第十三章 基因表达的调控

第十三章基因表达的调控Regulation of gene expression一、授课章节及主要内容：第十三章基因表达的调控二、授课对象：临床医学、预防、法医（五年制）、临床医学（七年制）三、授课学时本章共３学时，第一学时讲述基因表达调控的基本概念、原理，第二学时讲述原核生物转录调节，第三学时讲述真核生物转录调节、小结。

四、教学目的与要求通过本章学习应该掌握基因表达调控的基本原理、原核生物转录调控模式、真核生物基因表达特点，了解基因表达的时空性及表达方式，原核生物与真核生物基因表达调控异同点。

五、重点与难点重点：掌握基因表达、顺式作用元件、反式作用因子的概念。

掌握原核生物操纵子模型调节机制，重点掌握乳糖操纵子。

掌握真核生物转录水平的调节、顺式作用元件的分类、反式作用因子的分类、掌握RNA pol II转录起始、终止的调节。

难点：真核RNA pol II转录起始、终止的调节。

六、教学方法及授课大致安排启发式教学，复习、提问、讲解、小结相结合。

首先复习中心法则，然后提问：遗传信息的传递如何控制，有什么规律？重点讲述基因表达调控的原理、原核生物的转录调控模式，最后进行小结，并出几个思考题。

七、主要外文专业词汇基因组（genome）时间特异性（temporal specificity）基因表达（gene expression）阶段特异性（stage specificity）管家基因（housekeeping gene）组成性基因表达（constitutive gene expression）诱导（induction）阻遏（repression）协调调节（coordinate regulation）操纵子（operon）编码序列（coding sequence）启动序列（promoter）操纵序列（operator）顺式作用元件（cis-acting element）阻遏蛋白（repressors）反式作用因子（trans-acting fctors）分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein，CAP）热休克反应（heat shock response）衰减（attenuation）反义控制（antisense control）人类基因组计划（human genome project, HGP）单顺反子（monocistron）增强子（enhancer）沉默子（silencer）酸性激活域（acidic activation domain）DNA结合域（DNA binding domain）转录激活域（activation domain）碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper, bZIP）碱性螺旋─环─螺旋（basic helix-loop-helix, bHLH锌指（zinc finger）脯氨酸富含域（proline-rich domain）RNA干扰（RNA interference，RNAi）RNA诱导的沉默复合物（RNA-induced silencing complex，RISC）八、思考题1．名词解释：阻遏、诱导、启动子、操纵子、反式作用因子、顺式作用元件2．基因转录调节的基本原理。

3. 简述乳糖操纵子基因表达的正、负调控。

4. 转录调节因子的分类。

5. 转录调节因子的结构特征有哪些？6. 真核RNA pol II转录终止的调节。

7. 真核生物翻译后的调节九、教材与教具：人民卫生出版社《生物化学》第六版十、授课提纲(或基本内容)第13章基因的表达调控Regulation of gene exprssion主要内容：20世纪50年代末，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构学说和“中心法则”，并用分子结构特征解释了生命现象的基本问题：DNA采取半保留的方式进行复制，基因信息经过转录、翻译产生有功能的蛋白质。

中心法则虽然阐明了DNA与蛋白质合成的关系，揭示了基因型与表型、遗传与代谢的关系，使人们从分子水平上了解到遗传对代谢的控制；了解到一切生理、病理现象都是直接或间接地受到遗传基因的控制。

但它仅仅是揭开了生命现象的一部分本质而不是全部。

60年代，Monod和Jacob提出了操纵子学说，扩大了基因的概念，人们开始认识除了有能编码蛋白质一级结构的这么一类基因外，还有具备其他功能的基因，从而开辟了基因表达调控研究的新领域。

近年来，生命科学研究揭示：一切生命现象从生物的遗传和变异到生物体的生长、发育、繁殖、分化以及包括癌变在内的许多疾病发生，都与基因表达调控有关。

由此形成了众多的热点探索课题。

本章主要讲述一些基本概念和基本原理和认识比较清楚的原核生物转录调控模式——操纵子模式，简单介绍真核生物转录调控特点。

第一节基因表达调控基本概念与原理Basic Concepts and Principle ofRegulation of gene exprssion一、基因表达的概念（一）基因（GENE）从遗传学角度讲，基因（gene）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；从分子生物学角度看，基因是负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括由DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成的DNA区域。

cDNA (complementory DNA) 是人为地由mRNA通过反转录而得（自然界RNA病毒感染宿主也可进行此种方式的DNA合成），即与mRNA互补的DNA，人们习惯地也将其称为“基因”，它不含基因转录的调控序列，但含翻译调控及多肽链的编码序列。

（二）基因组（genome）基因组（genome）是指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。

对所有原核细胞（如细菌）和噬菌体而言，它们的基因组就是单个的环状染色体所含的全部基因；对真核生物而言，基因组就是指一个生物体的染色体所包含的全部DNA，通常又称为染色体基因组或核基因组。

真核细胞还有线粒体或叶绿体基因组。

（三）基因表达（gene expression）：包括基因的转录和翻译两个过程。

在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于开放状态，有些基因只在某些条件下才表达，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型，以适应环境、生长发育的需要，因此基因表达是受调控的。

rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。

二、基因表达的特异性无论是高等生物还是低等生物，基因表达都是有规律的，即表现为基因表达的时间特异性和空间特异性。

（一）时间特异性（temporal specificity）：指的是根据功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。

如高等生物从一个受精卵开始发育到组织、器官形成，每一个阶段均有相应的基因开放、关闭，表现为与分化、发育相一致的时间特异性。

（二）空间特异性（spatial specificity）：在多细胞生物的个体某一发育生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达的量不同，在同一生长阶段，不同基因表达产物在不同组织器官的分布也不同，这种在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，就是基因表达的空间特异性，这种特异性实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此又称为细胞或组织特异性。

三、基因表达的方式由于生物遗传背景、生活环境不同，不同的基因功能也不同对各种刺激的反应性也不相同，因此基因表达的方式或调节类型有很大差异。

（一）基本表达１．管家基因（housekeeping gene）：某些基因在一个生物个体几乎所有细胞中持续表达，称之为管家基因。

如编码催化三羧酸循环反应的酶的基因、细胞骨架蛋白b-actin基因等。

２．组成性表达（constitutive gene expression）：管家基因的表达无论高低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表达。

（二）诱导（induction）和阻遏(repression)表达:1.与管家基因相反，一些基因极易受环境变化影响。

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，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。

2.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降低的过程称为阻遏。

诱导和阻遏表达是生物适应环境的基本途径，在生物界普遍存在。

3.在生物体内，一个代谢途径由一系列反应组成，需要多种酶或多种蛋白质参与，为了确保代谢有条不紊的进行，功能上相关的一组基因，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）。

四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化第二节基因表达调控的基本原理Basic Principle ofRegulation of gene exprssion一、基因表达调控的多层次和复杂性基因表达调控的多层次主要指：基因水平的激活，包括基因组DNA的部分扩增（amplification）、DNA重排(rearangement)、以及DNA甲基化(methylation)等均可在DNA水平上影响基因表达。

转录水平的调节，包括转录起始、转录后加工、mRNA的稳定性等方面的调节。

翻译水平的调节、包括翻译及翻译后加工修饰、蛋白质降解等。

但转录水平，尤其是转录起始水平的调节，是基因表达的基本控制点。

二、基因转录激活调节的基本要素（一）特异的DNA序列：指具有调控功能的DNA序列。

如原核生物，操纵子调控模式是主要调控模式。

所谓操纵子（operon），是由２个以上的编码序列与启动序列（promoter）、操纵序列（operator）以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成的原核转录单位（见图13－1）。

其中启动序列、操纵序列就是具有调控功能的特异的DNA序列。

其中启动序列是与RNA酶结合并启动转录的特异DNA序列，一般位于转录起始点上游的-10bp、-35bp区，各种原核生物都具有的相似的一些共有序列（consensus sequence），五种Ｅ.coli的共有序列，-35区的-TTGACA-，-10bp区的pribnow box，-TA TAAT-。

这些共有序列的任何一个碱基突变都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始，决定启动序列的转录活性大小。

操纵序列是原核生物阻遏蛋白的结合位点，阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合或RNA聚合酶前移，介导负性调控。

还有一些DNA序列，可结合激活蛋白，增强RNA聚合酶的活性，介导正性调控。

图13－1 操纵子真核生物的基因转录激活调节的DNA序列比较复杂。