真核生物基因表达的调控
(Control of Eukaryotic Gene Exepression )
? DNA水平的调控
? 转录水平的调控 (transcriptional regulation)
? 转录后水平的调控 (post transcriptional
regulation)
? 翻译水平的调控 (translational regulation)
? 翻译后水平的调控 (protein maturation)
真核基因组结构特点
? 真核基因组结构庞大 3× 109bp、染色质、染
色体、核膜
? 单顺反子 (monocistron)
? 含有大量重复序列
? 基因不连续性 断裂基因（ interrupted gene）、
内含子 (intron),外显子 (exon)
? 非编码区较多 多于编码序列 (9:1)
? 原核生物：生长调控；真核生物：分化调控
多层次调控
失活
DNA水平的调控
? 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性（ totipotency）：细胞核内保存了个体
发育所必需的全部基因
? 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
? 基因重排 (gene rearrangement)：
– 如免疫球蛋白基因重排，多样性
DNA水平的调控
? 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
? 染色质 (chromatin)或染色体 (chromosome)
结构 对基因表达的调控：
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)
Xist X染色体 其他位点
甲基化，不转录 活性 去甲基化，活性
去甲基化，转录 失活 甲基化，失活
?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。
转录水平的调控
? 最重要
? 顺式作用元件 (cis-acting element)
? 反式作用因子 (trans-acting factor)
? 转录起始的调控
顺式作用元件 (cis-acting element)
? 影响 自身基因 表达活性的 DNA序列
? 非编码序列
? 分启动子、增强子、沉默子
– 启动子：
* TATA盒,-25bp
* 上游启动子元件 (upstream promotor
elements,UPE),CAAT 盒,-75bp； GC序列等
顺式作用元件
? 增强子 (enhancer)：远离转录起始点
（ 1~30kb），增强启动子转录活性 DNA
序列，与方向、距离无关
? 沉默子 (silencer)：负性调节元件，起阻
遏作用
顺式作用元件
增强子
? 感染真核细胞的病毒 DNA，大多具有可
被寄主细胞蛋白质激活的增强子。
– 小鼠乳腺瘤病毒（ MMTV）的 DNA，具有
糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激
活的细胞（如乳腺上皮细胞）中,MMTV
病毒能旺盛生长。
– 病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特
异的增强子。
反式作用因子 (trans-acting factor)
? 概念：为 DNA结合蛋白,核内蛋白,可使邻近
基因开放（正调控）或关闭（负调控）
? 通用或基本转录因子 (general transcription
factors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一
组蛋白因子。
– TFⅡ A,TFⅡ B,TFⅡ D,TFⅡ E等
? 特异转录因子 ( special transcription factors)—
个别基因转录所必需的转录因子,
– OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别 Ig基因的
启动子和增强子。
反式作用因子特点
? 三个功能结构域,DNA识别结合域 (DNA-
binding domain)；转录活性域 (transcriptional
activation domain)；结合其他蛋白的结合域
? 能识别并结合顺式作用元件 (cis-acting element)
? 正调控与负调控
功能
结构域
反式作用因子结构域的模式
? DNA结合域 (DNA- banding domain)
– 锌指结构 (zinc finger motif)
– 同源结构域 (homodomain,HD),螺旋 -回折 -
螺旋 (helix-turn-helix)
– 亮氨酸拉链 结构 (leucine zipper)
– 螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
– 碱性 α螺旋 (alkaline α-helix)
锌指结构 (zinc finger motif)
螺旋 -转角 -螺旋 (helix-turn-helix)
亮氨酸拉链 (leucine zipper)
TRE,TPA response element
螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
螺旋 -环 -螺旋
反式作用因子结构域的模式
? 转录活化结构域 (transcriptional
activation domain)
– 酸性 α-螺旋结构域 (acidic α–helix domain)
– 富含谷氨酰胺结构域 (glutamine-rich domain)
– 富含脯氨酸结构域 (proline-rich domain)
转录起始的调控
? 转录起始复合物的形成
– 关键：
*转录因子 (transcription factor,TF)；
*启动子与 TF结合后，才能被 RNA pol识别
与结合；
*-25～ -30区,TATA盒
转录起始
的调控
TBP:TATA-
binding
protein
TAFs:TBP
associated
factors
转录起始的调控
? 反式作用因子的活性调节
– 合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解
– 共价修饰：磷酸化 -去磷酸化，糖基化
– 配体结合：如激素与 受体 的结合
– 蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体
? 反式作用因子与顺式作用元件的结合
转录起始的调控
? 反式作用因子的作用方式
– 成环、扭曲、滑动,Oozing等
? 反式作用因子的 组合式调控 作用
(conbinatorial gene regulation)
– 使有限的反式作用因子可以调控不同基因的
表达
成环
反式作用因子与顺式作用元件的结合
组合式调控作用
转录后水平的调控
? 5′端加帽 (cap)和 3′端多聚腺苷酸化 (polyA)的调
控意义
– 使 mRNA稳定，在转录过程中不被降解
? mRNA的选择剪接 (alternative splicing)对基因
表达的调控
– 外显子选择 (optional exon)、内含子选择 (optional
intron)、互斥外显子、内部剪接位点
? mRNA 运输的控制
cAMP response
element
CRE –binding
protein
翻译水平的调控
? 翻译起始的调控
– 未受精卵：隐蔽 mRNA(masked mRNA)；受精：招
募因子 (recruitment factor)，激活隐蔽 mRNA
– 阻遏蛋白的调控,铁结合调节蛋白 (regulatory iron-
binding protein)
– 翻译起始因子的调控,eIF-2，血红素对珠蛋白合成
的调节
– 5′AUG对翻译的调控作用：减少正常 AUG启动翻译
的作用，使翻译维持在较低水平
– mRNA5 ′端非编码区长度对翻译的影响
铁结合调节蛋白
3′
3′
翻译起始因子 (eIF2)的调控
翻译水平的调控
? mRNA稳定性调节
– 3′端非编码区结构影响其稳定性,3′端富含 A和 U的
结构，引起 mRNA 不稳定
– 蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，
mRNA半衰期达 100小时，其他仅 2.5小时
? 小分子 RNA对翻译水平的影响
翻译后水平的调控
? 新生肽链的水解：酶解
– 肽链 N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸
（ Met,Ser,Thr,Ala,Val,Cys,Gly、
Pro）与去稳定氨基酸
? 肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲
基化、酰基化
? 通过信号肽 (signal peptide)分拣、运输、
定位
蛋白质合成后的靶向输送
（ protein targeting）
? 蛋白质合成后的去向
– 留在胞浆
– 进入核、线粒体或其它细胞器
– 分泌至体液，输送至靶器官
*靶向输送 --蛋白质合成后，定向地到
达其执行功能的目标地点
? 分泌性蛋白质 (secretory proteins)
– 穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质
? 信号肽 (signal peptide)
– N-端的一段疏水氨基酸 10～ 40个氨基酸
– 把合成的蛋白质移向胞膜并与胞膜结合，然后把
合成的蛋白质送出胞外
分泌性蛋白质转运的机制
SRP,signal recognition particles
(Control of Eukaryotic Gene Exepression )
? DNA水平的调控
? 转录水平的调控 (transcriptional regulation)
? 转录后水平的调控 (post transcriptional
regulation)
? 翻译水平的调控 (translational regulation)
? 翻译后水平的调控 (protein maturation)
真核基因组结构特点
? 真核基因组结构庞大 3× 109bp、染色质、染
色体、核膜
? 单顺反子 (monocistron)
? 含有大量重复序列
? 基因不连续性 断裂基因（ interrupted gene）、
内含子 (intron),外显子 (exon)
? 非编码区较多 多于编码序列 (9:1)
? 原核生物：生长调控；真核生物：分化调控
多层次调控
失活
DNA水平的调控
? 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性（ totipotency）：细胞核内保存了个体
发育所必需的全部基因
? 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
? 基因重排 (gene rearrangement)：
– 如免疫球蛋白基因重排，多样性
DNA水平的调控
? 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
? 染色质 (chromatin)或染色体 (chromosome)
结构 对基因表达的调控：
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)
Xist X染色体 其他位点
甲基化，不转录 活性 去甲基化，活性
去甲基化，转录 失活 甲基化，失活
?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。
转录水平的调控
? 最重要
? 顺式作用元件 (cis-acting element)
? 反式作用因子 (trans-acting factor)
? 转录起始的调控
顺式作用元件 (cis-acting element)
? 影响 自身基因 表达活性的 DNA序列
? 非编码序列
? 分启动子、增强子、沉默子
– 启动子：
* TATA盒,-25bp
* 上游启动子元件 (upstream promotor
elements,UPE),CAAT 盒,-75bp； GC序列等
顺式作用元件
? 增强子 (enhancer)：远离转录起始点
（ 1~30kb），增强启动子转录活性 DNA
序列，与方向、距离无关
? 沉默子 (silencer)：负性调节元件，起阻
遏作用
顺式作用元件
增强子
? 感染真核细胞的病毒 DNA，大多具有可
被寄主细胞蛋白质激活的增强子。
– 小鼠乳腺瘤病毒（ MMTV）的 DNA，具有
糖皮质激素基因的增强子。在能被类固醇激
活的细胞（如乳腺上皮细胞）中,MMTV
病毒能旺盛生长。
– 病毒有寄主范围，因它有组织特异和物种特
异的增强子。
反式作用因子 (trans-acting factor)
? 概念：为 DNA结合蛋白,核内蛋白,可使邻近
基因开放（正调控）或关闭（负调控）
? 通用或基本转录因子 (general transcription
factors)—RNA聚合酶结合启动子所必需的一
组蛋白因子。
– TFⅡ A,TFⅡ B,TFⅡ D,TFⅡ E等
? 特异转录因子 ( special transcription factors)—
个别基因转录所必需的转录因子,
– OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别 Ig基因的
启动子和增强子。
反式作用因子特点
? 三个功能结构域,DNA识别结合域 (DNA-
binding domain)；转录活性域 (transcriptional
activation domain)；结合其他蛋白的结合域
? 能识别并结合顺式作用元件 (cis-acting element)
? 正调控与负调控
功能
结构域
反式作用因子结构域的模式
? DNA结合域 (DNA- banding domain)
– 锌指结构 (zinc finger motif)
– 同源结构域 (homodomain,HD),螺旋 -回折 -
螺旋 (helix-turn-helix)
– 亮氨酸拉链 结构 (leucine zipper)
– 螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
– 碱性 α螺旋 (alkaline α-helix)
锌指结构 (zinc finger motif)
螺旋 -转角 -螺旋 (helix-turn-helix)
亮氨酸拉链 (leucine zipper)
TRE,TPA response element
螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
螺旋 -环 -螺旋
反式作用因子结构域的模式
? 转录活化结构域 (transcriptional
activation domain)
– 酸性 α-螺旋结构域 (acidic α–helix domain)
– 富含谷氨酰胺结构域 (glutamine-rich domain)
– 富含脯氨酸结构域 (proline-rich domain)
转录起始的调控
? 转录起始复合物的形成
– 关键：
*转录因子 (transcription factor,TF)；
*启动子与 TF结合后，才能被 RNA pol识别
与结合；
*-25～ -30区,TATA盒
转录起始
的调控
TBP:TATA-
binding
protein
TAFs:TBP
associated
factors
转录起始的调控
? 反式作用因子的活性调节
– 合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解
– 共价修饰：磷酸化 -去磷酸化，糖基化
– 配体结合：如激素与 受体 的结合
– 蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体
? 反式作用因子与顺式作用元件的结合
转录起始的调控
? 反式作用因子的作用方式
– 成环、扭曲、滑动,Oozing等
? 反式作用因子的 组合式调控 作用
(conbinatorial gene regulation)
– 使有限的反式作用因子可以调控不同基因的
表达
成环
反式作用因子与顺式作用元件的结合
组合式调控作用
转录后水平的调控
? 5′端加帽 (cap)和 3′端多聚腺苷酸化 (polyA)的调
控意义
– 使 mRNA稳定，在转录过程中不被降解
? mRNA的选择剪接 (alternative splicing)对基因
表达的调控
– 外显子选择 (optional exon)、内含子选择 (optional
intron)、互斥外显子、内部剪接位点
? mRNA 运输的控制
cAMP response
element
CRE –binding
protein
翻译水平的调控
? 翻译起始的调控
– 未受精卵：隐蔽 mRNA(masked mRNA)；受精：招
募因子 (recruitment factor)，激活隐蔽 mRNA
– 阻遏蛋白的调控,铁结合调节蛋白 (regulatory iron-
binding protein)
– 翻译起始因子的调控,eIF-2，血红素对珠蛋白合成
的调节
– 5′AUG对翻译的调控作用：减少正常 AUG启动翻译
的作用，使翻译维持在较低水平
– mRNA5 ′端非编码区长度对翻译的影响
铁结合调节蛋白
3′
3′
翻译起始因子 (eIF2)的调控
翻译水平的调控
? mRNA稳定性调节
– 3′端非编码区结构影响其稳定性,3′端富含 A和 U的
结构，引起 mRNA 不稳定
– 蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，
mRNA半衰期达 100小时，其他仅 2.5小时
? 小分子 RNA对翻译水平的影响
翻译后水平的调控
? 新生肽链的水解：酶解
– 肽链 N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸
（ Met,Ser,Thr,Ala,Val,Cys,Gly、
Pro）与去稳定氨基酸
? 肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲
基化、酰基化
? 通过信号肽 (signal peptide)分拣、运输、
定位
蛋白质合成后的靶向输送
（ protein targeting）
? 蛋白质合成后的去向
– 留在胞浆
– 进入核、线粒体或其它细胞器
– 分泌至体液，输送至靶器官
*靶向输送 --蛋白质合成后，定向地到
达其执行功能的目标地点
? 分泌性蛋白质 (secretory proteins)
– 穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质
? 信号肽 (signal peptide)
– N-端的一段疏水氨基酸 10～ 40个氨基酸
– 把合成的蛋白质移向胞膜并与胞膜结合，然后把
合成的蛋白质送出胞外
分泌性蛋白质转运的机制
SRP,signal recognition particles
