基因表达调控PPT课件
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第八章真核基因表达调控ppt课件
Κ型和λ型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是 不同的。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
在小鼠中，95%的抗体轻链是κ型，而人类抗体 轻链中，κ型和λ型各占50%左右。
人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数
免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达
酵母交配型转换
8.1.4 DNA甲基化与基因调控
A. DNA的甲基化 DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、
启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受 抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说，稀少的 甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动 子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可 以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度，即 使增强后的启动子仍无转录活性。
P295, Fig. 8-15
C. DNA甲基化与X染色体失活
A、螺旋-转折-螺旋（helix-turn-helix, H-T-H） 结构。这一类蛋白质分子中有至少两个α螺旋，中 间由短侧链氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的 α螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA 双螺旋大沟中的结合。
同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟 相结合，其N端的多余臂部分则与DNA的小沟相
选择性剪接
➢ 原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同 的mRNA，并翻译成不同蛋白质； ➢有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的 多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构， 产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。 ➢同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程称为选择性剪接。
本章主要内容提要
1.真核生物的基因结构与转录活性； 2.真核基因转录机器的主要组成； 3.蛋白质磷酸化对基因转录的调控； 4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响； 5.激素与热激蛋白对基因表达的影响； 6.其他水平上的表达调控。
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是原核生物中几个功能相关的 结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协 同单位。操纵子的本质是DNA序列。
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
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)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
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)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
真核生物的基因表达调控ppt(共59张PPT)
在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础转录因 子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有：增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件；参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录 因子，它们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达，而阻遏蛋白与沉默子结合 ，抑制基因的表达，某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为 阻遏蛋白其作用，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作 用而行使功能，作用方式包括：招募其它转录因子和携带修饰酶（ 如激酶或乙酰基转移酶）到转录复合物而刺激激活蛋白的活性；辅 阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点，但同样通过蛋白质与蛋白质的相互 作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的激活位点、作为负 别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶（如磷酸酶或组蛋白去乙 酰基酶）的活性。
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更有效 和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真核生物基 因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要在不同的生长 时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 ，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平 上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层次是真核生物特有 的，比如染色质水平、RNA后加工水平和mRNA运输等；
调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子，但真核 生物一般无操纵子结构。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核生物 DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转录的“默认 状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控，而真核生 物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控机制主要是通过激活蛋白进行 的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响到基因 的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所在位置的染色 质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位是核小体，因此，染 色质结构的改变是从核小体的变化开始的，而核小体的变化是从组蛋白 的共价修饰和去修饰开始的。
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
14
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
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全球第一例中国人标准基因组序列图谱的一部分
基因表达
是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。
（激活）
基因表达调控
（功能及形态表型）
控制基因表达的调节机制，细胞或生物体在接受 内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在
基因表达水平做出应答的分子机制。
例如：人类基因组含2-2.5万个编码基因，在某一特定时 期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态。
① 真核基因组比原核基因组大得多 ② 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺
乳 类 基 因 组 中 只 有 10% 的 序 列 编 码 蛋 白 质 、 rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量 的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 ③ 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录 后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达 调控的层次
④ 原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子 mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制； 而真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA ， 即 mRNA 是 单 顺 反 子 （ monocistron ） ，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同 亚基也将涉及到多个基因的协调表达
⑤ 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构 成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；
整理
❖ 掌握操纵子的概念。 ❖ 掌握乳糖操纵子的结构，阻遏蛋白的负性调
节，CAP的正性调节，协调调节。 ❖ 了解原核基因表达转录终止阶段的调控机制。 ❖ 了解原核基因表达翻译水平的调控。
第四节
真核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Eukaryote
一、真核细胞基因表达的特点
➢ 共有序列决定启动序列的转录活性大小。
2.操纵元件
❖ 操纵元件是一段能被特异阻遏蛋白识别和结 合的DNA序列。
调节序列
编码序列
其他调节基因
启动子 操纵元件 (promoter) (operator)
阻遏蛋白
3.调节基因
调节基因（regulatory gene）编码能够与操纵 序列或其它调节元件结合的调控蛋白，可以分为 三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
时间特异性 （阶段特异性）
基因表达按一定的时间顺序发生 例：霍乱弧菌 44种上调，193种受抑制
AFP基因 胎儿肝细胞表达活跃 成人很低
空间特异性
（组织或细胞特异性）
多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在 不同的组织器官表达不同 例：胰岛素基因 胰岛B细胞，
遏表达的概念。 ❖ 了解基因表达调控的多层次和复杂性。
第二节
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
原核生物基因组结构特点
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
① 基因组中很少有重复序列； ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单
⑥ 真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还 存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的 表达调控既相互独立而又需要协调。
➢真核生物基因表达的多层次复杂调控
二、染色质结构与真核基因表达密切相关
（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
➢活性染色质 (active chromatin) 具有转录活性的染色质
❖ 多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了 几个多肽链的编码信息
1.启动子
➢ 启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位， 是决定基因表达效率的关键元件。
➢ 各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录 起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称 为共有序列。
➢ E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域 是TATAAT，在-35区域为TTGACA
❖ 富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低 ❖ H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加，
从核小体中置换出来。 ❖ H3、H4可发生乙酰化、磷酸化及泛素化
修饰，核小体结构变的松弛和不稳定，核 小体对DNA亲和力下降，易于转录。
组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
组蛋白 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 H4
β -半乳糖苷酶
-1,6糖苷键 异乳糖
乳糖
有乳糖存在时
2、CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
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（低）转录活性。
三、原核生物具有不同的转录终止 调节机制
（一）依赖Rho因子的转录终止
常见于噬菌体中，结构特点不清楚。
（二）不依赖Rho因子的转录终止
终止子结构特点：
➢ 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸；
➢ 下游含一系列T序列。
四、原核生物在翻译水平受到 多个环节的调节
（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动 序列周围进行自我调节
基因表达调控
•虽然存在于多细胞生物体内的每个体细胞的遗传信息 是相同的 ,但每个细胞（蛋白质）生物学功能呈现多样 化、显著的差异。 ——为什么？
外界的信息
感知
细胞内的 信号转导
基因的表达呈开 放或增强，有些 则成关闭或下降
特定信号的刺激
第一节
基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
➢ 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体 识别翻译起始区，从而阻断翻译。
➢ 调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身 的合成，称自我控制(autogenous control)。
（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位互 补序列对翻译进行调节
细菌中含有与特定mRNA翻译起始部 位 互 补 的 RNA ， 通 过 与 mRNA 杂 交 阻 断 30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序 列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为 反义控制(antisense control)。
肌浆蛋白 胶原纤维而非纤维细胞。
三、基因表达的方式及调节存在很大的差异
基本（或组成性）表达
有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
例如：三羧酸循环是一中枢代谢途径，催化该 途径各阶段反应的酶的编码基因就属管家基因
适应性表达
激活 激活 防止Lys-9的甲基化 端粒沉默
装配 装配 核小体装配 Fly X激活
➢ 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括 两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直 接影响染色质或核小体的结构，以及化学修 饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其 他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。 这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。
例：某一代谢途径的相关酶 （糖原合成与分解）
四、基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多水平调控
基因激活等
蛋白质翻译
转录起始
（microRNA）
转录后加工 mRNA降解
调控点
翻译后加工修饰 及蛋白质降解
转录水平的调控是基因表达 的最主要和重要的调控步骤
五、基因表达调控为生物体生长、 发育所必需
➢超敏位点（hypersensitive site) 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶
（如DNase I）高度敏感的位点
(二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变
组蛋白结构及其化学修饰
（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核 小体，形 成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体
转录活跃区域染色体的组蛋白特点：
1.适应环境、维持生长和增殖
例如： (1)G↑→细菌利用G酶增加，其他的糖代谢相关酶关闭； (2)乳糖↑、G↓→乳糖代谢相关酶编码基因表达； (3)饮酒→醇氧化酶基因表达→醇氧化酶活性↑。
2.维持细胞分化与个体发育
当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器 官的发育异常。
整理
❖ 掌握基因表达的概念。 ❖ 了解基因表达的时间特异性和空间特异性。 ❖ 熟悉管家基因、基因组成性表达、诱导和阻
（三） CpG岛甲基化水平降低
➢ CpG岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并 不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个 基 因 组 中 ， 人 们 将 这 些 GC 含 量 可 达 60% ， 长 度 为 300-3000bp 的 区 段 。 （ 60% 基 因 启 动 子 含 CpG 岛 ， 管家基因甲基化较低）
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)。
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
图18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
氨基酸残基位点 Lys-4 Lys-9 Lys-9 Lys-9 Ser-10 Lys-14 Lys-79 Arg-3 Lys-5 Lys-12 Lys-16 Lys-16
修饰类型 甲基化 甲基化 甲基化 乙酰化 磷酸化 乙酰化 甲基化 甲基化 乙酰化 乙酰化 乙酰化 乙酰化
基因表达
是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。
（激活）
基因表达调控
（功能及形态表型）
控制基因表达的调节机制，细胞或生物体在接受 内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在
基因表达水平做出应答的分子机制。
例如：人类基因组含2-2.5万个编码基因，在某一特定时 期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态。
① 真核基因组比原核基因组大得多 ② 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺
乳 类 基 因 组 中 只 有 10% 的 序 列 编 码 蛋 白 质 、 rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量 的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 ③ 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录 后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达 调控的层次
④ 原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子 mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制； 而真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA ， 即 mRNA 是 单 顺 反 子 （ monocistron ） ，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同 亚基也将涉及到多个基因的协调表达
⑤ 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构 成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；
整理
❖ 掌握操纵子的概念。 ❖ 掌握乳糖操纵子的结构，阻遏蛋白的负性调
节，CAP的正性调节，协调调节。 ❖ 了解原核基因表达转录终止阶段的调控机制。 ❖ 了解原核基因表达翻译水平的调控。
第四节
真核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Eukaryote
一、真核细胞基因表达的特点
➢ 共有序列决定启动序列的转录活性大小。
2.操纵元件
❖ 操纵元件是一段能被特异阻遏蛋白识别和结 合的DNA序列。
调节序列
编码序列
其他调节基因
启动子 操纵元件 (promoter) (operator)
阻遏蛋白
3.调节基因
调节基因（regulatory gene）编码能够与操纵 序列或其它调节元件结合的调控蛋白，可以分为 三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
时间特异性 （阶段特异性）
基因表达按一定的时间顺序发生 例：霍乱弧菌 44种上调，193种受抑制
AFP基因 胎儿肝细胞表达活跃 成人很低
空间特异性
（组织或细胞特异性）
多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在 不同的组织器官表达不同 例：胰岛素基因 胰岛B细胞，
遏表达的概念。 ❖ 了解基因表达调控的多层次和复杂性。
第二节
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
原核生物基因组结构特点
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
① 基因组中很少有重复序列； ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单
⑥ 真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还 存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的 表达调控既相互独立而又需要协调。
➢真核生物基因表达的多层次复杂调控
二、染色质结构与真核基因表达密切相关
（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
➢活性染色质 (active chromatin) 具有转录活性的染色质
❖ 多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了 几个多肽链的编码信息
1.启动子
➢ 启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位， 是决定基因表达效率的关键元件。
➢ 各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录 起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称 为共有序列。
➢ E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域 是TATAAT，在-35区域为TTGACA
❖ 富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低 ❖ H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加，
从核小体中置换出来。 ❖ H3、H4可发生乙酰化、磷酸化及泛素化
修饰，核小体结构变的松弛和不稳定，核 小体对DNA亲和力下降，易于转录。
组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响
组蛋白 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 H4
β -半乳糖苷酶
-1,6糖苷键 异乳糖
乳糖
有乳糖存在时
2、CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
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（低）转录活性。
三、原核生物具有不同的转录终止 调节机制
（一）依赖Rho因子的转录终止
常见于噬菌体中，结构特点不清楚。
（二）不依赖Rho因子的转录终止
终止子结构特点：
➢ 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸；
➢ 下游含一系列T序列。
四、原核生物在翻译水平受到 多个环节的调节
（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动 序列周围进行自我调节
基因表达调控
•虽然存在于多细胞生物体内的每个体细胞的遗传信息 是相同的 ,但每个细胞（蛋白质）生物学功能呈现多样 化、显著的差异。 ——为什么？
外界的信息
感知
细胞内的 信号转导
基因的表达呈开 放或增强，有些 则成关闭或下降
特定信号的刺激
第一节
基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
➢ 调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体 识别翻译起始区，从而阻断翻译。
➢ 调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身 的合成，称自我控制(autogenous control)。
（二）反义RNA结合mRNA翻译起始部位互 补序列对翻译进行调节
细菌中含有与特定mRNA翻译起始部 位 互 补 的 RNA ， 通 过 与 mRNA 杂 交 阻 断 30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序 列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为 反义控制(antisense control)。
肌浆蛋白 胶原纤维而非纤维细胞。
三、基因表达的方式及调节存在很大的差异
基本（或组成性）表达
有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
例如：三羧酸循环是一中枢代谢途径，催化该 途径各阶段反应的酶的编码基因就属管家基因
适应性表达
激活 激活 防止Lys-9的甲基化 端粒沉默
装配 装配 核小体装配 Fly X激活
➢ 组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括 两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直 接影响染色质或核小体的结构，以及化学修 饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其 他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。 这些理论构成了“组蛋白密码”的假说。
例：某一代谢途径的相关酶 （糖原合成与分解）
四、基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多水平调控
基因激活等
蛋白质翻译
转录起始
（microRNA）
转录后加工 mRNA降解
调控点
翻译后加工修饰 及蛋白质降解
转录水平的调控是基因表达 的最主要和重要的调控步骤
五、基因表达调控为生物体生长、 发育所必需
➢超敏位点（hypersensitive site) 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶
（如DNase I）高度敏感的位点
(二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变
组蛋白结构及其化学修饰
（a）组蛋白与DNA组成的核小体；（b）组蛋白的氨基端伸出核 小体，形 成组蛋白尾巴；（c）四种组蛋白组成的八聚体
转录活跃区域染色体的组蛋白特点：
1.适应环境、维持生长和增殖
例如： (1)G↑→细菌利用G酶增加，其他的糖代谢相关酶关闭； (2)乳糖↑、G↓→乳糖代谢相关酶编码基因表达； (3)饮酒→醇氧化酶基因表达→醇氧化酶活性↑。
2.维持细胞分化与个体发育
当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器 官的发育异常。
整理
❖ 掌握基因表达的概念。 ❖ 了解基因表达的时间特异性和空间特异性。 ❖ 熟悉管家基因、基因组成性表达、诱导和阻
（三） CpG岛甲基化水平降低
➢ CpG岛（CpG island) ：甲基化胞嘧啶在基因组中并 不是均匀分布，有些成簇的非甲基化CG存在于整个 基 因 组 中 ， 人 们 将 这 些 GC 含 量 可 达 60% ， 长 度 为 300-3000bp 的 区 段 。 （ 60% 基 因 启 动 子 含 CpG 岛 ， 管家基因甲基化较低）
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)。
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
图18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
氨基酸残基位点 Lys-4 Lys-9 Lys-9 Lys-9 Ser-10 Lys-14 Lys-79 Arg-3 Lys-5 Lys-12 Lys-16 Lys-16
修饰类型 甲基化 甲基化 甲基化 乙酰化 磷酸化 乙酰化 甲基化 甲基化 乙酰化 乙酰化 乙酰化 乙酰化