第十三章.基因表达调控

三、原核生物转录终止调节
依赖Rho因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止 转录衰减 (transcriptional attenuation)
—— 过早终止
四、原核生物翻译水平调节
蛋白质分子的自我调节 自我控制(autogenous control)
——调节蛋白通过结合于自身mRNA的 靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始 区，从而阻断翻译
b. 调节蛋白与RNA聚合酶活性：
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， 使基础转录频率发生改变 诱导剂、阻遏剂等通过改变调节蛋白的分 子构象，直接或间接调节RNA聚合酶的转 录启动过程
第三节
原核基因表达调节
一、原核基因转录调节特点
σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
类型：高度重复序列（106次） 中度重复序列（103~106次） 单拷贝序列 特殊:反转重复序列（reverted repeat） ——由两个互补序列在同一DNA链上反向排 列而成
基因不连续性
结构基因两侧：非编码的调节序列 结构基因：外显子和内含子相间排列
二、真核基因表达调控特点
RNA聚合酶
(1) 由RNA-pol I、II和III分别负责三 种RNA的转录 (2) 与启动子的结合需多种转录因子的 协助
基因表达的空间特异性是机体组织分化的前提
三、基因表达的方式
基本表达(constitutive gene expression)
指生物体内某些基因在各个生长阶 段，能在大多数或几乎全部组织中持 续表达，而很少受到环境因素的影响
基因的组成性表达只受启动序列或启动子与 RNA聚合酶相互作用的影响，但表达水平 并非一成不变
无方向性
沉默子（silencer） 基因的负性调节元件，当其结合特 异蛋白因子时，对基因转录起阻遏 作用
反式作用因子(trans-acting factor) 1. 转录调节因子的分类 a. 基本转录因子
(general transcription factors) RNA聚合酶结合启动子所必需的一 组蛋白因子，决定三种RNA转录的 类别
反义RNA对翻译的调节作用 反义控制(antisense control) ——反义RNA含与特定mRNA翻译起始
部位互补的序列,能通过与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
第四节
真核基因表达调节
(Regulation of Eukaryotic Gene expression)
在多细胞生物中，从受精卵到组织、器官 形成的各个不同发育阶段，相应基因严格 按一定时间顺序开启或关闭，使基因表达 产物与分化、发育阶段表现一致。又称为 阶段特异性(stage specificity)。
空间特异性 (spatial specificity):
指基因表达的空间分布差异,即在个体某 一发育、生长阶段，某一基因只在特定 的细胞或组织中表达，或在不同的细胞 或组织中的表达量不同。
利用乳糖操纵子调节机制如何解释 上述现象？
分解代谢阻遏(catabolic repression) ——葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用
当葡萄糖浓度高时，cAMP浓度降低， cAMP与CAP的结合受阻，lac操纵子 的表达下降
3. 协调调节
a. 正性调节和负性调节相互协调 b. 在缺乏葡萄糖又存在乳糖的情况下， lac操纵子表现出最强的转录活性
DNA-蛋白质相互作用
——指反式作用因子与顺式作用元件 之间的特异识别及结合
蛋白质-蛋白质相互作用
—— 调节蛋白的单体通过蛋白质-蛋白 质之间的相互作用，形成二聚体或 多聚体，才具备结合DNA的功能
a. 启动序列/启动子与RNA聚合酶活性：
启动序列或启动子的核苷酸序列差异影响它 们与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力的大 小直接影响转录起动的频率
一、真核基因组结构特点
真核基因组结构庞大
举例: 哺乳动物基因组DNA (约含3万~4万个基因) 其中: 约6%的编码基因 5%~10%的重复基因 80~90%无直接的遗传功能
单顺反子（monocistron)
一个编码基因转录生成一个mRNA分子， 并只为一个蛋白质编码
重复序列 (repeated consequences)
活性染色质结构变化
(1) 对核酸酶敏感 超敏位点在调节蛋白结合位点附近 (2) DNA拓扑结构的变化
(3) DNA碱基修饰变化： 胞嘧啶的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的组蛋白水平降低 ② H2A-H2B二聚体不稳定性增加 ③ 组蛋白H3、H4的共价修饰
正性调节占主导
共有序列是TATAAAA，通常位于转录起 始点上游-25~-30bp，主要控制转录起始的 准确性及频率
b. GC盒和CAAT盒
共有序列分别是GGGCGG和GCCAAT， 通常位于转录起始点上游-30~-110bp区域， 主要影响转录起始的效率
启动子的特点
对方向和位置都有严格要求，特别是 TATA盒，只有5’-3’方向才能发挥作用 对与转录起始点的间隔距离也有严格 要求
rRNA基因的启动子
a. 核心元件(core element) 单独存在时即可启动转录 b. 上游控制元件 (upstream control element, UCE) 可显著提高转录起始效率
转录因子
a. 上游结合因子1
(upstream binding factor 1, UBF1)
特异结合核心元件和UCE b. 选择性因子1
转录的特异DNA序列
共有序列(consensus sequence) ——
决定基因转录活性的大小，其中任一碱 基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启 动子序列的结合及转录起始
b. 操纵序列：阻遏蛋白的结合位点
当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍RNA 聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录。
在一定机制控制下，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。 协调调节(coordinate regulation)
四、基因表达调控的生物学意义
适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化
第二节
基因表达调控的基本原理
一、基因表达调控的多层次和复杂性
转录水平：基因激活
(selectivity factor 1, SL1)
与启动子元件的结合无序列特异 性，需依赖UBF1的协助
(二)RNA-pol III转录体系的控制
tRNA和5S rRNA基因的启动子
——位于转录起始点下游即转录区 内，称内部控制区 (internal control region, ICR)
tRNA基因的转录起始
cDNA (complementary DNA)
由mRNA反转录而来，即与mRNA互 补的DNA，含编码多肽链的序列和翻 译调控序列，但不含基因转录的调控 序列
基因组(genome)
指来自一个遗传体系的一整套遗传信 息或整套基因
原核生物:单个的环状染色体所含的全部基因 真核生物:一个生物体的染色体所包含的全部 DNA，又称为染色体基因组
增强子（enhancer）
是一种远离转录起始点，能决定基因 的时间、空间特异性表达，显著增强 启动子转录活性的DNA序列，其发挥 作用的方式通常与方向、位置无关
增强子的特点： 与启动子的相对位置无关
增强子无论在启动子的上游或是下游，甚 至相隔几千个碱基对，只要存在与同一 DNA分子上都能对其起作用
序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结 合，增强RNA聚合酶活性
真核生物基因的调节蛋白 ——转录因子(transcription factors)
a. 反式作用因子: 由某一基因表达的蛋白
质，通过与特异的顺式作用元件相互作用 反式激活另一基因的转录 b.顺式作用蛋白: 可特异识别、结合自身基 因的调节序列，调节自身基因的开启或关 闭
b. 特异转录因子
（specific transcription factor） 个别基因转录所必需，决定该基因 的时间、空间特异性表达 分类: (1) 转录激活因子 (2) 转录抑制因子
（2）转录调节因子结构 a. DNA结合域
b. 转录激活域:
酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
c. 介导蛋白质间相互作用的结构域
管家基因(housekeeping gene): 在生物体的几乎所有细胞中持续表 达的基因
表达产物是维持细胞基本生命活动所 必需的
诱导和阻遏 (induction and repression） 诱导:可诱导基因在特定环境中表达增强
的过程
阻遏:可阻遏基因在特定环境Hale Waihona Puke Baidu表达水平
降低的过程
协调表达(coordinate expression)：
四、RNA pol II转录起始的调节
顺式作用元件 (cis-acting element) 启动子 增强子 沉默子
启动子（promoter）
指RNA聚合酶结合位点周围的一组 转录控制组件，包括至少一个转录 起始点和一个以上的功能组件，如 TATA盒、GC盒和CAAT盒。
a. TATA盒(Goldberg-Hogness盒)
操纵子模型的普遍性 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
二、原核生物转录起始调节
乳糖操纵子的结构
调节基因 I
乳糖操纵子的调节机制:
1. 阻遏蛋白的负性调节 2. CAP的正性调节 3. 协调调节
1. 阻遏蛋白的负性调节
PI
2．CAP的正性调节
cAMP
思考
大肠杆菌可分别利用葡萄糖或乳糖作 为碳源，但在两者同时存在的情况 下，细菌将优先利用葡萄糖
基因表达(gene expression) 指基因转录及翻译的过程
表达产物:大多数是蛋白质,但 rRNA, tRNA基因的表达产物是 RNA分子 基因表达是受调控的
二、基因表达的特异性
时间特异性(temporal specificity)：
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。
负性调节不经济，正性调节更能保证 基因表达调节的特异性和精确性
转录与翻译分隔进行 转录后修饰、加工
三、RNA-pol I和pol III的转录调节
转录产物
RNA-pol I: 45S-rRNA RNA-pol III: tRNA前体、5S rRNA、 多种snRNA
(一)RNA-pol I转录体系的控制
ICR： A盒(TGGCNNAGTGG) B盒(GGTTGGANNCC) 转录因子： TF III B — 必需的转录因子 TF III C — 帮助结合的辅助因子
5S rRNA基因的转录起始 转录因子：
TF III B — 必需的转录因子 TF III A、 TF III C — 帮助结合的辅助因子
c.其它： 结合激活蛋白的特异DNA序列
——能使RNA聚合酶活性增强，使 转录激活
真核生物 ——顺式作用元件 (cis-acting element)
原核生物基因调节蛋白 a. 特异因子：决定RNA聚合酶对启动序列
的特异性识别和结合能力
b. 阻遏蛋白：与操纵序列结合，阻遏基因
转录
c. 激活蛋白：可结合启动序列邻近的DNA
DNA结合域 (DNA binding domain):
① 锌指结构 (zinc finger) ② 碱性亮氨酸拉链
（basic leucine zipper, bZIP）
③碱性α-螺旋 (basic α-helix) ④碱性螺旋-环-螺旋
( basic helix-loop-helix, bHLH)
第十三章
基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
授课教师: 刘皓
四川大学华西基础医学与法医学院 生物化学与分子生物学教研室
第一节
基因表达调控基本概念与原理
(Basic Concepts and Principles)
一、基因表达的概念
基因(gene)
遗传的基本单位，是编码一种RNA或 一种多肽的DNA片段 包含: 编码序列 非编码的调节序列 内含子
转录起始 转录后加工 mRNA降解 翻译水平：蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解
二、基因转录激活调节的基本要素
特异DNA序列 ——主要指DNA调控序列 调节蛋白 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 RNA聚合酶
原核生物 —操纵子(operon)机制
a. 启动序列：RNA聚合酶结合并起动