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Regulation of Gene Expression
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一、基因表达的基本概念和原理
Basic Conceptions and Principle
（一）相关概念
?基因（ Gene）,是一段编码蛋白质多肽链和功能 RNA的
DNA。
?基因组 (genome),一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息
或整套基因。
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。
* 基因表达 (gene expression)
基因表达是受调控的
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（二）基因表达的特点
1、时间特异性或发育阶段特异性
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，称之为基因表达的 时间
特异性 (temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称 阶
段特异性 (stage specificity)。
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2、空间特异性或组织细胞特异性
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分
布差异, 实际上是由细胞在器官的分布决定的,
所以空间特异性又称 细胞或组织特异性 (cell or
tissue specificity)。
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, 称之为基因表达的
空间特异性 (spatial specificity)。
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3,基因表达有两种方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为,
1）组成性表达
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持
续表达, 基本不受环境因素的影响, 通常被称
为 管家基因 (housekeeping gene)。
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无论表达水平高低, 管家基因 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 组成性基
因表达 (constitutive gene expression)。
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2）可诱导和可阻遏表达
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 (induction)。
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水平
降低的过程称为 阻遏 (repression)。
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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, 即为 协 调 表 达 (coordinate
expression), 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节
(coordinate regulation)。
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（三）基因表达调控的生物学意义
1、适应环境、维持生长和增殖
2、维持个体发育与分化
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（四）基因表达调控的基本原理
1、基因表达的多级调控
基因激活
转录水平
转录后加工
mRNA降解
蛋白质降解
蛋白质的投递和运输
蛋白质翻译
翻译后加工修饰
转录水平
基因表达可在多层次上受到调节
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2、基因转录调节基本要素
基因表达的调节与 基因 的结构, 性
质, 生物个体或细胞所处的内, 外 环境,
以及细胞内所存在的转录 调节蛋白 有关 。
三个基本要素,
1）特异的 DNA调节序列
2）调节蛋白
3） RNA聚合酶
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原核生物
蛋白质因子
—— 操纵子 (operon) 机制
特异 DNA序列
编码序列
启动序列
操纵序列 其他调节序列
(promoter)
(operator)
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是 RNA聚合酶结合并启动转录
的特异 DNA序列。
1) 启动序列
RNA转录起始 -35区 -10区
TTGACA TTAACT
TTTACA TATGAT
TTTACA TATGTT
TTGATA TATAAT
CTGACG TACTGT
N17
N16
N17
N16
N16
N7
N7
N6
N7
N6
A
A
A
A
A
trp
tRNATyr
lac
recA
Ara BAD
TTGACA TATAAT 共有序列
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共有序列 (consensus sequence) 决定启动
序列的转录活性大小 。
某些特异因子 （ 蛋白质 ） 决定 RNA聚合
酶 对一个或一套启动序列的特异性识别和结
合能力 。
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2? 操纵序列
—— 阻遏蛋白 (repressor)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, 或是 RNA聚合
酶不能沿 DNA向前移动, 阻碍转录 。
启动序列 编码序列 操纵序列 pol 阻遏蛋白
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3) 其他调节序列、调节蛋白
例如
激活蛋白 (activator)可结合启动序列邻近
的 DNA序列, 促进 RNA聚合酶与启动序列的
结合, 增强 RNA聚合酶活性 。
有些基因在没有激活蛋白存在时, RNA
聚合酶很少或完全不能结合启动序列 。
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真核生物
1) 顺式作用元件 (cis-acting element)
—— 又称分子内作用元件，指存在于 DNA分子上的一
些与基因转录调控有关，可影响自身基因表达活性的
DNA序列
B A
DNA
编码序列
转录起始点
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现
一些共有序列, 如 TATA盒, CAAT盒等, 这
些共有序列是 RNA聚合酶或特异转录因子的
结合位点 。
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2) 真核基因的调节蛋白
还有蛋白质因子可特异识别, 结合自
身基因的调节序列, 调节自身基因的表达,
称 顺式作用 。
由某一基因表达产生的蛋白质因子,
通过与另一基因的特异的顺式作用元件相
互作用, 调节其表达 。
反式作用因子 (trans-acting factor)
这种调节作用称为 反式作用 。
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c DNA
a DNA 反式调节
C
顺式调节
mRNA
C 蛋白质 C
B A
mRNA
蛋白质 A A
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指的是反式作用因子与顺式作用元件之
间的特异识别及结合 。 通常是非共价结合,
被识别的 DNA结合位点通常呈对称, 或不完
全对称结构 。
绝大多数调节蛋白质结合 DNA前, 需通
过 蛋 白 质 - 蛋 白 质 相 互 作 用, 形成 二 聚 体
(dimer)或 多聚体 (polymer)。
DNA - 蛋白质
蛋白质 -蛋白质 的相互作用
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RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列 /真核启动子与 RNA聚合酶
活性
RNA聚合酶与其的亲和力, 影响转录。
⑵ 调节蛋白与 RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表
达, 然后通过 DNA-蛋白质, 蛋白质 -蛋白质相互
作用影响 RNA聚合酶活性 。
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二、原核生物的基因表达调节
Regulation of Prokaryotic Gene Transcription
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—— 调节的主要环节在 转录水平 上进行
（一）原核基因转录调节特点
1,σ因子决定 RNA聚合酶识别特异性
2、主要通过操纵子模式进行调节
3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）
是普遍存在的负调控作用
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? 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵
子 （ operon） 调控模式, 该模式也见于低等真核
生物中 。
? 所谓操纵子 （ operon） 是指原核生物基因组的一
个表达调控序列, 长度约 1000bp左右, 由若干结
构基因串联在一起, 其表达受到同一调控系统的
调控 。
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操纵子的结构与功能
? 典型的操纵子可分为 控制区和信息区 两部分。
控制区由各种调控基因所组成，而信息区则
由若干结构基因串联在一起构成。
调节基因（ R e g u l a t o r y g e n e ） —— 为阻抑蛋白编码基因
控制区 启动基因（ P r o m o t e r ） —— 为 c A M P 受体蛋白（ CRP ）和 R N A 聚合酶结合区。
操纵基因（ 0 p e r a t e r ） —— 为阻抑蛋白结合位点。
信息区 —— 由一个或数个结构基因串联在一起组成。
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编码序列
启动序列
操纵序列 调节基因
(promoter)
(operator)
P位是 RNA聚合酶结合并启动转录的模板。 O位结合阻遏蛋
白或阻遏物。信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导
mRNA的合成。在 DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，
能合成阻遏蛋白。阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使 DNA
变构,RNA聚合酶不能沿着 DNA滑动，转录停止。诱导物
与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从 DNA上拉下来,DNA模
板变构,RNA聚合酶可沿着 DNA滑动，转录进行。
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（二）乳糖操纵子调节机制
1、乳糖操纵子 (lac operon)的结构与组成
调控区
CAP结合位点
启动序列
操纵序列
结构基因
Z,β-半乳糖苷酶
Y,透酶
A：乙酰基转移酶
Z Y A O P DNA
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? 以原核生物乳糖操纵子 (Lac operon)为例，其控
制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因
（其 CRP结合位点位于 RNA聚合酶结合位点上
游）和操纵基因；其信息区由 β -半乳糖苷酶基
因（ lacZ），通透酶基因（ lacY）和乙酰化酶
基因（ lacA）串联在一起构成。
控制区 信息区
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乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
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mRNA
阻遏蛋白
I DNA Z Y A O P pol
没有乳糖存在时
2、阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
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mRNA
阻遏蛋白
有乳糖存在时
I DNA Z Y A O P pol
启动转录 mRNA
乳糖 半乳糖
β-半乳糖苷酶
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+ + + + 转录
无葡萄糖,cAMP浓度高时
有葡萄糖,cAMP浓度低时
3,CAP的正性调节
Z Y A O P DNA CAP
CAP CAP CAP CAP
CAP
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当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时
细胞中 c A M P 浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
c A M P 与 CRP 结合并使之激合
促使阻抑蛋白与操纵基因分离
C R P 与启动基因结合并促使
R N A 聚合酶与启动基因结合
基因转录激活
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当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时
细胞中 c A M P 浓度降低 缺乏乳糖与阻抑蛋白结合
C R P 失活
阻抑蛋白与操纵基因结合
C R P 及 R N A 聚合酶不能与
启动基因结合
基因转录被阻遏
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4、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, 操纵子仍无转录活性 。
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)。
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mRNA
低半乳糖时 高半乳糖时
葡萄糖低
cAMP浓度高
葡萄糖高
cAMP浓度低
RNA-pol
O O
O O
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?色氨酸操纵子（ trp operon）属于阻遏型操纵
子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢
的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，
此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多
时，此操纵子被关闭。
?色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，
但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻
遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。
?而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物
与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操
纵基因结合而使基因转录关闭 。
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UUUU……
UUUU……
调节区 结构基因
trpR O P
前导序列 衰减子区域
UUUU…… 前导 mRNA 1 2 3 4
衰减子结构 第 10,11密码子为 trp密码子
终止密码子
14aa前导肽编码区, 包含序列 1
形成发夹结构能力强弱,
序列 1/2>序列 2/3>序列 3/4
trp 密码子
UUUU……
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? 色 氨 酸 操 纵 子 的 调 控 还 涉 及 转 录 衰 减
(attenuation)机制 。 即在色氨酸操纵子第一个结
构基因与启动基因之间存在有一衰减区域, 当
细胞内色氨酸酸浓度很高时, 通过与转录相偶
联的翻译过程, 形成一个衰减子结构, 使 RNA
聚合酶从 DNA上脱落, 导致转录终止 。
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2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用
这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操
纵子的调控方式。
AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。 P1型为阻
遏子,P2型为激活子。
调节作用分三种情况,
1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下,AraC与操纵基因
araO2和 AraC的一个结合位点 araI结合，结合于 araO2和 araI的
两个 AraC蛋白之间互相结合，形成一个约 210碱基对的一个
环，从而使 araBAD启动子的转录被抑制，基因 araB,A,D
不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）
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2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，
CAP-cAMP很丰富，与 araI附近的 CRP结合位点结合，
阿拉伯糖与 AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，
DNA环被打开，能与 CAP-cAMP协同诱导 araBAD基
因的转录（阳性调控或正调节）
3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖
均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。
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?由 成群的操纵子组成的基因转录调控网络称
为调节子。通过组成调节子调控网络，对若
干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，
从而达到整体调控的目的。
?典型的整体调控模式是 SOS反应，这是由一
组与 DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组
成。在正常情况下，这些基因均被 LexA阻遏
蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的
RecA蛋白水解酶被激活，催化 LexA阻遏蛋白
裂解失活，从而导致与 DNA损伤修复有关的
基因表达。
3、原核生物转录的整体调控模式
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SOS反应
SOS基因
紫外线
激活
Rec A
Lex A阻遏蛋白
与 DNA 损伤修复有
关的酶和蛋白质
基因
表达
Lex A阻遏蛋白
操纵序列 DNA
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4、反义 RNA及翻译水平调节
反义 RNA的概念,P239
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三、真核生物基因表达调控
Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
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（一）真核生物基因组结构特点
1、真核基因组结构庞大
哺乳类动
物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对
编码基因 约 有 30000 个, 占总长的 6 %
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2、单顺反子
单顺反子 (monocistron)
即一个编码基因转录生成一个 mRNA分子,
经翻译生成一条多肽链 。
3、重复序列
单拷贝序列（一次或数次）
高度重复序列（ 106 次）
中度重复序列（ 103 ~ 104次）
多拷贝序列
4、基因不连续性,断裂基因
?真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些
非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称
为外显子（ exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子
（ intron）。
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（二）真核基因表达调控特点
1,RNA聚合酶活性受转录因子调控：
RNA聚合酶有三种,分别转录不同的 RNA。
2,染色质结构改变参与基因表达的调控,
1）对核酸酶敏感
活化基因常有超敏位点, 位于调节蛋
白结合位点附近 。
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2） DNA拓扑结构变化
天然双链 DNA均以负性超螺旋构象存在；
基因活化后
RNA-pol 正超螺旋 负超螺旋
转录方向
3） DNA碱基修饰变化
真核 DNA约有 5%的胞嘧啶被甲基化,
甲基化范围与基因表达程度呈反比。
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4）组蛋白变化
① 富含 Lys组蛋白水平降低
② H2A,H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
④ H3组蛋白巯基暴露
3、正性调节占主导,真核基因一般都处于阻遏状
态,RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种
转录因子正性激活 RNA聚合酶是真核基因调控的主要机
制。
4、转录与翻译分隔进行
5,转录后加工修饰过程复杂
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（三）真核基因转录调控元件及调控机制
1、顺式作用元件,是真核生物 DNA调控元
件，包括启动子、增强子和沉默子。
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
需要 DNA调节序列、调节蛋白和 RNA聚合酶三大要素
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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 。
3）沉默子 (silencer)
某些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。
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2、反式作用因子（分子间作用因子）
是影响基因转录的调节蛋白, 属于转录调节因子
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 。
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* 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
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2）转录调节因子结构
DNA结合域
转录激活域
TF
蛋白质 -蛋白质结合域
（二聚化结构域）
谷氨酰胺富含域
酸性激活域
脯氨酸富含域
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最常见的 DNA结合域
1） 锌指 (zinc finger)
见于 TFⅢ A和类固醇激素受
体中，由一段富含半胱氨酸
的多肽链构成。每四个半光
氨酸残基或 His残基螯合一
分子 Zn2+，其余约 12-13个
残基则呈指样突出，刚好能
嵌入 DNA双螺旋的大沟中
而与之相结合。每个蛋白质
分子中可含 2-9个锌指结构。
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Zn
Cys
His
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2） α-螺旋－转角－ α-螺旋
HTH和 HLH结构,由两段
а -螺旋夹一段 β -折迭构成，
а -螺旋与 β -折迭之间通过
β -转角或成环连接，即螺旋
-转角 -螺旋结构和螺旋 -环 -螺
旋结构。典型的例子是 λ 噬
菌体的 Cro蛋白，该蛋白含三
段 а -螺旋和三段 β -折迭，
两亚基通过 β -折迭而形成二
聚体，相当于 DNA的一个螺
距的长度，而每一亚基的一
段 а -螺旋则刚好能嵌入 DNA
双螺旋的大沟中与 DNA紧密
结合。
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亮氨酸拉链结构,
? 见于真核生物 DNA结合蛋
白质的 C端，与癌基因表达
调控有关。由两段 α-螺旋平
行排列构成，其 ?-螺旋中存
在每隔 7个残基规律性排列
的 Leu残基,Leu侧链交替
排列而呈拉链状。两条肽链
呈钳状与 DNA结合。
介导蛋白质互相作用的结构模序
目 录
真核基因转录调节是 复杂的、多样的
*不同的 DNA元件组合可产生多种类型的转录调
节方式；
*多种转录因子又可结合相同或不同的 DNA元件 。
*转录因子与 DNA元件结合后, 对转录激活过程
所产生的效果各异, 有正性调节或负性调节之
分 。
Regulation of Gene Expression
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一、基因表达的基本概念和原理
Basic Conceptions and Principle
（一）相关概念
?基因（ Gene）,是一段编码蛋白质多肽链和功能 RNA的
DNA。
?基因组 (genome),一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息
或整套基因。
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。
* 基因表达 (gene expression)
基因表达是受调控的
目 录
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（二）基因表达的特点
1、时间特异性或发育阶段特异性
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，称之为基因表达的 时间
特异性 (temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称 阶
段特异性 (stage specificity)。
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目 录
2、空间特异性或组织细胞特异性
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分
布差异, 实际上是由细胞在器官的分布决定的,
所以空间特异性又称 细胞或组织特异性 (cell or
tissue specificity)。
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, 称之为基因表达的
空间特异性 (spatial specificity)。
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3,基因表达有两种方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为,
1）组成性表达
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持
续表达, 基本不受环境因素的影响, 通常被称
为 管家基因 (housekeeping gene)。
目 录
无论表达水平高低, 管家基因 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 组成性基
因表达 (constitutive gene expression)。
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2）可诱导和可阻遏表达
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 (induction)。
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水平
降低的过程称为 阻遏 (repression)。
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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, 即为 协 调 表 达 (coordinate
expression), 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节
(coordinate regulation)。
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（三）基因表达调控的生物学意义
1、适应环境、维持生长和增殖
2、维持个体发育与分化
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（四）基因表达调控的基本原理
1、基因表达的多级调控
基因激活
转录水平
转录后加工
mRNA降解
蛋白质降解
蛋白质的投递和运输
蛋白质翻译
翻译后加工修饰
转录水平
基因表达可在多层次上受到调节
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2、基因转录调节基本要素
基因表达的调节与 基因 的结构, 性
质, 生物个体或细胞所处的内, 外 环境,
以及细胞内所存在的转录 调节蛋白 有关 。
三个基本要素,
1）特异的 DNA调节序列
2）调节蛋白
3） RNA聚合酶
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原核生物
蛋白质因子
—— 操纵子 (operon) 机制
特异 DNA序列
编码序列
启动序列
操纵序列 其他调节序列
(promoter)
(operator)
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是 RNA聚合酶结合并启动转录
的特异 DNA序列。
1) 启动序列
RNA转录起始 -35区 -10区
TTGACA TTAACT
TTTACA TATGAT
TTTACA TATGTT
TTGATA TATAAT
CTGACG TACTGT
N17
N16
N17
N16
N16
N7
N7
N6
N7
N6
A
A
A
A
A
trp
tRNATyr
lac
recA
Ara BAD
TTGACA TATAAT 共有序列
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共有序列 (consensus sequence) 决定启动
序列的转录活性大小 。
某些特异因子 （ 蛋白质 ） 决定 RNA聚合
酶 对一个或一套启动序列的特异性识别和结
合能力 。
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2? 操纵序列
—— 阻遏蛋白 (repressor)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, 或是 RNA聚合
酶不能沿 DNA向前移动, 阻碍转录 。
启动序列 编码序列 操纵序列 pol 阻遏蛋白
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3) 其他调节序列、调节蛋白
例如
激活蛋白 (activator)可结合启动序列邻近
的 DNA序列, 促进 RNA聚合酶与启动序列的
结合, 增强 RNA聚合酶活性 。
有些基因在没有激活蛋白存在时, RNA
聚合酶很少或完全不能结合启动序列 。
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真核生物
1) 顺式作用元件 (cis-acting element)
—— 又称分子内作用元件，指存在于 DNA分子上的一
些与基因转录调控有关，可影响自身基因表达活性的
DNA序列
B A
DNA
编码序列
转录起始点
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现
一些共有序列, 如 TATA盒, CAAT盒等, 这
些共有序列是 RNA聚合酶或特异转录因子的
结合位点 。
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2) 真核基因的调节蛋白
还有蛋白质因子可特异识别, 结合自
身基因的调节序列, 调节自身基因的表达,
称 顺式作用 。
由某一基因表达产生的蛋白质因子,
通过与另一基因的特异的顺式作用元件相
互作用, 调节其表达 。
反式作用因子 (trans-acting factor)
这种调节作用称为 反式作用 。
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c DNA
a DNA 反式调节
C
顺式调节
mRNA
C 蛋白质 C
B A
mRNA
蛋白质 A A
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指的是反式作用因子与顺式作用元件之
间的特异识别及结合 。 通常是非共价结合,
被识别的 DNA结合位点通常呈对称, 或不完
全对称结构 。
绝大多数调节蛋白质结合 DNA前, 需通
过 蛋 白 质 - 蛋 白 质 相 互 作 用, 形成 二 聚 体
(dimer)或 多聚体 (polymer)。
DNA - 蛋白质
蛋白质 -蛋白质 的相互作用
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RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列 /真核启动子与 RNA聚合酶
活性
RNA聚合酶与其的亲和力, 影响转录。
⑵ 调节蛋白与 RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表
达, 然后通过 DNA-蛋白质, 蛋白质 -蛋白质相互
作用影响 RNA聚合酶活性 。
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二、原核生物的基因表达调节
Regulation of Prokaryotic Gene Transcription
目 录
—— 调节的主要环节在 转录水平 上进行
（一）原核基因转录调节特点
1,σ因子决定 RNA聚合酶识别特异性
2、主要通过操纵子模式进行调节
3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）
是普遍存在的负调控作用
目 录
? 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵
子 （ operon） 调控模式, 该模式也见于低等真核
生物中 。
? 所谓操纵子 （ operon） 是指原核生物基因组的一
个表达调控序列, 长度约 1000bp左右, 由若干结
构基因串联在一起, 其表达受到同一调控系统的
调控 。
目 录
操纵子的结构与功能
? 典型的操纵子可分为 控制区和信息区 两部分。
控制区由各种调控基因所组成，而信息区则
由若干结构基因串联在一起构成。
调节基因（ R e g u l a t o r y g e n e ） —— 为阻抑蛋白编码基因
控制区 启动基因（ P r o m o t e r ） —— 为 c A M P 受体蛋白（ CRP ）和 R N A 聚合酶结合区。
操纵基因（ 0 p e r a t e r ） —— 为阻抑蛋白结合位点。
信息区 —— 由一个或数个结构基因串联在一起组成。
目 录
编码序列
启动序列
操纵序列 调节基因
(promoter)
(operator)
P位是 RNA聚合酶结合并启动转录的模板。 O位结合阻遏蛋
白或阻遏物。信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导
mRNA的合成。在 DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，
能合成阻遏蛋白。阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使 DNA
变构,RNA聚合酶不能沿着 DNA滑动，转录停止。诱导物
与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从 DNA上拉下来,DNA模
板变构,RNA聚合酶可沿着 DNA滑动，转录进行。
目 录
（二）乳糖操纵子调节机制
1、乳糖操纵子 (lac operon)的结构与组成
调控区
CAP结合位点
启动序列
操纵序列
结构基因
Z,β-半乳糖苷酶
Y,透酶
A：乙酰基转移酶
Z Y A O P DNA
目 录
? 以原核生物乳糖操纵子 (Lac operon)为例，其控
制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因
（其 CRP结合位点位于 RNA聚合酶结合位点上
游）和操纵基因；其信息区由 β -半乳糖苷酶基
因（ lacZ），通透酶基因（ lacY）和乙酰化酶
基因（ lacA）串联在一起构成。
控制区 信息区
目 录
乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
目 录
mRNA
阻遏蛋白
I DNA Z Y A O P pol
没有乳糖存在时
2、阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
目 录
目 录
mRNA
阻遏蛋白
有乳糖存在时
I DNA Z Y A O P pol
启动转录 mRNA
乳糖 半乳糖
β-半乳糖苷酶
目 录
目 录
+ + + + 转录
无葡萄糖,cAMP浓度高时
有葡萄糖,cAMP浓度低时
3,CAP的正性调节
Z Y A O P DNA CAP
CAP CAP CAP CAP
CAP
目 录
当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时
细胞中 c A M P 浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
c A M P 与 CRP 结合并使之激合
促使阻抑蛋白与操纵基因分离
C R P 与启动基因结合并促使
R N A 聚合酶与启动基因结合
基因转录激活
目 录
当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时
细胞中 c A M P 浓度降低 缺乏乳糖与阻抑蛋白结合
C R P 失活
阻抑蛋白与操纵基因结合
C R P 及 R N A 聚合酶不能与
启动基因结合
基因转录被阻遏
目 录
4、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, 操纵子仍无转录活性 。
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)。
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mRNA
低半乳糖时 高半乳糖时
葡萄糖低
cAMP浓度高
葡萄糖高
cAMP浓度低
RNA-pol
O O
O O
目 录
目 录
?色氨酸操纵子（ trp operon）属于阻遏型操纵
子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢
的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，
此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多
时，此操纵子被关闭。
?色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，
但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻
遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。
?而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物
与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操
纵基因结合而使基因转录关闭 。
目 录
UUUU……
UUUU……
调节区 结构基因
trpR O P
前导序列 衰减子区域
UUUU…… 前导 mRNA 1 2 3 4
衰减子结构 第 10,11密码子为 trp密码子
终止密码子
14aa前导肽编码区, 包含序列 1
形成发夹结构能力强弱,
序列 1/2>序列 2/3>序列 3/4
trp 密码子
UUUU……
目 录
? 色 氨 酸 操 纵 子 的 调 控 还 涉 及 转 录 衰 减
(attenuation)机制 。 即在色氨酸操纵子第一个结
构基因与启动基因之间存在有一衰减区域, 当
细胞内色氨酸酸浓度很高时, 通过与转录相偶
联的翻译过程, 形成一个衰减子结构, 使 RNA
聚合酶从 DNA上脱落, 导致转录终止 。
目 录
目 录
目 录
2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用
这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操
纵子的调控方式。
AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。 P1型为阻
遏子,P2型为激活子。
调节作用分三种情况,
1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下,AraC与操纵基因
araO2和 AraC的一个结合位点 araI结合，结合于 araO2和 araI的
两个 AraC蛋白之间互相结合，形成一个约 210碱基对的一个
环，从而使 araBAD启动子的转录被抑制，基因 araB,A,D
不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）
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2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，
CAP-cAMP很丰富，与 araI附近的 CRP结合位点结合，
阿拉伯糖与 AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，
DNA环被打开，能与 CAP-cAMP协同诱导 araBAD基
因的转录（阳性调控或正调节）
3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖
均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。
目 录
?由 成群的操纵子组成的基因转录调控网络称
为调节子。通过组成调节子调控网络，对若
干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，
从而达到整体调控的目的。
?典型的整体调控模式是 SOS反应，这是由一
组与 DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组
成。在正常情况下，这些基因均被 LexA阻遏
蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的
RecA蛋白水解酶被激活，催化 LexA阻遏蛋白
裂解失活，从而导致与 DNA损伤修复有关的
基因表达。
3、原核生物转录的整体调控模式
目 录
SOS反应
SOS基因
紫外线
激活
Rec A
Lex A阻遏蛋白
与 DNA 损伤修复有
关的酶和蛋白质
基因
表达
Lex A阻遏蛋白
操纵序列 DNA
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4、反义 RNA及翻译水平调节
反义 RNA的概念,P239
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三、真核生物基因表达调控
Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
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（一）真核生物基因组结构特点
1、真核基因组结构庞大
哺乳类动
物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对
编码基因 约 有 30000 个, 占总长的 6 %
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2、单顺反子
单顺反子 (monocistron)
即一个编码基因转录生成一个 mRNA分子,
经翻译生成一条多肽链 。
3、重复序列
单拷贝序列（一次或数次）
高度重复序列（ 106 次）
中度重复序列（ 103 ~ 104次）
多拷贝序列
4、基因不连续性,断裂基因
?真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些
非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称
为外显子（ exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子
（ intron）。
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（二）真核基因表达调控特点
1,RNA聚合酶活性受转录因子调控：
RNA聚合酶有三种,分别转录不同的 RNA。
2,染色质结构改变参与基因表达的调控,
1）对核酸酶敏感
活化基因常有超敏位点, 位于调节蛋
白结合位点附近 。
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2） DNA拓扑结构变化
天然双链 DNA均以负性超螺旋构象存在；
基因活化后
RNA-pol 正超螺旋 负超螺旋
转录方向
3） DNA碱基修饰变化
真核 DNA约有 5%的胞嘧啶被甲基化,
甲基化范围与基因表达程度呈反比。
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4）组蛋白变化
① 富含 Lys组蛋白水平降低
② H2A,H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰
④ H3组蛋白巯基暴露
3、正性调节占主导,真核基因一般都处于阻遏状
态,RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种
转录因子正性激活 RNA聚合酶是真核基因调控的主要机
制。
4、转录与翻译分隔进行
5,转录后加工修饰过程复杂
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（三）真核基因转录调控元件及调控机制
1、顺式作用元件,是真核生物 DNA调控元
件，包括启动子、增强子和沉默子。
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
需要 DNA调节序列、调节蛋白和 RNA聚合酶三大要素
目 录
目 录
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 。
3）沉默子 (silencer)
某些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。
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2、反式作用因子（分子间作用因子）
是影响基因转录的调节蛋白, 属于转录调节因子
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 。
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* 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
目 录
2）转录调节因子结构
DNA结合域
转录激活域
TF
蛋白质 -蛋白质结合域
（二聚化结构域）
谷氨酰胺富含域
酸性激活域
脯氨酸富含域
目 录
最常见的 DNA结合域
1） 锌指 (zinc finger)
见于 TFⅢ A和类固醇激素受
体中，由一段富含半胱氨酸
的多肽链构成。每四个半光
氨酸残基或 His残基螯合一
分子 Zn2+，其余约 12-13个
残基则呈指样突出，刚好能
嵌入 DNA双螺旋的大沟中
而与之相结合。每个蛋白质
分子中可含 2-9个锌指结构。
目 录
Zn
Cys
His
目 录
目 录
2） α-螺旋－转角－ α-螺旋
HTH和 HLH结构,由两段
а -螺旋夹一段 β -折迭构成，
а -螺旋与 β -折迭之间通过
β -转角或成环连接，即螺旋
-转角 -螺旋结构和螺旋 -环 -螺
旋结构。典型的例子是 λ 噬
菌体的 Cro蛋白，该蛋白含三
段 а -螺旋和三段 β -折迭，
两亚基通过 β -折迭而形成二
聚体，相当于 DNA的一个螺
距的长度，而每一亚基的一
段 а -螺旋则刚好能嵌入 DNA
双螺旋的大沟中与 DNA紧密
结合。
目 录
亮氨酸拉链结构,
? 见于真核生物 DNA结合蛋
白质的 C端，与癌基因表达
调控有关。由两段 α-螺旋平
行排列构成，其 ?-螺旋中存
在每隔 7个残基规律性排列
的 Leu残基,Leu侧链交替
排列而呈拉链状。两条肽链
呈钳状与 DNA结合。
介导蛋白质互相作用的结构模序
目 录
真核基因转录调节是 复杂的、多样的
*不同的 DNA元件组合可产生多种类型的转录调
节方式；
*多种转录因子又可结合相同或不同的 DNA元件 。
*转录因子与 DNA元件结合后, 对转录激活过程
所产生的效果各异, 有正性调节或负性调节之
分 。
