基因表达调控基本理论
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转录起始
2.1 RNA Pol II转录起始的调节 非常复杂
2.1.1 真核基因顺式作用元件影响基因转录活性
（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 个转录起始点以及一个以上的功能组件。
TATA盒 GC盒 CAAT盒
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高等真核生物
CCAAT盒
GC盒
酵母
上游激活序 列（UAS）
锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
Cys
Zn His
图13-8 锌指结构
a-螺旋 • 碱性螺旋-环-螺旋 • 碱性亮氨酸拉链
常结合CAAT盒
2.1.2 mRNA转录激活需要转录起始复合物的 形成
真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下， 形成转录起始复合物。
➢ 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具 有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、 甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功 能的作用，是基因表达的快速调节方式。
（1）HIV基因组转录终止调节
病毒蛋白Tat与转录产物5′端特异RNA序列结 合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止 HIV基因组转录的提早终止。
（2）热休克蛋白基因的转录终止调节
在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录 和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白 质即热休克蛋白(heat shock protein)的表达。
3. 转录后水平的调节也是基 因表达调控的重要环节
3.1 hnRNA加工成熟的调节
加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱 基修饰和编辑等。
3.2 mRNA运输、胞浆内稳定性的调节
通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物 (ribonucleoprotein, RNP)进行。
3.3 小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。
3.3.2 小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)
➢ 是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA， dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为 具有特定长度(21~23个碱基)和特定序列的小片段 RNA。
4.1 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸 化修饰进行
蛋白质合成速率的快速变化在很大程度 上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起 始因子（eukaryotic initiation factor, eIF） 的活性对起始阶段有重要的控制作用。
4.2 RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节
➢RNA结合蛋白（RNA binding protein, RBP）， 是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。
基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多级调控
基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度
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
1. DNA水平的调控
1 .1 染色质的丢失 1.2 基因扩增 1.3 基因重排 1.4 DNA甲基化 (表达降低, X染色体失活中心) 1.5 染色体结构 (常染色质 和 异染色质)
➢基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如 前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞 浆内稳定性控制以及翻译起始等。
4.3 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调 控基因表达
➢ 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物 学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽 链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特 定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。
• 反式作用因子与顺式作用元件, 通过成环、扭曲、滑动等 方式调控。
• 反式作用因子间存在组合式调控
（使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达）
依赖于 cAMP的 蛋白激酶
CRE –binding protein
转录激 活因子
cAMP response element
2.2 RNA Pol II转录终止的调节机制 尚不清楚
1.1 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部 基因
1.2 基因扩增（gene amplification）：增加基因的拷 贝数
– 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达 1012个核糖体
– 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因 拷贝数异常增加
结构收缩
弱启动子：
稀少的甲基化就能使其完全失活。
强启动子（带增强子）：
即使不去甲基化也可恢复其转录活性。 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。
DNA甲基化与X染色体失活
• 雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在 发育早期随机失活
• X染色体失活中心（X-chromosome inactivation center，Xic）：Xist基因(Xi-specific transcript)
异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋 白
（1）转录调节因子分类（按功能特性）
➢基本转录因子(general transcription factors)
是RNA聚合酶结合启动子所必需的一 组 蛋 白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA及rRNA)转录的类别。
Xist 甲基化，不转录 去甲基化，转录
X染色体 其他位点 活性 去甲基化，活性 失活 甲基化，失活
1.5 染色质（chromatin）或染色体 （chromosome）结构对基因表达 的调控：
•常染色质:结构松散，基因 表达
•异染色质:结构紧密，基因 不表达
•有基因表达活性的染色质 DNA对 DNaseⅠ更敏感， 即DnaseⅠ的敏感性可作为 该基因的转录活性的标志。
Sites of post-translational modifications on the histone tails
Zhang Y., Reinberg D. Genes Dev. 2001;15:2343-2360
2. 转录水平调控
转录水平的调控---最重要
• 转录起始--反式作用因子活性调节 • 顺式作用元件 和 反式作用因子的相互作用; • 以正调控为主
转录起始点
TATA盒
转录起始点
TATA盒
图13-7 真核基因启动子的典型结构
（2）增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、
空 间 特 异 性 、 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。
（3）沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特
➢ 双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完 全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。
➢ 由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉 (RNA interference，RNAi)。
RNA干扰 作用机制
> 30bp 双链RNA（dsRNA）
5’ 3’
3’ 5’
水解生成
21-23nt siRNA
RISC形成
识别特异序列 并使其降解
siRNA 和miRNA的差异比较
siRNA
miRNA
前体 结构
内源或外源长双链RNA诱导 内源发夹环结构的转录产物 产生
双链分子
单链分子
功能
降解mRNA
阻遏其翻译
靶mRNA 结合
需完全互补
不需完全互补
生物学效应 抑制转座子活性和病毒感染
发育过程的调节
4.基因表达在翻译水平以及翻译后 阶段仍然可以受到调节
EBP
TFⅡF PolⅡ
TAF TAF TAF TFⅡH
TFⅡA TTBBPP TFⅡB TATA
图13-9 转录起始复合物的形成
DNA
转录起始的调控
• 反式作用因子的活性调节 (1) 表达式调节：合成后即有活性，需要时合成， 可迅速降解 (2) 共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化 (3) 配体结合：如激素与受体的结合 (4) 蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体
组蛋白的修饰
Acetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin, while methylation is associated with inactive chromatin.
乙酰化的组蛋白抑制了核小体的浓缩，使转录 因子更容易与基因组的这一部分相接触，有利 于提高基因的转录活性。
3.3.1 微小RNA (microRNA, miRNA)
是一大家族小分子非编码单链RNA，长度 约20~25个碱基，由一段具有发夹环结构，长 度为70~90个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA) 经Dicer酶剪切后形成。
miRNA的特点：
➢ 其长度一般为20~25个碱基； ➢ 在不同生物体中普遍存在； ➢ 其序列在不同生物中具有一定的保守性； ➢ 具有明显的表达阶段特异性和组织特异性； ➢ miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种
1.3 基因重排（gene rearrangement）：
1.4 DNA甲基化（DNA methylation）：
– mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)” – 甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；
去甲基化(undermethylated)：基因表达增加。
机理： DNA 甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影 响蛋白质与DNA 的相互作用，抑制了转录因子与 启动区DNA的结合效率。
➢特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因
的时间、空间特异性表达。
• 转录激活因子 • 转录抑制因子
（2）转录调节因子结构
TF
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 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）
最常见的DNA结合域：
2.1 RNA Pol II转录起始的调节 非常复杂
2.1.1 真核基因顺式作用元件影响基因转录活性
（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 个转录起始点以及一个以上的功能组件。
TATA盒 GC盒 CAAT盒
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高等真核生物
CCAAT盒
GC盒
酵母
上游激活序 列（UAS）
锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
Cys
Zn His
图13-8 锌指结构
a-螺旋 • 碱性螺旋-环-螺旋 • 碱性亮氨酸拉链
常结合CAAT盒
2.1.2 mRNA转录激活需要转录起始复合物的 形成
真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下， 形成转录起始复合物。
➢ 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具 有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、 甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功 能的作用，是基因表达的快速调节方式。
（1）HIV基因组转录终止调节
病毒蛋白Tat与转录产物5′端特异RNA序列结 合，并与宿主蛋白质、RNA Pol II相互作用，阻止 HIV基因组转录的提早终止。
（2）热休克蛋白基因的转录终止调节
在应激条件下暂时性停止大多数基因的转录 和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白 质即热休克蛋白(heat shock protein)的表达。
3. 转录后水平的调节也是基 因表达调控的重要环节
3.1 hnRNA加工成熟的调节
加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱 基修饰和编辑等。
3.2 mRNA运输、胞浆内稳定性的调节
通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物 (ribonucleoprotein, RNP)进行。
3.3 小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。
3.3.2 小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)
➢ 是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA， dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为 具有特定长度(21~23个碱基)和特定序列的小片段 RNA。
4.1 对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸 化修饰进行
蛋白质合成速率的快速变化在很大程度 上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起 始因子（eukaryotic initiation factor, eIF） 的活性对起始阶段有重要的控制作用。
4.2 RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节
➢RNA结合蛋白（RNA binding protein, RBP）， 是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。
基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多级调控
基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度
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
1. DNA水平的调控
1 .1 染色质的丢失 1.2 基因扩增 1.3 基因重排 1.4 DNA甲基化 (表达降低, X染色体失活中心) 1.5 染色体结构 (常染色质 和 异染色质)
➢基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如 前述转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞 浆内稳定性控制以及翻译起始等。
4.3 对翻译产物水平及活性的调节可以快速调 控基因表达
➢ 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物 学功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽 链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特 定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。
• 反式作用因子与顺式作用元件, 通过成环、扭曲、滑动等 方式调控。
• 反式作用因子间存在组合式调控
（使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达）
依赖于 cAMP的 蛋白激酶
CRE –binding protein
转录激 活因子
cAMP response element
2.2 RNA Pol II转录终止的调节机制 尚不清楚
1.1 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必需的全部 基因
1.2 基因扩增（gene amplification）：增加基因的拷 贝数
– 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达 1012个核糖体
– 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因 拷贝数异常增加
结构收缩
弱启动子：
稀少的甲基化就能使其完全失活。
强启动子（带增强子）：
即使不去甲基化也可恢复其转录活性。 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。
DNA甲基化与X染色体失活
• 雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在 发育早期随机失活
• X染色体失活中心（X-chromosome inactivation center，Xic）：Xist基因(Xi-specific transcript)
异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋 白
（1）转录调节因子分类（按功能特性）
➢基本转录因子(general transcription factors)
是RNA聚合酶结合启动子所必需的一 组 蛋 白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA及rRNA)转录的类别。
Xist 甲基化，不转录 去甲基化，转录
X染色体 其他位点 活性 去甲基化，活性 失活 甲基化，失活
1.5 染色质（chromatin）或染色体 （chromosome）结构对基因表达 的调控：
•常染色质:结构松散，基因 表达
•异染色质:结构紧密，基因 不表达
•有基因表达活性的染色质 DNA对 DNaseⅠ更敏感， 即DnaseⅠ的敏感性可作为 该基因的转录活性的标志。
Sites of post-translational modifications on the histone tails
Zhang Y., Reinberg D. Genes Dev. 2001;15:2343-2360
2. 转录水平调控
转录水平的调控---最重要
• 转录起始--反式作用因子活性调节 • 顺式作用元件 和 反式作用因子的相互作用; • 以正调控为主
转录起始点
TATA盒
转录起始点
TATA盒
图13-7 真核基因启动子的典型结构
（2）增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、
空 间 特 异 性 、 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。
（3）沉默子(silencer) 某些基因的负性调节元件，当其结合特
➢ 双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完 全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。
➢ 由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉 (RNA interference，RNAi)。
RNA干扰 作用机制
> 30bp 双链RNA（dsRNA）
5’ 3’
3’ 5’
水解生成
21-23nt siRNA
RISC形成
识别特异序列 并使其降解
siRNA 和miRNA的差异比较
siRNA
miRNA
前体 结构
内源或外源长双链RNA诱导 内源发夹环结构的转录产物 产生
双链分子
单链分子
功能
降解mRNA
阻遏其翻译
靶mRNA 结合
需完全互补
不需完全互补
生物学效应 抑制转座子活性和病毒感染
发育过程的调节
4.基因表达在翻译水平以及翻译后 阶段仍然可以受到调节
EBP
TFⅡF PolⅡ
TAF TAF TAF TFⅡH
TFⅡA TTBBPP TFⅡB TATA
图13-9 转录起始复合物的形成
DNA
转录起始的调控
• 反式作用因子的活性调节 (1) 表达式调节：合成后即有活性，需要时合成， 可迅速降解 (2) 共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化 (3) 配体结合：如激素与受体的结合 (4) 蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体
组蛋白的修饰
Acetylation of H3 and H4 is associated with active chromatin, while methylation is associated with inactive chromatin.
乙酰化的组蛋白抑制了核小体的浓缩，使转录 因子更容易与基因组的这一部分相接触，有利 于提高基因的转录活性。
3.3.1 微小RNA (microRNA, miRNA)
是一大家族小分子非编码单链RNA，长度 约20~25个碱基，由一段具有发夹环结构，长 度为70~90个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA) 经Dicer酶剪切后形成。
miRNA的特点：
➢ 其长度一般为20~25个碱基； ➢ 在不同生物体中普遍存在； ➢ 其序列在不同生物中具有一定的保守性； ➢ 具有明显的表达阶段特异性和组织特异性； ➢ miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种
1.3 基因重排（gene rearrangement）：
1.4 DNA甲基化（DNA methylation）：
– mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)” – 甲基化(methylated)程度高，基因表达降低；
去甲基化(undermethylated)：基因表达增加。
机理： DNA 甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影 响蛋白质与DNA 的相互作用，抑制了转录因子与 启动区DNA的结合效率。
➢特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因
的时间、空间特异性表达。
• 转录激活因子 • 转录抑制因子
（2）转录调节因子结构
TF
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 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）
最常见的DNA结合域：