第13章基因表达调控

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
(Coordinate Expression)，这种调节称为
协调调节(Coordinate Regulation)。
四、基因表达调控为生物体生长、发育 所必需
（一）适应环境、维持生长和增殖 • 细菌的热应激反应 • 久居高原地区的居民平均 Hb 浓
诱导（induction）：可诱导基因在特定 环境信号刺激下表达增强的过程。
DNA损伤 →修复酶基因激活
乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达 阻遏（repression）：可阻遏基因在外界 环境变化时表达产物水平降低的过程 色氨酸 —色氨酸合成酶系表达被抑制
（三）生物体内不同基因的表达受 到协调调节
在一定机制控制下，功能上相关的
• 在分子生物学发展
过程中，人们对基 因概念和基因结构 的认识也不断地发 展，从而促进了对 基因表达及其调节 的进一步认识。
（二）基因组（genome）
Eukaryotic (Homo Sapiens) Prokaryotic (Escherichia)
Genome
来自一个生物体的一整套遗传物质。
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(temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶
段特异性(stage specificity)。
（二）空间特异性
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
不同的启动序列与RNA 聚合酶的亲和力不 同，亲和力大小直接影响转录的起动频率。不 同的启动序列RNA聚合酶的转录活性不同。
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然 后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚 合酶活性。如E.coli的σ因子就是一个特异调节蛋白
共有序列
C、 操纵序列
操纵序列（operator）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，当调控蛋白结合在操纵 子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。
以乳糖操纵子中的操纵序列为例，其操纵 序列（o）序列位于启动子（p）与被调控的基 因之间，部分序列与启动子序列重叠。
B
不同真核生物的顺式作用元件中也会
发 现 一 些 共 有 序 列 ， 如 TATA 盒 、
CAAT盒、GC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。
基 因 的 组 织 结 构 及 顺 式 作 用 元 件
不同基因具有各自特异的顺式作用元件。 常见的真核基因的顺式作用元件有：启动子
在转录起始点上游存在的一些具有调 控作用的相似序列称为共有序列 Consensus sequence
共有序列(consensus sequence) 的任一 碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启
动序列的结合及转录起始，因此共有序列
决定启动序列的转录活性大小。
5种E.coli启动序列的共有序列
-35区 trp
下持续表达，因此管家基因常被用于 分子生物学研究中作为其它基因表达 的参照。 最常用的此类管家基因有3-磷酸甘油 醛脱氢酶（GAPDH ）和肌动蛋白（ β-actin ）
• glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogease (GAPDH)
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（二）诱导和阻遏表达
这一类基因表达与否、表达强弱受外界 环境的影响。
（promoter）、增强子（enhancer）、沉
默子（silencer）等。
通常是非编码序列，但并非都位于转录起始
点上游。

典型的真核生物顺式作用元件 (cis-acting element)
修饰点
切离加尾
AATAAA
翻译起始点 转录起始点 增强子 TATA盒 OCT-1 CAAT盒 GC盒 内 含 子
度 升高
• 经常饮酒者酒量增加
（二）维持个体发育与分化
果蝇（Drosophila melanogaster）的发育
果蝇的同源异型基因突变，肢体发育异常
哺乳动物的胚胎发育
第二节
基因表达调控的基本原理
Basic Principles of Gene Expression Regulation
（一）基因表达调控的多层次和复杂性
空间特异性(spatial specificity)。
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(cell or tissue specificity)。
三、基因表达的方式存在很大差异
（一）基本基因表达
某些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)。如编码微管蛋白、 糖氧化酶系、核糖体蛋白等的基因。
A. 结构基因 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因
可称为结构基因(Structural Gene, SG)。
一个操纵子中含有2个以上的结构基因， 多的可达十几个。因此原核生物基因组
成为多顺反子。
E.Coli乳糖操纵子的结构基因
B. 启动序列 能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因
转录的一段DNA序列。操纵子至少有一 个启动序列，一般在第一个结构基因5＇ 侧上游，控制整个结构基因群的转录。
对一个基因编码产物---蛋白质来说：至 少有以下几个调控环节：
DNA 基因激活 拷贝数 重排 甲基化 RNA Protein 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
转录起始
转录后加工 mRNA降解
转录 转录后加工
mRNA降解
翻译
翻译后加工
蛋白质降解
蛋白质定向与运输
1.原核生物：基因组和染色体结构简单，转录 和翻译在同一时间和位置发生—— ☆基因调节主要在转录水平上进行。 2.真核生物：转录和翻译在时间、空间上被分
DNA
RNA
蛋白质
☆ rRNA、tRNA的合成也属于基因表达。
基因表达是受调控的。
在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有 一部分基因处于表达。仅少数的基因处于高水 平转录活性状态，其余大多数基因处于静息状 态或以极低的速率进行转录。但是在一定的条 件下可引发。
二、基因表达具有时间、空间特异性 （一）基因表达的时间特异性
调节蛋白如何识别DNA结合位点？
2）蛋白质－蛋白质相互作用：
• 通常形成二聚体，再作用于DNA。是调节蛋白
DNA时最常见的形式。
• 有的调节蛋白可形成多聚体
• 有的蛋白质形成二聚体或多聚体后，反而丧失结合
DNA的能力。在原核真核均有存在。
基本要素四：RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶 活性
隔开，且转录和翻译后都有复杂的信息加工过
程—— ☆基因表达在不同水平上都需要进行调节。
二、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。 基本要素：
1. 特异DNA序列
2. 转录调节蛋白 3. DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 4. RNA聚合酶
外显子 转录终止点
基本要素二：转录调节蛋白
(1)原核生物的调节蛋白分为三类：
特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的
特异性识别及结合能力。如：σ因子。
阻遏蛋白结合特异DNA序列－－操纵序列,抑制基
因转录。 激活蛋白结合启动序列临近的DNA序列，促 进 RNA聚合酶与启动序列结合，增强RNA聚合酶活性。
这些原核调节蛋白都是一些DNA结合蛋白．
(2)真核生物的调节蛋白(又称转录因子， transcription factors，TF) 反式作用蛋白（trans-acting factors）:
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识别、 结合反式激活其转录，调节其表达 。这 种调节作用称为反式作用。这种调节蛋白
操纵子模型的代表：E.coli 乳糖操纵子的结构
阻遏蛋白 + 负调控
真核生物的特异DNA序列
1) 顺式作用元件(cis-acting element) ——位于编码基因两侧，可影响自身基因 表达活性的DNA序列
转录起始点
DNA B A
RNA聚合酶Ⅱ
编码序列
mRNA
DNA A mRNA
转录起始点
RNA聚合酶Ⅱ
第十三章 基因表达调控
Chapter13 Gene Expression Regulation
第一节 基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
（一）基因（gene）是负载特定遗传信息
的DNA功能片段。能编码产生多肽链 或RNA。
无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，只受启动子与RNA聚合酶相 互作用影响。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 基本（或组成性）基因表达(constitutive
gene expression)。
•
管家基因高度保守并且在大多数情况
原核生物: 其环状基因组中的全部基因，还包 括负责编码遗传性状的质粒。 真核生物：单倍体细胞中的全部基因，还包括
线粒体和叶绿体基因。
（三）基因表达(gene expression)
——基因转录及翻译的过程。即： 生成具有生物学功能产物的过程。
中心法则(the central dogma)：
RNA 复制 复制 转录 逆转录 翻译
称反式作用蛋白或反式作用因子。
顺式作用蛋白： 有些基因产物特异识别并结合自身基因
的调节序列，调节自身基因的开启或关闭称顺
式作用，这种调节蛋白称顺式作用蛋白。
DNA
a
反式调节
A
mRNA 蛋白质A
b
A
c
DNA mRNA
C
顺式调节
C
图13-3 反式与顺式作用蛋白
蛋白质C
基本要素三：DNA - 蛋白质、
正常
σ70， RNA聚合酶结合一般启动序列
高温
σ32，RNA聚合酶结合热休克基因启动序列
第三节 原核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
• 在转录起始阶段，σ亚基（又称σ因子）识别
特异启动序列；不同的σ因子决定特异编码基
因的转录激活，也决定不同RNA（mRNA、
rRNA和tRNA）基因的转录。
• σ亚基在转录延长时脱落。
一些σ因子调控的基因: σ32 调控热休克基因 σ54调控氮代谢基因 σF 调控鞭毛基因 σ43 调控噬菌体感染枯草杆菌 (B.subtilis)
• 噬菌体SPO1感染宿主细胞（枯草杆菌）的过程中，
基本要素一：特异DNA序列
--------指具有调节功能的DNA序列
原核生物的特异DNA序列
—— 操纵子(operon)
操纵子定义：原核生物基因组中，能转录出
一条mRNA的几个功能相关的结构基因及其
的调控区域，称为一个操纵子(Operon)。
组成：结构基因----2个以上的编码序列 启动序列----RNA聚合酶辨认、结合 操纵序列----（Operator) 调节序列---- 如编码阻遏蛋白的序列 终止序列— 依赖、和不依赖ρ因子
tRNATyr
-10区
N17
N16 N17 N16 N16
RNA转录起始
TTGACA
TTTACA TTTACA
TTAACT
TATGAT TATGTT TATAAT TACTGT TATAAT
N7
N7 N6 N7 N6
A
A A A A
lac recA
Ara BAD
TTGATA
CTGACG TTGACA
蛋白质-蛋白质的相互作用。
(1) DNA - 蛋白质相互作用通常指的是 反式作用因子与顺式作用元件之间的特异 识别及结合。一般是非共价结合，被识别 的DNA结合位点呈对称、或不完全对称结
构。
当调节蛋白落入DNA的大沟或小沟时，调节蛋白的 某些氨基酸残基（R基团）就会与 DNA中的某些碱基相 互联系，形成DNA—蛋白质复合物。
D、 调控基因
调控基因(regulatory gene)是编码能与操 纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有：
阻遏蛋白(repressive protein)：与操 纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转 录，其介导的调控方式为负调控。
激活蛋白(activating protein)：与操纵 区结合后能增强或启动其调控的基因转录， 所介导的调控方式为正调控。