真核生物基因转录调控(修改)
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④ H3组蛋白巯基暴露
（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
三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件
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 （transcription start site，initiation site）以 及一个以上的功能组件。 TATA盒 GC盒（GGGCGG） CAAT盒（GCCAAT）
2)真核基因调节蛋白--转录因子 （transcription factor）
转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用 元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因 的转录，故称反式作用因子（trans-acting factor） (P259):能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核 心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。
顺式作用及顺式作用蛋白。
DNA
a
A
反式调节
B
mRNA 蛋白质A
A c
DNA mRNA
C
顺式调节
C
蛋白质C
３．DNA-蛋白质、蛋白质－蛋白质 相互作用
DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） 反式作用因子与顺式作用元件之间 的特异识别及结合。
DNA结合位点呈对称、或不完全对 称结构（见图）。
阻遏蛋白 pol 启动序列 操纵序列 编码序列
调节基因
Control element Structural genes
真核生物基因转录激活调节的DNA序 列——顺式作用元件
真核生物基因转录激活调节的DNA序列,由若干DNA序 列元件组成，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起， 因此被称为——顺式作用元件（cis-acting element） （P257）：可影响自身基因表达活性的DNA序列。
Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
原核与真核生物基因表达的 差异
Eukaryote
• DNA + histon
→chromatin • Repeptitive gene • Splitting gene • Post-transcription RNA processing Naked DNA Overlapping gene no intron
启动子序列是RNA聚合酶结合并 启动转录的特异DNA序列。
在转录起始点上游－１０及 －３５区域存在一些相似序列， 称为共有序列（consensus sequence）
－１０区域是TATAAT，又 称Pribnow盒（Pribnow box,TATA box） －３５区域为TTGACA。
操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA 没有乳糖存在时, lac ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ纵子处于阻遏状态。
阻遏蛋白
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
CAP的正性调节
CAP分子内有DNA结合 区及cAMP结合位点。 当没有葡萄糖及cAMP 浓度较高时，cAMP与 CAP结合而刺激RNA转 录活性； 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度降低，cAMP 与 CAP结合受阻， lac操纵子表达下降。
顺式作用元件(P255)
常见的有启动子(-30区TATA盒或Hogness box ， CAAT盒， GC盒)、增强子和沉默子。
２．调节蛋白
1)原核生物基因调节蛋白
阻遏蛋白（repressor）可结合特异DNA序 列——操纵序列，阻遏基因转录。 阻遏蛋白介 导负性调节机制。 激活蛋白（activator）可结合启动序列临近的 DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合， 增强RNA聚合酶的活性。
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
转录方向
负超螺旋
RNA-pol
正超螺旋
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
① 富含Lys组蛋白水平降低 ② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
上游启动子元件
核心启动子元件
非典型启动子：不含TATA盒，富含GC的启动子；既不含 TATA盒，也没有GC富含区。
顺式作用元件
２．增强子(enhancer) （P256）
指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA 序列。 远离转录起始点（１～３０kb）、决定基因的时 间、空间特异性表达、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。 增强子也是由若干功能组件——增强体 （enhanson）组成。在酵母基因，有一种类似高等增 强子样作用的序列，称为上游激活序列（upstream activator sequences，UAS）。
第八章 真核基因表达调控
Eukaryote gene expression regulation
目的要求
掌握基因表达的定义、特点、方式 掌握顺式作用元件和反式作用因子的概 念 理解真核和原核生物的基因表达和基因 表达调控相似和不同之处 掌握启动子、增强子和转录因子的概念、 结构、功能及其相互关系
DNA-蛋白质间通过碱基与氨基酸 的相互联系形成复合物。
蛋白质－蛋白质相互作用（proteinprotein interaction）
绝大多数调节蛋白结合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（ploymer） (eg. bZIP结构P262;bHLH结构P263)。 二聚化（dimerization）就是指两分子 蛋白质单体（monomer）通过一定结构域 结合成二聚体。 二聚体包括同二聚体（homodimer）， 异二聚体（heterodimer）。
启动子决定基因的基础转录 频率。
一些特异调节蛋白在适当环境信号 刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋 白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质 －蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性， 从而使基础转录频率发生改变。
诱导剂、 阻遏剂
诱导剂、阻遏剂等小分子信 号通过改变调节蛋白分子构 象影响基因表达。
第二节 真核基因转录调节
基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
转录
转录后
翻译 翻译后
㈡基因转录激活调节基本要素
１．特异DNA序列
原核生物操纵子 操纵子(operon)由结构基因
与启动子（promoter）、操 纵序列（operator）以及调 节基因组成。
HOX mutant
Antenna—leg
左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足
Bithorax mutant
果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）
五、基因表达调控的基本原理
㈠基因表达的多级调控 ㈡基因转录激活调节基本要素
㈠基因表达的多级调控(P238图7-1)
二、基因表达的时间性及空间性
基因表达有严格的规律性 时 间 特 异 性 （ temporal specificity ） 按功能需要，某一特定基因的 表达按特定的时间顺序发生。
基因表达的时间特异性与分化、 发育的阶段相一致，又称阶段 特异性（stage specificity）。
空间特异性（spatial specificity）
㈡诱导和阻遏表达
诱导（induction） 可诱导基因在特定环境信号刺激
下被激活，基因表达产物增加的过程。
阻遏（repression）可阻遏基因对环境信号应答时
被抑制，基因表达产物水平降低的过程。 ************************************************* 表达水平易随环境信号刺激而升高(诱导)或降低(阻遏) ， 波动大。 适应性表达（adaptive expression) 基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用外， 还通过其它调控序列中所含的特异反应元件接受其他机 制调节。
序言(introduction)
Central dogma
序言(introduction)
第一节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念
基因表达:从DNA到蛋白质的过程,就是基 因转录及翻译的过程。 基因表达的产物：蛋白质或RNA 细胞或生物体的全套遗传物质，称为基因 组（genome）。 在某一特定时期，基因组中通常只有部分 基因表达。
phosphorylation trans factor methylation glucosylation active form
一、真核基因组结构特点
（一） 真核基因组结构庞大
DNA 约 3 × 10 9 碱基对
哺乳类动物 基因组
编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10%
转录是在活化的染色质结构中进行的（P265）
（二）单顺反子(monocistron)
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。
（三）重复序列
多拷贝序列 高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列（一次或数次） 正相重复序列与反转重复序列(inverted repeat,5%)
三、基因表达的方式
㈠组成性表达（constitutive gene expression）
㈡诱导和阻遏表达( inducing and repressing expression)
㈠组成性表达（constitutive gene expression）
某些基因产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的。这类基因在一 个生物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）。 表达水平较恒定，波动小。这类基 因表达被视为基本的或组成性基因 表达。 表达只受启动序列或启动子与聚合 酶相互作用调节。
协调表达（coordinate expression）
功能上相关的一组基因，无论其为何种表达 方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表达， 即为协调表达。 这种调节称为协调调节（coordinate regulation）。
四、基因表达调控的生物学意义
㈠适应环境、维持生长和增殖 编码基因表达与否及水平决定 了细胞内某种功能的蛋白质分子有 或无、多或少等数量变化。 ㈡维持个体发育与分化 在同一生长发育阶段，不同组 织器官内蛋白质分子分布差异是调 节细胞表型的关键。
４．RNA聚合酶
１）启动子与RNA聚合酶活性：
启动子核苷酸序列会影响其 与RNA聚合酶的亲和力，直 接影响转录起动的频率。 真核RNA聚合酶单独存在时， 与启动子的亲和力极低或无 亲和力，必须与基本转录因 子形成复合物才能与启动子 结合。
RNA聚合酶
基本转录因子
（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性：
回顾
Prokaryote
transcription & translation
synchronizely
Eukaryote
• enhancer & silencer • monocistron
• m5C gene off
• acetylation
Prokaryote
Attenuater polycistron (operon)
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。 基因表达的空间特异性又 称 细 胞 特 异 性 （ cell specificity）或组织特异 性（tissue specificity）。
决定基因表达时间、空间特异性的分子基础
基因表达的时间、空间特异性由特异基 因的启动子（序列）和（或）增强子与调节 蛋白相互作用决定。
（四）基因不连续性（P243）
二、真核基因表达调控特点
（一）RNA聚合酶(P256)
真核RNA聚合酶有RNA PolⅠ、Ⅱ及Ⅲ。对PolⅡ催化的 mRNA转录来说，转录因子D(TFⅡD)起核心作用
二、真核基因表达调控特点
（二）活性染色体结构变化
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。
（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
三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件
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 （transcription start site，initiation site）以 及一个以上的功能组件。 TATA盒 GC盒（GGGCGG） CAAT盒（GCCAAT）
2)真核基因调节蛋白--转录因子 （transcription factor）
转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用 元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因 的转录，故称反式作用因子（trans-acting factor） (P259):能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核 心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。
顺式作用及顺式作用蛋白。
DNA
a
A
反式调节
B
mRNA 蛋白质A
A c
DNA mRNA
C
顺式调节
C
蛋白质C
３．DNA-蛋白质、蛋白质－蛋白质 相互作用
DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） 反式作用因子与顺式作用元件之间 的特异识别及结合。
DNA结合位点呈对称、或不完全对 称结构（见图）。
阻遏蛋白 pol 启动序列 操纵序列 编码序列
调节基因
Control element Structural genes
真核生物基因转录激活调节的DNA序 列——顺式作用元件
真核生物基因转录激活调节的DNA序列,由若干DNA序 列元件组成，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起， 因此被称为——顺式作用元件（cis-acting element） （P257）：可影响自身基因表达活性的DNA序列。
Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
原核与真核生物基因表达的 差异
Eukaryote
• DNA + histon
→chromatin • Repeptitive gene • Splitting gene • Post-transcription RNA processing Naked DNA Overlapping gene no intron
启动子序列是RNA聚合酶结合并 启动转录的特异DNA序列。
在转录起始点上游－１０及 －３５区域存在一些相似序列， 称为共有序列（consensus sequence）
－１０区域是TATAAT，又 称Pribnow盒（Pribnow box,TATA box） －３５区域为TTGACA。
操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA 没有乳糖存在时, lac ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ纵子处于阻遏状态。
阻遏蛋白
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
CAP的正性调节
CAP分子内有DNA结合 区及cAMP结合位点。 当没有葡萄糖及cAMP 浓度较高时，cAMP与 CAP结合而刺激RNA转 录活性； 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度降低，cAMP 与 CAP结合受阻， lac操纵子表达下降。
顺式作用元件(P255)
常见的有启动子(-30区TATA盒或Hogness box ， CAAT盒， GC盒)、增强子和沉默子。
２．调节蛋白
1)原核生物基因调节蛋白
阻遏蛋白（repressor）可结合特异DNA序 列——操纵序列，阻遏基因转录。 阻遏蛋白介 导负性调节机制。 激活蛋白（activator）可结合启动序列临近的 DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合， 增强RNA聚合酶的活性。
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
转录方向
负超螺旋
RNA-pol
正超螺旋
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
① 富含Lys组蛋白水平降低 ② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
上游启动子元件
核心启动子元件
非典型启动子：不含TATA盒，富含GC的启动子；既不含 TATA盒，也没有GC富含区。
顺式作用元件
２．增强子(enhancer) （P256）
指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA 序列。 远离转录起始点（１～３０kb）、决定基因的时 间、空间特异性表达、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。 增强子也是由若干功能组件——增强体 （enhanson）组成。在酵母基因，有一种类似高等增 强子样作用的序列，称为上游激活序列（upstream activator sequences，UAS）。
第八章 真核基因表达调控
Eukaryote gene expression regulation
目的要求
掌握基因表达的定义、特点、方式 掌握顺式作用元件和反式作用因子的概 念 理解真核和原核生物的基因表达和基因 表达调控相似和不同之处 掌握启动子、增强子和转录因子的概念、 结构、功能及其相互关系
DNA-蛋白质间通过碱基与氨基酸 的相互联系形成复合物。
蛋白质－蛋白质相互作用（proteinprotein interaction）
绝大多数调节蛋白结合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（ploymer） (eg. bZIP结构P262;bHLH结构P263)。 二聚化（dimerization）就是指两分子 蛋白质单体（monomer）通过一定结构域 结合成二聚体。 二聚体包括同二聚体（homodimer）， 异二聚体（heterodimer）。
启动子决定基因的基础转录 频率。
一些特异调节蛋白在适当环境信号 刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋 白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质 －蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性， 从而使基础转录频率发生改变。
诱导剂、 阻遏剂
诱导剂、阻遏剂等小分子信 号通过改变调节蛋白分子构 象影响基因表达。
第二节 真核基因转录调节
基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
转录
转录后
翻译 翻译后
㈡基因转录激活调节基本要素
１．特异DNA序列
原核生物操纵子 操纵子(operon)由结构基因
与启动子（promoter）、操 纵序列（operator）以及调 节基因组成。
HOX mutant
Antenna—leg
左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足
Bithorax mutant
果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）
五、基因表达调控的基本原理
㈠基因表达的多级调控 ㈡基因转录激活调节基本要素
㈠基因表达的多级调控(P238图7-1)
二、基因表达的时间性及空间性
基因表达有严格的规律性 时 间 特 异 性 （ temporal specificity ） 按功能需要，某一特定基因的 表达按特定的时间顺序发生。
基因表达的时间特异性与分化、 发育的阶段相一致，又称阶段 特异性（stage specificity）。
空间特异性（spatial specificity）
㈡诱导和阻遏表达
诱导（induction） 可诱导基因在特定环境信号刺激
下被激活，基因表达产物增加的过程。
阻遏（repression）可阻遏基因对环境信号应答时
被抑制，基因表达产物水平降低的过程。 ************************************************* 表达水平易随环境信号刺激而升高(诱导)或降低(阻遏) ， 波动大。 适应性表达（adaptive expression) 基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用外， 还通过其它调控序列中所含的特异反应元件接受其他机 制调节。
序言(introduction)
Central dogma
序言(introduction)
第一节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念
基因表达:从DNA到蛋白质的过程,就是基 因转录及翻译的过程。 基因表达的产物：蛋白质或RNA 细胞或生物体的全套遗传物质，称为基因 组（genome）。 在某一特定时期，基因组中通常只有部分 基因表达。
phosphorylation trans factor methylation glucosylation active form
一、真核基因组结构特点
（一） 真核基因组结构庞大
DNA 约 3 × 10 9 碱基对
哺乳类动物 基因组
编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10%
转录是在活化的染色质结构中进行的（P265）
（二）单顺反子(monocistron)
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。
（三）重复序列
多拷贝序列 高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列（一次或数次） 正相重复序列与反转重复序列(inverted repeat,5%)
三、基因表达的方式
㈠组成性表达（constitutive gene expression）
㈡诱导和阻遏表达( inducing and repressing expression)
㈠组成性表达（constitutive gene expression）
某些基因产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的。这类基因在一 个生物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）。 表达水平较恒定，波动小。这类基 因表达被视为基本的或组成性基因 表达。 表达只受启动序列或启动子与聚合 酶相互作用调节。
协调表达（coordinate expression）
功能上相关的一组基因，无论其为何种表达 方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表达， 即为协调表达。 这种调节称为协调调节（coordinate regulation）。
四、基因表达调控的生物学意义
㈠适应环境、维持生长和增殖 编码基因表达与否及水平决定 了细胞内某种功能的蛋白质分子有 或无、多或少等数量变化。 ㈡维持个体发育与分化 在同一生长发育阶段，不同组 织器官内蛋白质分子分布差异是调 节细胞表型的关键。
４．RNA聚合酶
１）启动子与RNA聚合酶活性：
启动子核苷酸序列会影响其 与RNA聚合酶的亲和力，直 接影响转录起动的频率。 真核RNA聚合酶单独存在时， 与启动子的亲和力极低或无 亲和力，必须与基本转录因 子形成复合物才能与启动子 结合。
RNA聚合酶
基本转录因子
（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性：
回顾
Prokaryote
transcription & translation
synchronizely
Eukaryote
• enhancer & silencer • monocistron
• m5C gene off
• acetylation
Prokaryote
Attenuater polycistron (operon)
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。 基因表达的空间特异性又 称 细 胞 特 异 性 （ cell specificity）或组织特异 性（tissue specificity）。
决定基因表达时间、空间特异性的分子基础
基因表达的时间、空间特异性由特异基 因的启动子（序列）和（或）增强子与调节 蛋白相互作用决定。
（四）基因不连续性（P243）
二、真核基因表达调控特点
（一）RNA聚合酶(P256)
真核RNA聚合酶有RNA PolⅠ、Ⅱ及Ⅲ。对PolⅡ催化的 mRNA转录来说，转录因子D(TFⅡD)起核心作用
二、真核基因表达调控特点
（二）活性染色体结构变化
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。