生物化学-第十八章 基因表达调控

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。
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(catabolic repression)。
胰岛素基因 胰岛β细胞
三、基因表达的方式多样性
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）基本表达 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 (housekeeping gene)。
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。这类基因表达被视为基本（或组成性） 基因表达(constitutive gene expression)。
无专一性，需要启动子才能发挥作用。 酵母：上游激活序列（UAS）
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。
（二）反式作用因子 1. 转录（调节）因子分类（按功能特性）
* 基本转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组
GC盒: GGGCGG CAAT盒: GCCAAT
• 位于-30 〜 -110bp区域 • 与相应蛋白因子结合，影响转录效率。
典型的启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或 GC盒组成，通常具有一个转录起始点及较高的 转录活性。
2. 增强子(enhancer)
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。发挥作用的方式：与方向、 距离无关。
2. 转录（调节）因子结构
TF
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 （二聚化结构域）
启动序列 操纵序列 编码序列
• 当激活蛋白结合启动子邻近DNA序列时，会增强 RNA聚合酶活性，激活转录，介导正性调节。
DNA
P
CAP结合位点
OZ YA
+ + + + 转录
3) 调节基因 编码调节蛋白与操纵序列结合
特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白均为DNA结合蛋白
* 特异因子：决定RNA-pol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：识别和结合特异的DNA序列—操纵序 列，阻遏基因转录，介导负性调节。 •激活蛋白：提高RNA聚合酶与启动子的结合能力， 增强RNA聚合酶转录活性，是正调控。
色氨酸存在→ 色氨酸合成酶系表达↓
四、基因表达受顺式作用元 件和反式作用因子共同调节
一、顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的
DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、 增强子及沉默子等。
DNA B
转录起始点
A
编码序列
二、反式作用因子(trans-acting factor)
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
高半乳糖时
RNA-pol
ＩO
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
无转录
mRNA
ＩO
O
无转录
lac操纵子强的诱导作用的条件是：
低水平转录
乳糖存在的同时又要缺乏葡萄糖（cAMP浓度高）。
第三节 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
哺乳类动 物基因组
• 编码序列 • 非编码调节序列
*基因组 (genome) 一个细胞或生物所携带的整套遗传信
息或全部基因。 原核细胞：单个环状染色体 真核生物：染色体基因组 (染色体DNA)
人类基因组含约 2万~2.5万个基因。
人的23对染色体
*基因表达 (gene expression) 在一定调节机制控制下，基因经历基
DNA
CAP结合位点
P
OZ YA
+ + + + 转录
CCAACCPPAAPP CACPAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
• 阻遏蛋白是负性调节因素。 • 半乳糖或IPTG是诱导剂 。
• CAP是同二聚体，含DNA结合区和cAMP结合位点。 • CAP是正性调节因素。
基因活化后
转录方向
负超螺旋 RNA-pol 正超螺旋
RNA聚合酶下游的转录区为正超螺旋，阻碍 核小体的形成，促进核小体的解体；
RNA聚合酶上游的DNA则为负超螺旋，有利 于核小体的再形成。
3. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化， 甲基化范围与基因表达程度呈反比。
4. 组蛋白变化
二、真核基因表达调控特点
(一)三类RNA聚合酶 (二) 活性染色体结构变化 (三) 正性调节占主导 (四) 转录与翻译分隔进行 (五) 转录后修饰、加工调控 （六）翻译及翻译后加工调控
（一）RNA聚合酶 真核生物的RNA聚合酶
种类 转录产物
Ⅰ 45S-rRNA
对鹅膏蕈碱 的反应
耐受
Ⅱ hnRNA
多细胞生物基因表达表现为与生长、 分化和发育阶段一致的时间性，因此又称 阶段特异性(stage specificity)。
α类珠蛋白基因 5´ξ－ψξ－ψα－α2－α1－θ3´
β类珠蛋白基因 5´ε－Gγ－Aγ－ψβ－δ－β3´
胚胎发育早期三种Hb：ξ2ε2、 α2 ε2、 ξ2γ2 胎儿期：α2 γ2 迅速增多 成 人：α2 β2为主，α2 δ2微量
① 富含Lys组蛋白H1水平降低 ② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白H3、 H4修饰：乙酰化、磷酸化
导致核小体不稳定或松弛
（三）正性调节占主导 其原因： • 更有效，可提高特异性和精确性 • 采用负性调节不经济
（四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工
三、 转录起始的调节
（一）顺式作用元件 是指可影响自身基因表达活性的特
某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的顺式作用元件相互作用， 从而调节此基因的表达。
这种调节作用称为反式作用。 这种蛋白质因子称反式作用因子。
有些真核调节蛋白可特异识别、结 合自身基因的调节序列，调节自身基因 的表达。
这种调节作用称为顺式作用。 这种蛋白质因子称顺式作用因子
DNA
a
mRNA
13-15bp
CCCCAT NT
σ54
rpoN 氮的利用 CTGGNA 6bp TTCGA
通过不同的σ亚基，原核细胞能协同相关 基因的表达，使细胞适应其所处的环境。
原核生物操纵子 操纵子(operon)：通常由2个以上的结构基因与
启动子、操纵序列以及其他调节序列成簇串联组成 的基因表达调控单位。
rec A TTGATA N16 TATAAT N7 A
ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6 A
共有序列 TTGACA
TATAAT 决定转录活性
2) 操纵序列 阻遏蛋白的结合位点
• 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RNA聚合酶不能沿DNA 向前移动 ，阻碍转录。
蛋白质A
A
C
ห้องสมุดไป่ตู้
顺式调节
反式调节
Ab
c
DNA
mRNA
C
蛋白质C
五、基因表达的多层次和复杂性
•基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
主要调节环节
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
第二节 原核基因表达调控
一、原核基因转录调节特点 ——调节的主要环节在转录起始
DNA 约 3 × 10 9 碱基对
人编码基因约 有 2.5万个，占总基因组的1 % 重复序列高达50%以上
（二）单顺反子 （三）重复序列
高度重复序列（106 次） 多拷贝序列
中度重复序列（103 ~ 104次） 单拷贝序列（一次或数次） 反向重复序列
5`AAACCACCGCTGGTAGCGGTGGTTT3` 3`TTTGGTGGCGACCATCGCCACCAAA5` （四）基因不连续性（断裂基因）
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 （二）操纵子是原核基因转录调控的基本单位 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
• E. coli的不同σ因子识别不同的共同顺序
因子
基因
功用 -35顺序 间隔距离 -10顺序
σ70
rpoD 正常状态 TTGACA 10-18bp TATAAT
σ32
rpoH
热休克
CNCTTG AA
François Jacob Jacques Monod
(1920 ~ )
(1910 ~ 1976)
荣获1965年诺贝尔生理或医学奖
第一节
基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念
*基因(gene)
从遗传学角度讲，就是编码一种RNA、 一种多肽的信息单位；从分子生物学角度看， 是负载特定遗传信息的DNA片段。
（二）诱导和阻遏表达（适应性表达） 在特定信号刺激下，相应基因被激活，其
表达产物增加，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)。
乳糖存在 → 利用乳糖的酶的表达量
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)。