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1、目录目录生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学目录目录第十八章第十八章基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene Expression目录目录第一节第一节基因表达与基因表达调控的基因表达与基因表达调控的基本概念与特点基本概念与特点Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation目录目录一、基因表达是基因转录和翻译的过程一、基因表达是基因转录和翻译的过程是基因转录及翻译的过程，也是基因所是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基携带的遗传信息表现为表型的过
2、程，包括基因转录成互补的因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码序列，对于蛋白质编码基因，基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。工成最终的蛋白质产物。 基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。目录目录二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生顺序发生按功能需要，某一特定基因的表达严格按一按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，
3、称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。目录目录（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同组织器官表达不同 在在个个体体生生长长、发发育育过过程程中中，一一种种基基因因产产物物在在个个体体的的不不同同组组织织或或器器官官表表达达，即即在在个个体体的的不不同同空空间间出出现现，这就是基因表达的这就是基因表达的空间特
4、异性空间特异性(spatial specificity)。基基因因表表达达伴伴随随时时间间或或阶阶段段顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种空空间间分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布所所决决定定的的，因因此此基基因因表表达达的的空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞特特异异性性(cell specificity)或组织特异性或组织特异性(tissue specificity)。目录目录三、基因表达的方式存在多样性三、基因表达的方式存在多样性基因表达调控（基因表达调控（regulation of gene expression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号
5、刺激就是指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上做出时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。达，什么时候表达，表达多少等。 目录目录按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达目录目录（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续
6、表达某某些些基基因因在在一一个个生生物物个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，不不易易受受环环境境条条件件的的影影响响，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeeping gene)。管管家家基基因因的的表表达达水水平平受受环环境境因因素素影影响响较较小小，而而是是在在生生物物体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数、或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。这这类类基基因因表表达达被被视视为为基基本本（或或组组成性）基因表达成性）基因表达(constitutive gene expression)。基本的基因表达水平并非绝对基
7、本的基因表达水平并非绝对“一成不变一成不变”， 所谓所谓“不变不变”是相对的。是相对的。 目录目录（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏和阻遏在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，即即这这种种基基因因表表达达是是可可诱诱导的。导的。可可诱诱导导基基因因(inducible gene)在在一一定定的的环环境境中中表达增强的过程，称为表达增强的过程，称为诱导诱导(induction)。 如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答时时被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基
8、因因(repressible gene)。可可阻阻遏遏基基因因 表表 达达 产产 物物 水水 平平 降降 低低 的的 过过 程程 称称 为为 阻阻 遏遏(repression)。目录目录在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协同同表表达达(coordinate expression)， 这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 同同 调调 节节(coordinate regulation)。（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节（三）生物体内不同基因的表达受到
9、协调调节目录目录四、基因表达调控受顺式作用元件四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节和反式作用因子共同调节一一般般说说来来，调调节节序序列列与与被被调调控控的的编编码码序序列列位位于于同同一一条条DNADNA链链上上，称称为为顺顺式式作作用用元元件件( (cis -acting element) )。调调节节序序列列远远离离被被调调控控的的编编码码序序列列，实实际际上上是是其其他他分分子子的的编编码码基基因因，只只能能通通过过其其表表达达产产物物来来发发挥挥作作用用，这这些些蛋蛋白白质质分分子子称称为为反反式式作作用用因子因子( (trans-acting factor) )。目
10、录目录五、基因表达调控呈现多层次和复杂性五、基因表达调控呈现多层次和复杂性首先，遗传信息以基因的形式贮存于首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNADNA中。中。其其次次，遗遗传传信信息息经经转转录录由由DNADNA传传向向RNA RNA 过过程程中中的许多环节。的许多环节。( (最重要、最复杂最重要、最复杂) )最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。目录目录六、基因表达调控为生物体生长、六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础发育的基础（一）生物体调节基因表达以适应环境、维（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖持生长和增殖生物体所处的内、外环
11、境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。 目录目录（二）生物体调节基因表达以维持细胞（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细
12、胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。 目录目录第二节第二节 原核基因表达调控原核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Prokaryote 目录目录原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中很少有重复序列；基因组中很少有重复序列； 编编码码蛋蛋白白质质的的结结构构基基因因为为连连续续编编码码，且且多多为为单单拷拷贝基因，但编码贝基因，但编码rRNArRNA的基因仍然是多拷贝基因；的基因仍然是多拷贝基因； 结结构构基基因因在在基基因因组组中中所所占占的的比比例例（约约占占50%50%）远远远大于真核基因组；远大于真核基因组； 许多结构基因
13、在基因组中以操纵子为单位排列许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 目录目录原核生物大多数基因表达调控是通过原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制操纵子机制实现实现一、一、操纵子是原核基因转录调控的基本操纵子是原核基因转录调控的基本单位单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)目录目录操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性多顺反子多顺反子(polycistron)：mRNA分子携
14、带了几个多肽链分子携带了几个多肽链的编码信息。的编码信息。启动子启动子是是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是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。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点上游-10及及-35区域存在一些相似序列，称为区域存在一些相似序列，称为共有序列共有序列。 E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是区域是TATAAT，在，在-35区域为区域为TTGACA 共有序列决定启动序列的转录活性大小。共有序列决定启动序列的转录
15、活性大小。 目录目录图图18-1 518-1 5种种E.coliE.coli启动序列的共有序列启动序列的共有序列目录目录基因表达有正调控和负调控基因表达有正调控和负调控调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：阻遏蛋白阻遏蛋白-负调控因素负调控因素 激活蛋白激活蛋白-正调控因素正调控因素 目录目录调调节节基基因因（regulatory gene）编编码码能能够够与与操操纵纵序序列列结结合合的的调调控控蛋蛋白白，可可以以分分为为三三类类：特特异异因因子、阻遏蛋白和激活蛋白。子、阻遏蛋白和激活蛋白。 调控蛋白的作用分别是调控蛋白的作用分别是 特异因子特异因子决定决定R
16、NA聚合酶对一个或一套启动序列的聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；特异性识别和结合能力；目录目录 阻遏蛋白阻遏蛋白可以识别、结合特异可以识别、结合特异DNA序列序列操纵序列，抑操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在；中普遍存在； 激活蛋白激活蛋白可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，提高序列，提高RNA聚聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转聚合
17、酶的转录活性，是一种正调控（录活性，是一种正调控（positive regulation）。）。 目录目录二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA目录目录图图18-2 lac 18-2 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）
18、乳糖操纵子受阻遏蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节目录目录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖别乳糖别乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶图图18-4 18-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节目录目录+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2. CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目录目录3.
19、3. 协同同调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发挥作用。发挥作用。如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用称用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。 目录目录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时
20、 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO目录目录图图18-318-3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和诱导剂对和诱导剂对laclac操纵子的调节操纵子的调节 目录目录三、三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达阻遏基因表达色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理Trp Trp 高时高时Trp 低时低时mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 操纵子关闭操纵子关闭目录目录四、原核基因表达在转录终止阶段四、原核基因表达在转录终止阶
21、段有不同的调控机制有不同的调控机制（一一）不依）不依赖RhoRho因子的因子的转录终止止（二）依（二）依赖RhoRho因子的因子的转录终止止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。 两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；若干核苷酸；下游含一系列下游含一系列T序列。序列。 终止子结构特点：终止子结构特点：目录目录五、原核基因表达在翻译水平的多个环五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节节受到精细调节 （一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性达调控的有效性衰减是转录衰减是转录
22、- -翻译的偶联调控翻译的偶联调控色色氨氨酸酸操操纵纵子子（trp operon）除除了了产产物物阻阻遏遏负负调控外，还有调控外，还有转录衰减（转录衰减（attenuation）调控方式。调控方式。 目录目录图图18-4 18-4 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制色氨酸操纵子的结构及其关闭机制目录目录（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列（二）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周围进行自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，
23、抑制自身的，抑制自身的合成，称合成，称自我控制自我控制(autogenous control)。 目录目录（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的的结合实现对翻译起始的调控结合实现对翻译起始的调控编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始）直接或间接地结合来决定翻译起始调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合糖体的结合目录目录（四）反义（四）反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节互补序列对翻译进行调节可调节基因
24、表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNA。细细菌菌中中含含有有与与特特定定mRNA翻翻译译起起始始部部位位互互补补的的RNA，通通过过与与mRNA杂杂交交阻阻断断30S小小亚亚基基对对起起始始密密码码子子的的识识别别及及与与SD序序列列的的结结合合，抑抑制制翻翻译译起起始始。这这种种调调节节称称为为反反义义控控制制(antisense control)。目录目录（五）（五）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度密码子的编码频率影响翻译速度当基因中的密码子是常用密码子时，当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的的翻译速度快，反之，翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。的翻译速度慢。目
25、录目录第三节第三节 真核基因表达调控真核基因表达调控Regulation of Gene Expression in Eukaryote目录目录一、真核细胞基因表达的特点一、真核细胞基因表达的特点 真核基因组比原核基因组真核基因组比原核基因组大大得多得多 原原核核基基因因组组的的大大部部分分序序列列都都为为编编码码基基因因，而而哺哺乳乳类类基基因因组组中中只只有有10%的的序序列列编编码码蛋蛋白白质质、rRNA、tRNA等等，其其余余90%的的序序列列，包包括括大大量量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 真真核核生生物物编编码码蛋蛋白白质质的的基基
26、因因是是不不连连续续的的，转转录录后后需需要要剪剪接接去去除除内内含含子子，这这就就增增加加了了基基因因表表达达调控的层次调控的层次 目录目录 原原核核生生物物的的基基因因编编码码序序列列在在操操纵纵子子中中，多多顺顺反反子子mRNA使使得得几几个个功功能能相相关关的的基基因因自自然然协协调调控控制制；而而真真核核生生物物则则是是一一个个结结构构基基因因转转录录生生成成一一条条mRNA，即即mRNA是是单单顺顺反反子子（monocistron），许许多多功功能能相相关关的的蛋蛋白白、即即使使是是一一种种蛋蛋白白的的不不同同亚亚基基也也将将涉涉及及到到多多个个基基因因的的协调表达协调表达目录目录
27、 真真核核生生物物DNA在在细细胞胞核核内内与与多多种种蛋蛋白白质质结结合合构构成成染染色色质质，这这种种复复杂杂的的结结构构直直接接影影响响着着基基因因表表达；达； 真真核核生生物物的的遗遗传传信信息息不不仅仅存存在在于于核核DNA上上，还还存存在在线线粒粒体体DNA上上，核核内内基基因因与与线线粒粒体体基基因因的的表达调控既相互独立而又需要协调。表达调控既相互独立而又需要协调。 目录目录图图18-5 18-5 真核生物基因表达的多层次复杂调控真核生物基因表达的多层次复杂调控目录目录二、染色质结构与真核基因表达密切相关二、染色质结构与真核基因表达密切相关活性染色质活性染色质 (active
28、chromatin)(active chromatin)具有转录活性的染色质具有转录活性的染色质超敏位点（超敏位点（hypersensitive site)hypersensitive site)当染色质活化后，常出现一些对核酸酶当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如（如DNase I）高度敏感的位点）高度敏感的位点（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感（一）转录活化的染色质对核酸酶极为敏感 目录目录(二二) 转录活化染色质的组蛋白发生改变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组蛋白结构及其化学修饰（a a）组蛋白与）组蛋白与DNADNA组成的核小体；（组成的核小体；（b b）
29、组蛋白的氨基端伸出核小）组蛋白的氨基端伸出核小体，形体，形 成组蛋白尾巴；（成组蛋白尾巴；（c c）四种组蛋白组成的八聚体）四种组蛋白组成的八聚体目录目录组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括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。他功能分子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了这些理论构成了“组蛋白密码组蛋白密码”的假说。的假说
30、。目录目录组蛋白蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修修饰类型型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色染色质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙乙酰化化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙乙酰化化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙乙酰化化装配装配H4Lys-12乙乙酰化化装配装配H4Lys-16乙乙酰化化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙乙酰化化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对
31、染色质结构与功能的影响 目录目录（三三） CpG岛甲基化水平降低甲基化水平降低CpG岛岛（CpG island) ：甲甲基基化化胞胞嘧嘧啶啶在在基基因因组组中中并并不不是是均均匀匀分分布布，有有些些成成簇簇的的非非甲甲基基化化CG存存在在于于整整个个基基因因组组中中，人人们们将将这这些些GC含含量量可可达达60%，长长度度为为300-3000bp的区段的区段表表观观遗遗传传（epigenetic inheritance) ：染染色色质质结结构构对对基基因因表表达达的的影影响响可可以以遗遗传传给给子子代代细细胞胞，其其机机制制是是细细胞胞内内存存在在着着具具有有维维持持甲甲基基化化作作用用的的D
32、NA甲甲基基转转移移酶酶，可可以以在在DNA复复制制后后，依依照照亲亲本本DNA链链的的甲甲基基化化位位置置催化子链催化子链DNA在相同位置上发生甲基化在相同位置上发生甲基化目录目录三、基因组中的顺式作用元件是转录起三、基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位始的关键调节部位順式作用元件順式作用元件 指可影响自身基因表达活性的指可影响自身基因表达活性的DNADNA序列序列目录目录图图18-718-7顺式作用元件顺式作用元件A A、B B分别代表同一基因中的两段特异分别代表同一基因中的两段特异DNADNA序列。序列。B B序列通过一定机制影响序列通过一定机制影响A A序列，并通过序列，并通
33、过A A序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。序列控制该基因的转录起始的准确性及频率。A A、B B序列序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件目录目录（一）真核生物启（一）真核生物启动子子结构和构和调节远较原核原核生物复生物复杂真真核核基基因因启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转录起始点转录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒目录目录CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活
34、序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构目录目录（二）增（二）增强强子是能子是能够提高提高转录效率的效率的顺式式调控元件控元件增强子的功能及其作用特征如下：增强子的功能及其作用特征如下：与被调控基因位于同一条与被调控基因位于同一条DNA链上，属于链上，属于顺顺式作用元件式作用元件。是组织特异性转录因子的是组织特异性转录因子的结合部位结合部位不仅能够在基因的不仅能够在基因的上游上游或或下游下游起作用，而且起作用，而且还可以还可以远距离远距离实施调节作用实施调节作用作用与序列的作用与序列的方向性无关方向性无关需要有启动子需
35、要有启动子才能发挥作用才能发挥作用目录目录（三）沉默子能（三）沉默子能够抑制基因的抑制基因的转录沉沉默默子子是是一一类类基基因因表表达达的的负负性性调调控控元元件件，当当其其结结合合特特异异蛋蛋白白因因子子时时，对对基基因因转转录录起起阻阻遏遏作用作用目录目录四、转录因子是转录调控的关键分子四、转录因子是转录调控的关键分子真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子转录因子（transcription factor, TF）。）。绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达绝大多数真核转录调节因子由其编码基因表达后，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式后
36、，进入细胞核，通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。作用元件而增强或降低相应基因的表达。转录因子也被称为反式作用蛋白或转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因反式作用因子子。目录目录真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，称称顺式作用顺式作用。由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调调节节其其表表达达。这这种种调调节节作作用用称称为为反
37、式作用反式作用。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) 目录目录图图18-8 18-8 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白目录目录通用转录因子通用转录因子(general transcription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组 蛋蛋 白白 因因 子子 ， 决决 定定 三三 种种 RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。1.转录调节因子分类转录调节因子分类（按功能特性）（按功能特性）通用转录因子通用转录因子特异转录因子特异转录因子目录目录特异转录因子特异转录因子(special tra
38、nscription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的时间、空间特异性表达。的时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子目录目录2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域目录目录最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指模体锌指模体(zinc finger)常结合常结合GC盒盒C=半胱氨酸；半胱氨酸；H=组氨酸；组氨酸；F=苯苯丙氨酸；丙
39、氨酸；L=亮氨酸；亮氨酸；Y=酪氨酸；酪氨酸；Zn=锌离子锌离子图图18-9锌指结构锌指结构目录目录2. 2.碱性螺旋碱性螺旋- -环环- -螺旋螺旋（basic helix-loop-helix,bHLH)（a）独立的碱性螺旋）独立的碱性螺旋-环环-螺旋模体结构示螺旋模体结构示意图；（意图；（b）bLHL模体二聚体与模体二聚体与DNA结合结合的示意图。两个的示意图。两个 -螺旋的碱性区分别嵌入螺旋的碱性区分别嵌入DNA双螺旋的大沟内双螺旋的大沟内常结合常结合CAAT盒盒目录目录常结合常结合CAAT盒盒3. 3.碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链( (basic leucine zipper, Bz
40、ip) （a）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（）碱性亮氨酸拉链模体结构示意图；（b）bZIP模体与模体与DNA结合的示意图。结合的示意图。两个两个 -螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨螺旋上的亮氨酸残基彼此接近，形成了类似拉链的结构，而富含碱性氨基酸残基的区域与基酸残基的区域与DNA骨架上的磷酸基团结合骨架上的磷酸基团结合目录目录五、转录起始复合物的动态构成是五、转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式转录调控的主要方式（一）启动序列（一）启动序列/启动子与启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性（二）调节蛋白与（二）调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性启启动动序序列
41、列或或启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列会会影影响响其其与与RNA聚聚合合酶酶的的亲亲和和力力，而而亲亲和和力力大大小小则则直直接接影影响响转录起始的频率转录起始的频率真真核核RNA聚聚合合酶酶II不不能能单单独独识识别别、结结合合启启动动子子，而而是是先先由由基基本本转转录录因因子子与与RNA聚聚合合酶酶II形形成成一个功能性的转录前起始复合物。一个功能性的转录前起始复合物。目录目录图图18-12 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录因子帮助下，在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。形成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBT
42、BP DNATATAEBPTBP目录目录六、转录后调控主要影响真核六、转录后调控主要影响真核mRNA的结构与功能的结构与功能（一）（一）mRNA稳定性的影响真核生物基因表达稳定性的影响真核生物基因表达1.5 -端的帽子结构可以增加端的帽子结构可以增加mRNA的稳定性的稳定性2.3 -端的端的poly(A)尾结构防止尾结构防止mRNA降解降解 RNA无无论论是是在在核核内内进进行行加加工工、由由胞胞核核运运至至胞胞浆浆，还还是是在在胞胞浆浆内内停停留留（至至降降解解），都都是是通通过过与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成核蛋白颗粒核蛋白颗粒(ribonucleoprotein, RNP)进行的。进行
43、的。 目录目录与与原原核核基基因因表表达达调调节节一一样样，某某些些小小分分子子RNA也也可可调调节节真真核核基因表达。基因表达。这这些些RNA都都是是非非编编码码RNA（noncoding RNA, ncRNA）。如如：具具有有催催化化活活性性的的RNA（核核酶酶）、细细胞胞核核小小分分子子RNA （snRNA）以及核仁小分子）以及核仁小分子RNA（snoRNA）目前人们广泛关注的非编码目前人们广泛关注的非编码RNA有有miRNA和和siRNA。小分子小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，对基因表达的调节十分复杂， （二）一些非编码小分子（二）一些非编码小分子RNA可引起转录后可引起转录后基
44、因沉默基因沉默目录目录（三）（三）mRNA前体的选择性剪接可以调节真前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达核生物基因表达真真核核生生物物基基因因所所转转录录出出的的mRNA前前体体含含有有交交替替连连接接的的内内含含子子和和外外显显子子。通通常常状状态态下下，mRNA前前体体经经过过剔剔除除内内含含子子序序列列后后成成为为一一个个成成熟熟的的mRNA，并并被被翻翻译译成成为为一一条条相相应应的的多多肽肽链链。但但是是，参参与与拼拼接接的的外外显显子子可可以以不不按按照照其其在在基基因因组组内内的的线线性性分分布布次次序序拼拼接接，内内含含子子也也可可以以不不完完全全被切除，由此产生了被切除，
45、由此产生了选择性剪接选择性剪接目录目录七、真核基因表达在翻译以及翻译后七、真核基因表达在翻译以及翻译后仍可受到调控仍可受到调控（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行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）的活性对起始阶段有重要的控制作用。始阶段有重要的控制作用。1 1翻译起始因子翻译起始因子eIF-2eIF-2的磷酸化抑制翻译起的磷酸
46、化抑制翻译起始始 目录目录2 2eIF-4EeIF-4E及及eIF-4EeIF-4E结合蛋白的磷酸化激活翻译起结合蛋白的磷酸化激活翻译起始始 帽结合蛋白帽结合蛋白eIF-4E与与mRNA帽结构的结合是翻译帽结构的结合是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的起始的限速步骤，磷酸化修饰及与抑制物蛋白的结合均可调节结合均可调节eIF-4E的活性。的活性。磷酸化的磷酸化的eIF-4E与帽结构的结合力是非磷酸化与帽结构的结合力是非磷酸化 的的eIF-4E的的4倍，因而可提高翻译的效率。倍，因而可提高翻译的效率。目录目录（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节
47、RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein, RBP），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如的参与，如前述转录终止、前述转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。浆内稳定性控制以及翻译起始等。 目录目录（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达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学功能的重要影响因
48、素。因此，通过对新生肽。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。定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具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有功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、。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。能的作用，是基因表达的快速调节方式。 目录目录是是一一大大家家族族小小分分子子非非编编码码单单链链RNA，长长度度约约20-25个
49、个碱碱基基，由由一一段段具具有有发发夹夹环环结结构构，长长度度为为7090个个碱碱基基的的单单链链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。这这些些成成熟熟的的miRNA 与与其其他他蛋蛋白白质质一一起起组组成成RNA诱诱导导的的沉沉默默复复合合体体（RNA-induced silencing complex, RISC），通通过过与与其其靶靶mRNA 分分子子的的3 端端非非翻翻译译区区域域（3 UTR）互互补补匹匹配配，再再以以目目前前尚尚不不清清楚楚的的机机制制抑抑制制该该mRNA 分分子子的的翻译。翻译。 （四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的
50、调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA (microRNA, miRNA)目录目录其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；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；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；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基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。 nmiRNA的特点：的特点：目录目录是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stra
51、nded RNA，dsRNA)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(2123个个碱碱基基)和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全互补结合，导致靶全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介介导导的的基基因因表表达达抑抑制制作作用用被被称称为为RNA干干涉涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA) 30bp 双链双链RNA（dsR
52、NA）水解生成水解生成21-23nt siRNA 5335 RISC形成形成 识别特异序列识别特异序列并使其降解并使其降解RNA干扰干扰作用机制作用机制目录目录siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较目录目录（五）长链非编码（五）长链非编码RNA在基因表达调控在基因表达调控中的作用不容忽视中的作用不容忽视长链非编码长链非编码RNA（lncRNA）是一类转录本长）是一类转录本长度超过度超过200个核苷酸的个核苷酸的RNA分子，不直接参与分子，不直接参与基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传水基因编码和蛋白质合成，但是可在表观遗传水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达。平、转录水平和转录后水平调控基因的表达。
