第十三章基因表达调控授课教师 郑志 竑中 心 法 则第一节基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念
（一）基因 (gene)
负载特定遗传信息的 DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的 DNA区域。
cDNA（ complementory DNA）：以 mRNA为模板，在反转录酶作用下合成的 DNA。
（二）基因组 (genome)
指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体 DNA和线粒体 DNA
的全部序列。
（三）基因表达（ gene expression）
基因所携带的遗传信息，经过转录、
翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。但对于 rRNA,tRNA编码基因，基因表达仅是转录成 RNA的过程。
二、基因表达的特异性
（ 一） 时间特异性,某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。
多细胞生物基因表达的时间特异性与发育阶段相关,故又称 阶段特异性 。
（二） 空间特异性,在个体生长、发育过程中，某种基因在个体不同组织（空间）
表达的差异。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种 空间 分布 的 差异，实际上是由细胞在个体的分布所决定，所以空间特异性又称 细胞或组织特异性 。
三、基因表达的方式
（一） 基本表达某类基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为 管家基因 。它们较少受环境因素影响，而且在个体各个生长阶段的几乎所有组织中都持续表达。这类基因表达称为 基本表达 或 组成性表达 。
（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因可被激活，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，
这种基因称为 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）。
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
（二）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基因激活 转录起始转录后加工
mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰
（二）基因转录激活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,以及细胞内存在的转录 调节蛋白 有关。
（一）特异 DNA序列原核生物
启动序列（ promoter）,是 RNA聚合酶结合并启动转录的特异 DNA序列。
共有序列 （ consensus sequence）,在转录起始点上游 -10及 -35区域存在的一些相似的序列。它们决定启动序列的转录活性大小 。
操纵序列（ operator）,阻遏蛋白识别、
结合的 DNA序列，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
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。
真核生物基因的特异 DNA序列：
顺式作用元件 ( cis-acting element),可影响自身基因表达活性的 DNA序列。包括启动子、增强子、沉默子等。
结构基因
5’
5’
结构基因
3’
（二）调节蛋白原核生物基因调节蛋白分为三类：
特异因子,阻遏蛋白和激活蛋白 。
原核生物：
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 。
阻遏蛋白,可结合操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节机制。
激活蛋白,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，介导正性调节机制。
真核基因的调节蛋白（ 转录因子 ）：
绝大多数真核转录因子可通过与特异的顺式作用元件的识别、结合反式激活 另一基因 的转录，故又称 反式作用因子 （ trans-acting factors）。
这种作用称为 反式作用 。
某些真核转录因子可特异识别、
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 。
C DNA
ADNA 反式调节
c
顺式调节
mRNA
c 蛋白质 B
BamRNA
蛋白质 A a
（三） DNA-蛋白质、蛋白质 -蛋白质相互作用
DNA-蛋白质相互作用,反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。
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，形成二聚体或多聚体。
（四） RNA聚合酶
1、启动序列 /启动子与 RNA聚合酶活性
RNA聚合酶与其的亲和力,影响转录。
2,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 。
第三节原核基因表达调节一、原核基因转录调节特点
(一 )σ 因子决定 RNA聚合酶识别特异性核心酶 全酶
(二 )操纵子模型的普遍性
Arabinose operon
(三 )阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性二、原核生物转录起始调节
（一）乳糖操纵子的结构
Z,β-半乳糖苷酶基因
Y,透酶基因
A：乙酰基转移酶基因
I：调节基因
P：启动序列
O：操纵序列
mRNA
阻遏蛋白
IDNA Z Y AOPpol
没有乳糖存在时阻遏基因
（二）乳糖操纵子的调节机制
1、阻遏蛋白的负性调节
mRNA
阻遏蛋白有乳糖存在时
IDNA Z Y AOPpol
启动转录 mRNA
乳糖半乳糖
β-半乳糖苷酶阻遏蛋白的 负性调节,—— 可诱导 调控
1) 无乳糖 存在时,阻遏物 可以结合在操纵基因上 → 阻止 转录过程 → 基因关闭；
2） 有乳糖 存在时，乳糖 → 半乳糖与阻遏物结合 → 阻遏物变构 → 阻遏物不能结合操纵基因 → 转录进行 → 基因开放。
可诱导调控 的操纵子，其基因表达产物都是利用某种营养物的 酶体系（分解代谢）
有营养物,相应基因开放；
无营养物,细胞就没必要产生相应的酶；
2,CAP的正性调节
CAP：分解（代谢）物基因激活蛋白
-35 -10 +1 +20 +28
阻遏物结合区
RNA pol结合区CAP结合位点
CAP的结合位点在启动子上游。
CAP + cAMP→复合物 →结合在 CAP
的结合位点上 →促进 RNA pol向前移动
→促转录
+ + + + 转录无葡萄糖,cAMP浓度高时有葡萄糖,cAMP浓度低时
Z Y AOPDNA CAP
CAPCAPCAP CAP
CAP
1） 有葡萄糖 存在时,cAMP↓→cAMP -
CAP复合物 ↓,不能结合 CAP位点 上，
→正调控作用 ↓→基因 不能表达 。
2） 无葡萄糖 存在时,cAMP↑→cAMP -
CAP复合物 ↑ →正调控作用 ↑ → 基因 表达 。
3、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。
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
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） 。
lac操纵子 调节 的解释：若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过 降低 cAMP浓度，阻碍
cAMP与 CAP结合而 抑制 lac操纵子转录，
使细菌 只能利用葡萄糖 。 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖 。
第四节真核基因转录调节一、真核基因组结构特点
(一 )真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组
DNA 约 3× 10 碱基对编码基因 约有 3~4万个，
占总长的 6 %
rRNA等重复基因 约 占
5% ~ 10%
(二 )单顺反子（ monocistron）
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。
(三 )重复序列多拷贝重复序列（ 103~ 106次）
(四 )基因不连续性 (内含子、外显子）
Intron
Exon
二、真核基因表达调控特点
(一 ) RNA聚合酶真核生物 RNA聚合酶有三种，即
RNA Pol I,II和 III，分别负责三种
RNA转录。
(二 ) 活性染色体结构变化核小体结构胞嘧啶甲基化
(三 ) 正性调节占主导
(四 ) 转录与翻译分隔进行
(五 ) 转录后修饰、加工三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子。
启动子 (promotor):
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盒启动子结构特点：
① 200 bp （原核生物 60 bp）
② 核心启动子,30区,TATA盒,7-10bp— 控制转录起始的准确性及频率。 TATA盒 — TFⅡ D
结合位点；由 TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子。
③ CAAT盒,GC盒（此两种序列不是必备，可缺 1或 2或顺序互换），提高转录频率。
④ 上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。
增强子（ enhancer)：远离转录起始点，
决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的 DNA序列。其发挥作用的方式通常无专一性,与方向、距离无关。
沉默子（ silencer）,负性调节元件 — 远方顺式作用元件,当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
（二）反式作用因子
1、转录调节因子分类：
* 基本转录因子：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。 如,TFⅡ D
* 特异转录因子：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。
SP1CBF (特异转录因子 )
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最常见的 DNA结合域：
1、锌指结构（ zinc finger）
常结合 GC盒
C —— Cys
H —— His
2,α -螺旋常结合 CAAT盒
(三 ) mRNA转录激活及其调节
polⅡ
TFⅡ HTAF
TFⅡ F
TAFTAF
TFⅡ A TFⅡ BTBP
真核 RNA聚合酶 Ⅱ 在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物
TATA DNA
TBP相关因子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,对转录激活产生正性调节或负性调节 。
小 结
基因表达就是基因转录和翻译的过程。
基因表达有时间和空间特异性。
基因表达的方式有组成性表达及诱导 /阻遏之分。
原核生物调节基因的表达是为适应营养环境变化，维持生长和细胞分裂。
多细胞生物调节基因的表达除了为适应环境，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。
基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件，其中转录起始是基因表达的基本控制点。
大多数原核基因调控是通过操纵子机制实现的。
真核基因转录激活受顺式作用元件与反式作用因子相互作用调节。
（一）基因 (gene)
负载特定遗传信息的 DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的 DNA区域。
cDNA（ complementory DNA）：以 mRNA为模板，在反转录酶作用下合成的 DNA。
（二）基因组 (genome)
指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体 DNA和线粒体 DNA
的全部序列。
（三）基因表达（ gene expression）
基因所携带的遗传信息，经过转录、
翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。但对于 rRNA,tRNA编码基因，基因表达仅是转录成 RNA的过程。
二、基因表达的特异性
（ 一） 时间特异性,某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。
多细胞生物基因表达的时间特异性与发育阶段相关,故又称 阶段特异性 。
（二） 空间特异性,在个体生长、发育过程中，某种基因在个体不同组织（空间）
表达的差异。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种 空间 分布 的 差异，实际上是由细胞在个体的分布所决定，所以空间特异性又称 细胞或组织特异性 。
三、基因表达的方式
（一） 基本表达某类基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为 管家基因 。它们较少受环境因素影响，而且在个体各个生长阶段的几乎所有组织中都持续表达。这类基因表达称为 基本表达 或 组成性表达 。
（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因可被激活，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，
这种基因称为 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）。
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
（二）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基因激活 转录起始转录后加工
mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰
（二）基因转录激活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,以及细胞内存在的转录 调节蛋白 有关。
（一）特异 DNA序列原核生物
启动序列（ promoter）,是 RNA聚合酶结合并启动转录的特异 DNA序列。
共有序列 （ consensus sequence）,在转录起始点上游 -10及 -35区域存在的一些相似的序列。它们决定启动序列的转录活性大小 。
操纵序列（ operator）,阻遏蛋白识别、
结合的 DNA序列，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
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。
真核生物基因的特异 DNA序列：
顺式作用元件 ( cis-acting element),可影响自身基因表达活性的 DNA序列。包括启动子、增强子、沉默子等。
结构基因
5’
5’
结构基因
3’
（二）调节蛋白原核生物基因调节蛋白分为三类：
特异因子,阻遏蛋白和激活蛋白 。
原核生物：
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 。
阻遏蛋白,可结合操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节机制。
激活蛋白,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，介导正性调节机制。
真核基因的调节蛋白（ 转录因子 ）：
绝大多数真核转录因子可通过与特异的顺式作用元件的识别、结合反式激活 另一基因 的转录，故又称 反式作用因子 （ trans-acting factors）。
这种作用称为 反式作用 。
某些真核转录因子可特异识别、
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 。
C DNA
ADNA 反式调节
c
顺式调节
mRNA
c 蛋白质 B
BamRNA
蛋白质 A a
（三） DNA-蛋白质、蛋白质 -蛋白质相互作用
DNA-蛋白质相互作用,反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。
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，形成二聚体或多聚体。
（四） RNA聚合酶
1、启动序列 /启动子与 RNA聚合酶活性
RNA聚合酶与其的亲和力,影响转录。
2,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 。
第三节原核基因表达调节一、原核基因转录调节特点
(一 )σ 因子决定 RNA聚合酶识别特异性核心酶 全酶
(二 )操纵子模型的普遍性
Arabinose operon
(三 )阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性二、原核生物转录起始调节
（一）乳糖操纵子的结构
Z,β-半乳糖苷酶基因
Y,透酶基因
A：乙酰基转移酶基因
I：调节基因
P：启动序列
O：操纵序列
mRNA
阻遏蛋白
IDNA Z Y AOPpol
没有乳糖存在时阻遏基因
（二）乳糖操纵子的调节机制
1、阻遏蛋白的负性调节
mRNA
阻遏蛋白有乳糖存在时
IDNA Z Y AOPpol
启动转录 mRNA
乳糖半乳糖
β-半乳糖苷酶阻遏蛋白的 负性调节,—— 可诱导 调控
1) 无乳糖 存在时,阻遏物 可以结合在操纵基因上 → 阻止 转录过程 → 基因关闭；
2） 有乳糖 存在时，乳糖 → 半乳糖与阻遏物结合 → 阻遏物变构 → 阻遏物不能结合操纵基因 → 转录进行 → 基因开放。
可诱导调控 的操纵子，其基因表达产物都是利用某种营养物的 酶体系（分解代谢）
有营养物,相应基因开放；
无营养物,细胞就没必要产生相应的酶；
2,CAP的正性调节
CAP：分解（代谢）物基因激活蛋白
-35 -10 +1 +20 +28
阻遏物结合区
RNA pol结合区CAP结合位点
CAP的结合位点在启动子上游。
CAP + cAMP→复合物 →结合在 CAP
的结合位点上 →促进 RNA pol向前移动
→促转录
+ + + + 转录无葡萄糖,cAMP浓度高时有葡萄糖,cAMP浓度低时
Z Y AOPDNA CAP
CAPCAPCAP CAP
CAP
1） 有葡萄糖 存在时,cAMP↓→cAMP -
CAP复合物 ↓,不能结合 CAP位点 上，
→正调控作用 ↓→基因 不能表达 。
2） 无葡萄糖 存在时,cAMP↑→cAMP -
CAP复合物 ↑ →正调控作用 ↑ → 基因 表达 。
3、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。
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
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） 。
lac操纵子 调节 的解释：若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过 降低 cAMP浓度，阻碍
cAMP与 CAP结合而 抑制 lac操纵子转录，
使细菌 只能利用葡萄糖 。 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖 。
第四节真核基因转录调节一、真核基因组结构特点
(一 )真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组
DNA 约 3× 10 碱基对编码基因 约有 3~4万个，
占总长的 6 %
rRNA等重复基因 约 占
5% ~ 10%
(二 )单顺反子（ monocistron）
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。
(三 )重复序列多拷贝重复序列（ 103~ 106次）
(四 )基因不连续性 (内含子、外显子）
Intron
Exon
二、真核基因表达调控特点
(一 ) RNA聚合酶真核生物 RNA聚合酶有三种，即
RNA Pol I,II和 III，分别负责三种
RNA转录。
(二 ) 活性染色体结构变化核小体结构胞嘧啶甲基化
(三 ) 正性调节占主导
(四 ) 转录与翻译分隔进行
(五 ) 转录后修饰、加工三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子。
启动子 (promotor):
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盒启动子结构特点：
① 200 bp （原核生物 60 bp）
② 核心启动子,30区,TATA盒,7-10bp— 控制转录起始的准确性及频率。 TATA盒 — TFⅡ D
结合位点；由 TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子。
③ CAAT盒,GC盒（此两种序列不是必备，可缺 1或 2或顺序互换），提高转录频率。
④ 上游活化序列，由其它序列代替此两种序列。
增强子（ enhancer)：远离转录起始点，
决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的 DNA序列。其发挥作用的方式通常无专一性,与方向、距离无关。
沉默子（ silencer）,负性调节元件 — 远方顺式作用元件,当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
（二）反式作用因子
1、转录调节因子分类：
* 基本转录因子：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。 如,TFⅡ D
* 特异转录因子：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。
SP1CBF (特异转录因子 )
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最常见的 DNA结合域：
1、锌指结构（ zinc finger）
常结合 GC盒
C —— Cys
H —— His
2,α -螺旋常结合 CAAT盒
(三 ) mRNA转录激活及其调节
polⅡ
TFⅡ HTAF
TFⅡ F
TAFTAF
TFⅡ A TFⅡ BTBP
真核 RNA聚合酶 Ⅱ 在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物
TATA DNA
TBP相关因子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,对转录激活产生正性调节或负性调节 。
小 结
基因表达就是基因转录和翻译的过程。
基因表达有时间和空间特异性。
基因表达的方式有组成性表达及诱导 /阻遏之分。
原核生物调节基因的表达是为适应营养环境变化，维持生长和细胞分裂。
多细胞生物调节基因的表达除了为适应环境，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。
基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件，其中转录起始是基因表达的基本控制点。
大多数原核基因调控是通过操纵子机制实现的。
真核基因转录激活受顺式作用元件与反式作用因子相互作用调节。
