一个自我调节蛋白(autoregulatedprotein),它既是ara操纵子的正调节蛋白，又是ara操纵子的负调节蛋白2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用

这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式。AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。P1型为阻遏子，P2型为激活子。调节作用分三种情况：

1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下，AraC与操纵基因araO2和AraC的一个结合位点araI结合，结合于araO2和araI的两个AraC蛋白之间互相结合，形成一个约210碱基对的一个环，从而使araBAD启动子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）

AraC对阿拉伯糖操纵子的负调控（negativeregulation）2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，CAP-cAMP很丰富，与araI附近的CRP结合位点结合，阿拉伯糖与AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，DNA环被打开，能与CAP-cAMP协同诱导araBAD基因的转录（阳性调控或正调节）3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。

AraC对阿拉伯糖操纵子的正调控（positiveregulation）由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。

3、原核生物转录的整体调控模式SOS反应

SOS基因紫外线激活RecALexA阻遏蛋白与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达LexA阻遏蛋白操纵序列DNA第三节真核生物基因转录调节RegulationofEukaryoticGeneTranscription一、真核生物体系表达的复杂性

真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表达复杂的多，其原因在于：大小不同。大肠杆菌基因组的长度为4×106bp，约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为~109bp，约有3万~3.5万个基因。编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA和tRNA等，其余90%的序列功能至今尚不清楚。连续性不同。原核生物的基因是连续的，转录后即可被翻译成为蛋白质；而真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，含有外显子和内含子。转录产物需去除内含子后，才能成为成熟的mRNA。排列方式不同。原核生物的基因是以串联的形式排列的，可转录出多顺反子的mRNA；而真核生物是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子。真核细胞的许多功能蛋白是由多个多肽链构成的，因此需要多个基因的协调表达。序列重复度不同。原核基因组中基本上没有重复序列；而真核细胞基因组存在着大量的重复序列（repetitivesequence）。存在的形式不同。原核基因组是裸露的环状双链DNA；而真核基因组与组蛋白结合构成了核小体，具有串珠形状的双链DNA再经盘绕和浓缩后形成染色质，组装在细胞核内。遗传信息的载体不同。原核基因组的遗传信息存在于DNA上；而真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上。基因表达的时空性不同。原核细胞中基因表达在同一空间完成，而且时间性差异也较小，而真核细胞中细胞核的存在使得转录和翻译过程表现出空间和时间上的差异。基本调节方式不同。处于基本状态下的原核生物基因转录具有天然活性，因此多采用负调控机制；虽然真核细胞具有正、负两种调节机制，但是正性调节是主要形式，即需要使得每个真核细胞基因活化才能被转录。基因表达调控是多层次协调的复杂过程染色质水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控二、真核生物基因组结构特点1、真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA约3×109碱基对编码基因约有30000个，占总长的6%2、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。3、重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列4、基因不连续性：断裂基因真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。

三、真核基因表达调节的特点1、RNA聚合酶活性受转录因子调控：RNA聚合酶有三种，分别转录不同的RNA。2、染色质结构改变参与基因表达的调控：1）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。常位于调节蛋白结合位点附近，是缺乏或没有核小体结合的“裸露”DNA链。2）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RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3）DNA碱基修饰变化

真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化；

这种甲基化最常发生在某些基因的5′侧翼区的CpG序列（又称CpG岛）。

甲基化范围与基因表达程度呈反比。4）组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低；即H1组蛋白减少②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白修饰：组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰，使核小体结构变得不稳定或松弛。④H3组蛋白巯基暴露3、正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。4、转录与翻译分隔进行5、转录后加工修饰过程复杂1.顺式作用元件（cis-actingelements）:指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因，同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。三、真核基因转录调控元件及调控机制

主要通过反式作用因子，顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的。三、真核基因转录调控元件及调控机制1、顺式作用元件：是真核生物DNA调控元件，包括启动子、增强子和沉默子。1）启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位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。TATA盒GC盒CAAT盒需要DNA调节序列、调节蛋白和RNA聚合酶三大要素

1）启动子（promoter）

与基因表达启动相关的顺式作用元件，位于基因转录起始点上游。根据启动子中TATA盒的有无分典型的启动子和不典型的启动子。

①典型的启动子：

含TATAbox，有时一个基因的启动子上有两个TATAbox，它们可分别或有侧重地对不同诱导物作出应答，在某些情况下，也参与组织特异性的选择，如-淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织分别选择了相距2.8kb，转录效率不同的两个转录起始点，保证唾液中酶的活性远高于肝脏。

②不典型的启动子：

不含TATAbox，通常含GC序列，如管家基因的启动子。含这类启动子的结构基因转录起始往往是不规则的，并且只有基础水平的表达。2）增强子(enhancer)使基因转录速率显著提高的一类顺式元件。增强子主要通过改变DNA模板的螺旋结构、为DNA模板提供特定的局部微环境、或为RNA聚合酶和反式作用因子提供一个与某些顺式元件联系的结构等方式发挥作用。作用特点：无自身方向性及基因特异性，也不受与基因距离远近的影响。3）沉默子(silencer)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。2、反式作用因子（分子间作用因子）1）定义：Trans-actingfactor：是能直接或间接地识别或结合在各顺式元件的核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组序列特异性的DNA结合蛋白。是影响基因转录的调节蛋白，属于转录调节因子。

2）、反式作用因子的特点⑴具有三个功能域：DNA识别结合域，转录活化域，调节结构域⑵具有识别启动子和增强子的功能⑶对调节有正向和负向两个方面2）转录调节因子分类（按功能特性）

*基本转录因子(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。*特异转录因子(specialtranscriptionfactors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录抑制因子3）转录调节因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域a.最常见的DNA结合域

1）锌指(zincfinger)见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。如TFⅢ-A有9个重复的指结构，类固醇激素受体家族有2个指结构。DNA结合域中由2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子借配位键结合成最常见的DNA结合域：

1、锌指（zincfinger）C——CysH——His常结合GC盒ZnCysHis

2）α-螺旋－转角－α-螺旋HTH和HLH结构：

由两段а-螺旋夹一段β-折迭构成，а-螺旋与β-折迭之间通过β-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。典型的例子是λ噬菌体的Cro蛋白，该蛋白含三段а-螺旋和三段β-折迭，两亚基通过β-折迭而形成二聚体，相当于DNA的一个螺距的长度，而每一亚基的一段а-螺旋则刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中与DNA紧密结合。

CTF是结合CCAAT盒的一种转录因子，其DNA结合域具有-螺旋，并富含碱性氨基酸。

2、α-螺旋常结合CAAT盒

3)同源结构域(Homodamain)：反式作用因子中由约60个左右氨基酸的相同保守序列组成的螺旋-转折-螺旋的区域。这类反式作用因子的DNA结合域至少有两个-螺旋，两螺旋之间由几个氨基酸残基形成的“转折”。

4)螺旋-环-螺旋能与免疫球蛋白链基因增强子结合的反式因子E12和E47羧基端100～200aa可形成两个两性-螺旋，两螺旋之间为非螺旋的环，-螺旋氨基端有碱性区，这个碱性区对结合DNA是必须的，-螺旋对形成二聚体是必须的。

5)亮氨酸拉链(Leucinezipper)

两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子以疏水力相互作用形成的形同拉链的区域。

亮氨酸拉链结构：

见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有关。由两段α-螺旋平行排列构成，其α-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。介导蛋白质互相作用的结构模序

3.转录活化域(transcriptionalactivationdomain)

位于DNA结合域以外由80～100个aa组成的具有转录活化功能的区域。

①带负电荷的-螺旋结构含较多酸性氨基酸能形成亲脂的-螺旋，称酸性-螺旋结构。如糖皮质激素受体的转录活化域，Jun转录因子的转录活化域等。作用：对转录起始的特异诱导活性相对较低。可与TF-ⅡD复合物中某个通用因子或RNApol结合而发挥作用。

②富含谷氨酰胺结构

如SP1是与启动子GCbox结合的一种转录因子，除有结合DNA的锌指结构外，SP1共有4个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域之一很少有极性aa，却富含谷氨酰胺，达该区aa总数的25%左右。Oct1/2，Jun,AP2,SRF均含此区域。

③富含脯氨酸结构

如CTF-NF1转录因子的羧基端很难形成-螺旋，原因是此区域富含脯氨酸，占该区aa的20～30%，在Oct2，Jun，AP1，SRF等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构

4.调节结构域

如糖皮质激素受体是一种反式作用因子，它有与糖皮质激素结合的区域，这个区域称调节结构域。

四、基因转录调控中蛋白质与DNA及蛋白质与蛋白质的相互作用1.蛋白质与DNA的相互作用—非共价键相互作用1)氢键:供氢基团:G,A,C的氨基受氢体:Glu,Asp的残基侧链2)疏水键:DNA分子大沟侧缘的T的-CH3与疏水性氨基酸等均可建立疏水键联系。3)碱性氨基酸残基与DNA分子中戊糖-磷酸骨架之间建立电荷联系

2.蛋白质与蛋白质的相互作用—非共价键相互作用1)氢键:蛋白质分子中带部分正电性的氢原子与带电负性的原子靠静电相互作用形成氢键。如NH3,-NH2,-OH的氢带部分正电性,-C=O,-C00-带负电性2)离子键:存在于两个完全或部分带相反电荷的原子或基团之间的相互作用力。主要发生在碱性氨基酸侧链,N-末端自由氨基,酸性氨基酸侧链及C-末端羧基等带电基团之间3)疏水相互作用:主要发生在疏水性氨基酸侧链之间五、转录起始的调控机制解除组蛋白对基因的封闭作用;

反式作用因子活性的调节顺式作用元件与反式作用因子的相互作用。

带正电荷的组蛋白与DNA中带负电荷的磷酸基结合,于是组蛋白遮蔽了DNA分子,降低了DNA的模板活性。组蛋白的修饰作用可明显解除染色体的抑制作用。已证明高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区,低乙酰化组蛋白聚集于无转录活性的非功能区,这一结果表明组蛋白乙酰化可激活转录。此外,核小体组蛋白乙酰水平升高,可使DNA－组蛋白抑制性结构破裂,有利于基本转录因子与转录起始部位结合。组蛋白对基因的封闭作用蛋白质与DNA结合时主要是DNA结构发生变化,DNA柔性加强了蛋白质－DNA的相互作用,识别螺旋沿DNA大沟,在大沟一侧接触到碱基,接触碱基数目一般不超过5bp。识别螺旋的氨基酸残基分为3类:(1)与DNA碱基接触的残基,大多是极性的;(2)与主链磷酸基因接触的残基,大多是碱性的;(3)与蛋白质其余部分接触的残基,往往以疏水残基背向DNA。顺式作用元件与反应作用因子的相互作用

体外转录器组装的第一步即为TFⅡD结合到TATA盒上,形成包括TATA结合蛋白和约10个TBP相关因子的复合物。是TFⅡD还是TBP还是两者同时结合TATA盒尚不清楚。体外转录试验表明,TAFs在对激活因子的应答中起作用。TFⅡD和TBP在基础转录中含量相似,但只有TFⅡD能对激活剂产生应答。而且不同物种的活性结构域是和特异性的TAFs相互作用的。激活蛋白能刺激TFⅡD－TFⅡA－TATA复合物形成,活性结构和TAFs的多重接触能增强TFⅡD与TATA盒的结合,激活转录。TFⅡ