基因表达的调控

• （3）重复序列。即许多重复出现的核苷酸顺序。某些 重复序列出现在调控区，如转录终止区、衰减区及某些 酶或蛋白质结合位点，可能对DNA的复制、转录调控等 有重要意义。
• 多拷贝序列，近1/3的基因是多拷贝的。
• （4）断裂结构。大多数基因都是由外显子和内含子组 成，外显子之间被内含子隔开，形成相间排列的断裂方 式。
• 空间特异性（spatial specificity）在个体生长全
过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。
3. 正调控和负调控
• 正调控（positive control）有调节蛋白（诱导物，inducer）时，基因表达活性被开启。没 有调节蛋白存在时基因是“关闭”的。
• 调节蛋白——诱导物（inducer）
碱性α－螺旋
螺旋—环—螺旋
Zinc Finger Motif
Helix-Turn-Helix Motif
Leucine Zipper
H-Bonding in a Protein-DNA Interaction
2. 转录活性结构域——与其它调控蛋白相互作用， 发挥转录活化功能。 直接与RNA聚合酶作用提高其活性，或与 其它转录因子作用后再作用于RNA聚合酶
6. 基因重排 • 指某些基因片断改变原来存在的顺序而重新排
列组合。
抗体——多样性（抗原特异性），机制之一是B细胞免疫 球蛋白基因重排。
方式： 同源重组 移动基因（转位基因、跳跃基因），如癌基因的转座 基因转化，如病毒基因的整合
二、 转录水平的调控
• 三种因素的相互作用
（1）RNA聚合酶(polII) RNA聚合酶识别DNA序列，形成转录起始复合物 （2）DNA上的调控元件（ 顺式作用元件）
（2）尽管有正负调控元件，但正调控机制占主要地位—— RNA聚合酶需要调控蛋白参与才能起始转录
• （3）真核基因的转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行， 这种时空差别使真核基因的调控更复杂、有序。
C. 多级调控
真核细胞基因表达的调控是一个多层 次、多水平的复杂过程
• 转录前调控（DNA水平调控） • 转录调控 • 转录后调控 • 翻译调控 • 翻译后调控
• 负调控（negative control）调节蛋白存在时基因表达活性被“关闭”。没有调节蛋白存在 时基因是表达的。
• 调节蛋白——阻遏物（repressor）
第二节 原核生物的基因表达调控
• 1. 转 录 水 平 的 调 控 —— 操 纵 子 （operon)
• 是原核生物基因表达调控的基本方式
DNA分子上与转录有关的调控序列，包括启动子，增强子 和终止子 （3）转录因子（反式作用因子）
蛋白质因子，包含两个结构域
反式作用因子：蛋白质因子
两种结构域： DNA结合结构域 转录活性结构域
1. DNA结合结构域，与特定DNA序列结合——DNA 结合蛋白
改变DNA的构象,影响基因转录——转录因子
锌指结构域 亮氨酸拉链
• 迅速合成自身需要的蛋白质（酶）、核酸和其 他生物大分子;或迅速停止合成不再需要的成分。
• 真核生物： • 基因表达具有阶段特异性和组织特异性 • 人类基因组大约有3万个基因
受精卵细胞 → 胚胎→ 组织器官 细胞的形态功能不同 细胞内基因表达不同 2%～15%基因表达—— 选择性、程序性地表达特定基因
基因转录后在加工修饰形成成熟的mRNA时，内含 子转录产物被切除。对于同一初级转录本，不同的剪接 方式产生不同mRNA，可翻译出不同的多肽。
• B.真核基因与原核基因有一些相同的表达调控机制， 但在以下几点与原核基因不同：
• （1） DNA与蛋白质形成复杂而有序的染色质结构，转录的 激活与被转录区的染色质结构有关；
• GAPDH或G3PDH，甘油醛-3-磷酸脱氢酶 • β-actin，β-肌动蛋白
• 其表达效率主要由启动子和RNA聚合酶决定，受环境因 素影响较小
2. 适应性表达：大多数基因的表达水平与内外环境的变 化相适应。
• 诱导表达（induction expression） 在特定环境信号刺激
下，基因的表达开放或增强。
• 有些是细胞固有转录因子，与细胞周期、发育等密切相 关。
• 有些能介导激素、生长因子、致癌物等外来刺激所诱导 的转录起始作用。
• 据功能分类： • 1） 基本转录因子——RNA聚合酶与启动子结合所必需
F
H
A
D
B
E
TATA
RNA polⅡ
DNA
TFⅡD TFⅡA TFⅡB polⅡ/ TFⅡF TFⅡE 转录起始前复合物
• 1983年，发现了反义RNA对基因表达的调控； • 1984年，提出用反义RNA来治疗病毒性疾病
第三节 真核生物的基因表达调控
• A.真核生物基因/基因组有如下特点：
• （1）单顺反子。其mRNA只为一条多肽链编码，而真 核细胞蛋白多由几条多肽链组成，因而存在多个基因协 调表达的问题
• （2）基因家族。许多结构相似，功能相关的真核基因 组成一个集合称为基因家族（gene family）。家族中的 成员可以紧密地排在一起，成为一个基因簇；也可分散 在同一染色体的不同部位；也可位于不同染色体上。
• 正负调控之间存在着一种协调:阻遏蛋白的退
离和CAP的结合是lac操纵子表达的必要条件
• 当阻遏蛋白结合于O区而阻碍转录时，CAP结合对转录没有影响； 但如果没有CAP蛋白与CAP位点结合，即便阻遏蛋白退离O区也 不能启动转录。
Four States of the Lac Operon
LacI
Lactose Glucose
• 阻遏表达（repression expression）在特定环境信号刺激
下，基因的表达关闭或减弱。
3. 协同/协调表达 coordinate expression
• 为确保机体代谢有条不紊地进行，需要多基因产物的共同作用。 • 功能相关的一组基因的表达需协调一致，共同表达，这种表达方
式称为协同表达、共表达
与形成
• 小结： • 顺式作用元件是反式作用因子的结合位点 • 转录水平的调控主要是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用实现的。
• 2. 基因转录的翻译调控——衰减子
• 转录和翻译是紧密偶联的，RNA聚合酶刚转录 出前导肽的部分密码子，核糖体就开始翻译。
• 衰减子调控的实质是以翻译手段调控基因的转 录
Trp衰减子机制 :
Байду номын сангаас高色氨酸水平 形成终止子结构
低色氨酸水平
不形成终止子结构
3. 翻译水平的调控
（1）mRNA稳定性的调控 （2）翻译起始的调控
核糖体结合蛋白 大亚基50S
（3）反义RNA（anti-sense RNA） • 能与特异mRNA互补结合，而调控蛋白质合成的小
分子RNA
• 抑制mRNA的翻译功能 • 结合位点通常是mRNA上的S-D序列、起始密码子AUG和部分N端
的密码子 • 与S-D序列上游集合，改变mRNA二级结构，抑制与核糖体的结合 • 结合DNA，影响复制和转录
• 又称协调调节（coordinated regulation）
2020/6/3
tangbinghua_bucm@
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二、基因表达调控的基本规律
1. 多级调控
2. 具有时间和空间特异性
• 时间特异性（temporal specificity）在多细胞生
物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶 段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启 或关闭。
• Jacob和Monod于1961年提出大肠杆菌的lac 操
纵子（乳糖操纵子）模型 • 操纵子是由数个相关的结构基因及其调控区组
成。
几个功能相关的结构基因排列在一起受上游同一个调控序列控制，呈现协同表达
结构基因：LacI 编码阻遏蛋白，lacZ 编码β-半乳糖苷酶，lacY 编码通透酶，lacA 编码硫代半乳糖苷转乙酰酶 调 控 区 ： 操 纵 基 因 / 序 列 （ operator ） 、 启 动 基 因 / 序 列 （ promoter ） 及 其 它 有 调 控 功 能 的 部 位 组 成
5. 基因扩增 ——细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增 加的现象 • 是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因
产物的一种调控手段。
• 如:非洲爪蟾卵母细胞中rRNA基因在分裂期扩增了 约4 000倍，使细胞内迅速积蓄起1012个核糖体。
• 一些药物能诱导抗药性基因的扩增，如： 氨甲蝶呤——二氢叶酸还原酶基因 镉汞等重金属——金属硫蛋白I基因 铜离子——铜结合蛋白
组蛋白与DNA的结合与解离，特定DNA序列的暴露
3. DNA的甲基化
• 主要是胞密啶（C）在5位上被甲基化，生成mCG
• 与控制基因表达有关，与疾病有关。
• 低甲基化或未甲基化的基因——转录活跃
• 高度甲基化的基因——不转录、不表达
• 如珠蛋白基因——在红细胞中是低甲基化的，而在不表达珠蛋白的细胞 中则高度甲基化。
诱导物 IPTG
基因“关闭”
复合物
O基因“开启”，结构基因开始表达
• 多顺反子mRNA是为两条或更多条多肽链编码的mRNA，在原核生 物中普遍存在。
• 正调控作用 ：
• CAP （分解代谢基因活化蛋白）结合位点：启动子上游（ RNA 聚合酶结合部位的上游）
• 只有当CAP与cAMP结合成复合物，才结合到DNA上。结合后有 推动RNA聚合酶前移作用。
-
+
-
-
+
-
CAP-cAMP
+
+
• 所谓基因“关闭”不是绝对的， 只是说基因表达水平 很低，存在基础表达速率。
• 通常，可诱导基因只具有较低的基础表达速率，在受到 诱导物的正调控时，其基因表达增加。如乳糖操纵子。