基因表达调控级临床医学

关于基因表达调控级临床医学概述基因表达调控:

生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。主要是转录水平的调控第2页,共115页，2024年2月25日，星期天基因表达(转录)调控的物质基础1.DNA序列：有特征性的序列2.调控蛋白(因子)：

DNA-蛋白质(转录因子)相互作用蛋白质-蛋白质相互作用

第3页,共115页，2024年2月25日，星期天基因表达的调控方式:

阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质降低)

促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)第4页,共115页，2024年2月25日，星期天第一节

基因表达调控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation第5页,共115页，2024年2月25日，星期天一、基因表达是指基因转录及翻译的过程遗传学：基因就是遗传的基本单位或单元，含有编码一种RNA，大多数情况是编码一种多肽的信息单位。分子生物学：基因是负载特定遗传信息的DNA片段，可以编码单个具有生物功能的产物。如RNA;多数情况下还有多肽链。其结构包括由DNA编码序列、非编码调节序列、内含蛋白质子组成的DNA区域。第6页,共115页，2024年2月25日，星期天(一)基因基因—

为生物活性产物编码的

DNA功能片段,这些产物主要是蛋白质或各种RNA。注意：cDNA第7页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）基因组基因组(genome)是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（DNA）。第8页,共115页，2024年2月25日，星期天（三）基因表达基因表达是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。即

基因表达=基因转录+，多数还要翻译。

注意：经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也属于基因表达。第9页,共115页，2024年2月25日，星期天一般说，同一个体的所有细胞生物个体的各种组织细胞都有相同的染色体数目，每个细胞含的DNA量基本相近，均含有一套相同的基因组。但基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来，即使极简单的生物(如最简单的病毒)，其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达的。大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。进一步说明：1第10页,共115页，2024年2月25日，星期天哺乳类基因组更复杂，人的基因组约含有5万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过30%的基因处于表达状态。心心进一步说明：2第11页,共115页，2024年2月25日，星期天二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性（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)。

第12页,共115页，2024年2月25日，星期天一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，随着分化发展，细胞中某些基因关闭、某些基因转向开放。发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，即使是同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同，这种细胞生长过程中基因表达调控的变化，正是细胞生长繁殖的基础。进一步说明：第13页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）空间特异性（组织特异性）

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(spatialspecificity)。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)。

第14页,共115页，2024年2月25日，星期天生物个体的各种组织细胞一般都有相同的染色体数目，每个细胞含的DNA量基本相近，一样含有个体发育、生存和繁殖的全部遗传信息。但这些遗传信息的表达是受到严格调控的，通常各组织细胞只合成其自身结构和功能所需要的蛋白质。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的空间特异性or组织特异性。进一步说明：第15页,共115页，2024年2月25日，星期天三、基因表达的方式及调节存在很大差异（一）基本表达(组成性表达)：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。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(housekeepinggene)。第16页,共115页，2024年2月25日，星期天无论表达水平高低，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)。这些基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。第17页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）诱导和阻遏环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。因环境条件变化导致基因表达水平------

增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

第18页,共115页，2024年2月25日，星期天四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需

(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第19页,共115页，2024年2月25日，星期天第二节基因表达调控的基本原理一、基因表达调控的多层次和复杂性目前巳知，至少有以下几个环节可参与调控：1.基因激活2.转录水平的调控：转录起始、转录后加工及转运3.翻译水平的调控：核糖体循环、翻译后加工第20页,共115页，2024年2月25日，星期天转录水平的调控(transcriptionallevel)目前巳知的及正在研究的大多数基因表达调控都属于此类，特别是转录起始(激活)。第21页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步说明1：转录水平的调控主要有转录起始(激活)、转录后加工及转运等。对于细胞来说,它不应合成超过它所需要mRNA,即不浪费原料和能量。因此这是一种最经济的办法,可以免去浪费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。这大概是生物在长期进化过程中自然选择的结果。

所以讲义上说：转录起始是基因表达的基本控制点。第22页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步说明2：

翻译水平的调控(translationallevel)包括核糖体循环、翻译后加工。是在mRNA合成后,控制从mRNA翻译成多肽链的速度,包含一些分子装置问题,如与核糖体的结合速度等。这种调控是较少的，或者说不太了解。第23页,共115页，2024年2月25日，星期天基因表达调控第24页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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(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。基因表达(转录)调控的物质基础1.DNA序列：有特征性的序列2.调控蛋白：

DNA-蛋白质(转录因子)相互作用蛋白质-蛋白质相互作用3.环境:第25页,共115页，2024年2月25日，星期天（一）特异DNA序列决定基因的转录活性基因上往往有些片（节）段参与表达调控，而且有一定规律性。1.原核生物参与表达调控的特异DNA序列原核生物中参与表达调控的特异DNA序列的代表为操纵子(operon)

。第26页,共115页，2024年2月25日，星期天背景操纵子学说

基因表达调控的许多成就是在研究E.coli的乳糖代谢调节时所取得的。法国巴斯德研究院的FrancoisJacob(F.雅各布)，与JacquesMonod（J.莫诺）于1960年在法国科学院院报上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的β半乳糖苷酶（水解乳糖成为半乳糖）和半乳糖苷透过酶（运输乳糖到细胞中）两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,并逐步形成了操纵子学说(theoryofoperon)，首次从分子水平认识基因表达的调控,这是一个划时代的突破,因此他们二人于1965年荣获诺贝尔医学与生理学奖。第27页,共115页，2024年2月25日，星期天操纵子的概念在原核生物的DNA链上由数个功能相关的结构基因串联在一起，受上游的调控元件控制，形成一个转录单位,即（一个）操纵子。操纵子是原核生物转录调控的基本单元。注意：操纵子的转录产物为一条mRNA链，上面带有多个可编码蛋白质（多肽）的序列，所以这种mRNA也称为多顺反子（polycistron）。第28页,共115页，2024年2月25日，星期天操纵子（模型）的基本结构对操纵子（元）研究最深入的就是E.coli的乳糖操纵子(lacoperon)。

IPOZYaZ.Y.a---结构基因P(promoter)---启动子（启动序列）O（oprator）----操纵区（操纵序列）注意：I--调控基因（调节基因）不属于操纵子的基本结构，但两者有密切关系。上述的这些DNA片断（序列）在基因组中成簇串联组成。第29页,共115页，2024年2月25日，星期天

ICPOZYaz、Y、a:大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因；P:转录z、Y、a所需要的启动子；O:操纵序列；能决定基因开放;I（i）:调控基因；能编码合成调控蛋白R;C：CAP（分解代谢物基因激活蛋白）结合位点。第30页,共115页，2024年2月25日，星期天

进一步说明1

乳糖操纵元(子)的基本组成

(1)结构基因群(z、y、a)

乳糖操纵元含有z、y和a三个结构基因。

z基因编码β－半乳糖苷酶，催化乳糖转变为半乳糖和葡萄糖；y基因编码半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；a基因编码转乙酰基酶，催化半乳糖的乙酰化。z基因5′侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的SD序列，因而当乳糖操纵元（子）开放时，核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于z、y、a三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成基因群所编码的所有蛋白质。第31页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步说明2

(2)启动子（P）

启动子是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵元（子）至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游（非邻居），控制整个结构基因群的转录。虽然不同的启动子序列有所不同，但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同规律：在启动子序列内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列的保守性段落称为共有性序列(consensussequences)，它们一般长40－60bp。启动子一般可分为识别、结合和起始三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记位置为＋1)最常见的是A；在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，因为这段共有序列是Pribnow首先发现的，称为Pribnow盒(Pribnowbox)；在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。第32页,共115页，2024年2月25日，星期天是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第33页,共115页，2024年2月25日，星期天原核生物基因转录起始区

第34页,共115页，2024年2月25日，星期天

进一步说明3

(3)操纵序列（O）

操纵序列(子)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白（i蛋白）结合在O上，会影响其下游基因转录的强弱。第35页,共115页，2024年2月25日，星期天

进一步说明4

(4)调控基因（

Iori）

调控基因(regulatorygene)是编码能与操纵序列(o)结合的调控蛋白的基因。一般认为，调控基因（调节基因）在上游的较远处，不属于操纵子的基本结构（但也有人认为属于操纵子），但无论如何两者有密切关系。第36页,共115页，2024年2月25日，星期天

调控蛋白有两类：1.与操纵序列(o)结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressiveprotein)，其介导的调控方式称为负性调控(negativeregulation)；2.与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白(activatingprotein)，所介导的调控方式称为正性调控(positiveregulation)。第37页,共115页，2024年2月25日，星期天某些特定的物质（如某类蛋白质因子）能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物(effector)-------其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂(inducer)；能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)。第38页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步说明5

(5)终止子

终止子按其作用是否需蛋白因子的协助至少可以分为两类：一类是不依赖ρ因子的终止子。另一类是依赖ρ因子(蛋白性终止因子)的终止子，即其终止转录的作用需要ρ因子的协同，或至少是受ρ因子的影响。第39页,共115页，2024年2月25日，星期天项目功能结构基因3个不同结构基因能够产生3种不同的酶.操纵基因是结构基因的开关.通过对RNA聚合酶阻抑与否来控制结构基因的转录或停止.启动子是RNA聚合酶与DNA结合的部位,可识别转录起始点.调控基因能产生阻抑物.通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启乳糖操纵子的结构和功能第40页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步说明6启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用称为顺式作用(cisaction)，调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用(顺式作用)，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，称为反式作用(transaction)。第41页,共115页，2024年2月25日，星期天2.真核生物参与表达调控的特异DNA序列▲原核基因组的大部分序列都为基因编码，而真核生物基因组中仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。▲原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续的，即有外显子和内含子，转录后需经剪接去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。第42页,共115页，2024年2月25日，星期天原核生物多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子，基本上没有操纵元（子）的结构，同时很多真核生物的蛋白质有多个亚基及相应的四级结构，这就涉及到多个基因协调表达的问题。第43页,共115页，2024年2月25日，星期天真核基因表达调控的DNA序列---顺式作用元件顺式作用元件(cisactingelements)概念：真核基因中与结构基因串联并能调控转录水平的DNA序列，包括启动子、增强子（沉默子）、加尾及终止信号等。注意：可以这样理解，基因表达的转录水平调控元件---

原核为操纵子（元）；真核为顺式作用元件。当然前者比后者简单的多，且具有相当的典型性及共性。三、真核基因转录激活调节第44页,共115页，2024年2月25日，星期天顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA编码序列转录起始点mRNARNA聚合酶ⅡBADNA转录起始点mRNA图13-2顺式作用元件第45页,共115页，2024年2月25日，星期天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。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。

第46页,共115页，2024年2月25日，星期天与原核基因类似，在顺式作用元件中也会有共有序列，如TATA盒、CCAAT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。但与原核基因不同是，顺式作用元件一般不含结构基因，也不一定与被调控基因串联，有时相距很远，甚至不一定处于上游。第47页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）转录调节蛋白可以增强

或抑制转录活性

DNA链上一些基因合成的调控另一基因的蛋白质分子。它们可以与（被调控的）DNA结合（DNA结合蛋白）；也可以与其它能影响DNA、调控DNA的蛋白质结合（见后）。第48页,共115页，2024年2月25日，星期天1.原核生物的调节蛋白：

均是DNA结合蛋白。分三类：（1）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。（2）阻遏蛋白：能结合特异DNA序列—操纵序列，阻遏基因转录。（3）激活蛋白：能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。

例：分解（代谢物）基因激活蛋白（CAP）。第49页,共115页，2024年2月25日，星期天2.真核生物的调节蛋白：调节蛋白多称为转录因子，其主要就是反式作用因子(transactingfactors)。第50页,共115页，2024年2月25日，星期天cDNAaDNA反式调节C顺式调节

mRNAC蛋白质CbAmRNA蛋白质AA图13-3反式与顺式作用蛋白第51页,共115页，2024年2月25日，星期天第52页,共115页，2024年2月25日，星期天反式作用因子概念：主要存在于真核生物的细胞内的一类蛋白质，通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而调节转录活性。反式作用因子少数也是DNA结合蛋白；多数参与蛋白质—蛋白质相互作用。其次，有些基因可以合成调控自身基因的蛋白质分子—顺式作用蛋白。注意：与原核基因不同，真核细胞RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要被转录因子(主要就是反式作用因子)识别、结合后才被激活而发挥作用。。第53页,共115页，2024年2月25日，星期天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---DNA-蛋白质相互作用（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第54页,共115页，2024年2月25日，星期天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-蛋白质相互作用转录因子之间或转录因子与DNA的结合都会引起（调节蛋白、DNA）构象的变化，从而影响转录的效率。第55页,共115页，2024年2月25日，星期天（四）RNA聚合酶与基因的启动

序列/启动子相结合上述各种调控作用，最终影响RNA聚合酶活性。1.启动序列/启动子与RNA聚合酶活性：巳证明，如果启动序列/启动子的共有序列被置换为非共有序列；或将启动序列的非共有序列代之以共有序列，则会得到使转录活性降低或增加两种截然不同的结果。2.调节蛋白与RNA聚合酶活性通过DNA-蛋白质相互作用;蛋白质-蛋白质相互作用调节RNA聚合酶活性。第56页,共115页，2024年2月25日，星期天笫三节原核基因表达调节一、原核基因转录调节特点（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。（二）操纵子模型的普遍性(见后)

乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、色氨酸操纵子等

第57页,共115页，2024年2月25日，星期天（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白参与的开、关调节机制。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。第58页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构（见前）

IPOZYaZ.Y.a---结构基因P(promoter)---启动子（启动序列）O（oprator）----操纵区（操纵序列）注意：I--调控基因（调节基因）不属于操纵子的基本结构，但两者有密切关系。上述的这些DNA片断（序列）在基因组中成簇串联组成。第59页,共115页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。大肠杆菌分解糖类概述第60页,共115页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌利用乳糖至少需要3个酶：催化乳糖转变为半乳糖和葡萄糖的β－半乳糖苷酶；促使环境中的乳糖进入细菌的乳糖透过酶;催化半乳糖的乙酰化的转乙酰基酶。第61页,共115页，2024年2月25日，星期天在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2－3分钟后，细菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。这就是乳糖对lacoperon的诱导作用。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。这个模型是人们第一次开始认识基因表达调控的分子机理。第62页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节

-------操纵子负性调控模式之一(分解代谢酶系的诱导表达)第63页,共115页，2024年2月25日，星期天没有乳糖存在时，lacoperon处于阻遏状态。原因：调控基因i编码合成的调控蛋白（阻遏蛋白）与O结合而阻碍从P开始的基因转录。。1.阻遏蛋白的负性调节第64页,共115页，2024年2月25日，星期天乳糖操纵子(lacoperon)的结构

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：乳糖透过酶A：(转)乙酰基(转移)酶ZYAOPDNA第65页,共115页，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因第66页,共115页，2024年2月25日，星期天有乳糖存在时，乳糖能改变阻遏蛋白结构使其不能与O结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变,利用乳糖第67页,共115页，2024年2月25日，星期天mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶图13-4lac

操纵子与阻遏蛋白的负性调节第68页,共115页，2024年2月25日，星期天Jacob和Monod提出的lacoperon模式第69页,共115页，2024年2月25日，星期天调控基因（I）调控基因(regulatorygene)是编码能与操纵序列（O）结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressiveprotein)，其介导的调控方式称为负性调控(negativeregulation)；与操纵子结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白(activatingprotein)，所介导的调控方式称为正性调控(positiveregulation)。第70页,共115页，2024年2月25日，星期天第71页,共115页，2024年2月25日，星期天2.

CAP的正性调节

CAP（分解代谢物基因激活蛋白）细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，此时就称为CAP，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。第72页,共115页，2024年2月25日，星期天在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段能与CAP特异结合，称为CAP结合位点(CApbindingsite)。

当有乳糖、无葡萄糖时，cAMP含量增加，随之CAP含量增加，CAP与CAP结合位点结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，CAP含量下降，lac操纵元的结构基因表达下降。第73页,共115页，2024年2月25日，星期天++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时,CAP容易结合。有葡萄糖，cAMP浓度低时，CAP不易结合。ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第74页,共115页，2024年2月25日，星期天进一步学习：由于P1ac是弱启动子，所以仅单纯因乳糖的存在发生去阻遏使1ac操纵元转录开放也还是不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。第75页,共115页，2024年2月25日，星期天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。lac操纵元充分发挥作用，既需要有乳糖的存在，又没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。第76页,共115页，2024年2月25日，星期天单纯乳糖存在时，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)。

第77页,共115页，2024年2月25日，星期天葡萄糖利用对乳糖操纵元的影响第78页,共115页，2024年2月25日，星期天其它转录调节机制(自学)除lacoperon类型的调控机制外，原核生物还有其它调控机制。第79页,共115页，2024年2月25日，星期天色氨酸操纵（子）元

-------操纵子负性调控模式之二（合成代谢酶系的阻遏表达）(自学)第80页,共115页，2024年2月25日，星期天色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担（转录衰减）。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trpoperon)的调控。第81页,共115页，2024年2月25日，星期天合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子O的调控，调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，在其自身的启动子作用下，低水平表达调控蛋白R。第82页,共115页，2024年2月25日，星期天R并没有与O结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录，因此这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵元(repressibleoperon)，即这种操纵元通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时，则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。第83页,共115页，2024年2月25日，星期天操纵子正性调控模式（本课程不讲！）第84页,共115页，2024年2月25日，星期天三、原核生物具有不同的转录终止调节机制（见前述）（一）不依赖Rho因子的转录终止（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。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。终止子结构特点：第85页,共115页，2024年2月25日，星期天第四节真核基因转录调节

一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在3×109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有3-5万个基因。哺乳类基因组中仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，编码蛋白质序列仅占总长的1%。其余约90%的序列功能至今还不清楚。第86页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）真核基因转录产物为单顺反子

如前所述：原核细胞的多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元形式的基因表达调控单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子的mRNA；真核生物则是即一个编码基因转录生成一个mRNA分子(单顺反子)，经翻译生成一条多肽链,基本上没有操纵元的结构。第87页,共115页，2024年2月25日，星期天（三）真核基因组含有大量的重复序列

与原核基因组相比，真核基因组中存在着较多的重复序列(repetitivesequences)。实验表明有三类重复序列：①高度重复序列：这类序列一般较短，长10－300bp，在基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。②中度重复序列：这类序列多数长100－500bp，重复10－105次，占基因组10-40%。例如在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次。③单拷贝序列：这类序列基本上不重复，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物的为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。第88页,共115页，2024年2月25日，星期天（四）基因不连续性原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的；真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。第89页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化第90页,共115页，2024年2月25日，星期天（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：一个负性调节元件的结合足可阻断RNA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和精确性。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；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。第91页,共115页，2024年2月25日，星期天三、RNAPolI和PolIII转录体系的调节相对简单第92页,共115页，2024年2月25日，星期天四、RNAPolII转录起始的调节非

常复杂（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性真核基因的顺式作用元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。第93页,共115页，2024年2月25日，星期天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盒顺式作用元件分类：第94页,共115页，2024年2月25日，星期天

真核启动子不像原核那样有明显共同一致的序列，而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用，不同蛋白质因子又能与不同DNA序列相互作用。不同基因转录起始及其调控所需的蛋白因子也不完全相同。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100－200bp序列，包含有若干具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长7－30bp。注意：第95页,共115页，2024年2月25日，星期天CCAAT盒GC盒TATA盒转录起始点高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒转录起始点酵母图13-7真核基因启动子的典型结构第96页,共115页，2024年2月25日，星期天2.增强子

概念：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DNA序列。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。

最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占100－200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为8－12bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。第97页,共115页，2024年2月25日，星期天增强子的特点1.所在位置不固定:可位于结构基因的上游、下游甚至结构基因内。2.可远距离作用（可近可远，远的可达几十kb）。3.无基因特异性：即对各种基因均有作用，但有组织或细胞特异性。4.增强子要有启动子才能发挥作用:没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。第98页,共115页，2024年2月25日，星期天增强子的作用机理

增强子的作用机理虽然还不明确，但与其他顺式调控元件一样，必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。第99页,共115页，2024年2月25日，星期天3.沉默子某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子