1、第十六章 基因表達調控 Regulation of Gene ExpressionInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering本章內容基因表達調控的基本概念基因表達調控的基本原理原核基因表達調節真核基因表達調節Institute of Genetic Engineering第一節 基本概念基因表達， 基因，基因組基因表達的時空特異性基因表達方式組成性表達（管家基因）誘導或阻遏表達協調表達Institute of Genetic Engineering一、基因表達的概念基因： (gene) 負載特定遺傳信息的DN

2、A片段。其結構包括結構基因和調控序列。Institute of Genetic Engineering概 念原核生物：環狀染色體全部基因基因組 (genome) 來自一個遺傳體系的一整套遺傳信息。Institute of Genetic Engineering染色體基因組，一般的定義是單倍體細胞中的全套染色體為一個基因組，或是單倍體細胞中的全部基因為一個基因組。真核生物基因組每種真核生物的單倍體基因組中的全部DNA量稱為C值 (C-Value)。C值大小基本上反應生物進化程度的差異。Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Eng

3、ineeringC值矛盾生物體的進化程度與基因組大小不完全成比例的現象。C值矛盾主要是由于各種生物基因組的結構特征的差異造成的，低等和高等生物差別明顯。基因組大小與C值矛盾Institute of Genetic Engineering 生物體結構與功能的復雜程度不僅取決于一定的基因數量，更重要的是在于基因功能及其相互作用網絡的復雜性和精確性。Institute of Genetic Engineering基因表達 (gene expression) 基因轉錄及翻譯的過程。并非所有基因表達過程都產生蛋白質。如 基因轉錄生成 rRNA，tRNA概 念Institute of Genetic En

4、gineering基因表達是受調控的 在某一特定時期或生長階段，基因組中只有 一小部分基因處于表達狀態。 個體某種功能的基因產物在細胞中的數量隨著時間、環境而變化。概 念Institute of Genetic Engineering二、基因表達的特異性（一）時間特異性 (temporal specificity)按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生。階段特異性 (stage specificity)與分化、發育階段一致Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering人珠蛋白基因表達的時間特異性

5、胚胎期血紅蛋白： HbE = z2 e2 為主胎兒期血紅蛋白： HbF = a2 g2為主 成人血紅蛋白： HbA =a2 b2 （95%） Institute of Genetic Engineering（二）空間特異性 (spatial specificity)細胞或組織特異性 (cell or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現。二、基因表達的特異性Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering三、基因表達的方式（一）基本

6、表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因 (housekeeping gene)。 基本或組成性基因表達 (constitutive gene expression)。Institute of Genetic Engineering（二）誘導和阻遏表達在特定環境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。可誘導基因在特定環境中表達增強的過程，稱為誘導 (induction)。舉例：DNA損傷 修復酶基因激活 Institute of Genetic Engineering如果基因對環境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達產

7、物水平降低的過程稱為阻遏 (repression)。（二）誘導和阻遏表達Institute of Genetic Engineering在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調表達(coordinate expression)，這種調節稱為協調調節(coordinate regulation)。（三） 協 調 表 達Institute of Genetic Engineering四、基因表達調控的生物學意義（一）適應環境、維持生長和增殖 原核生物：葡萄糖、乳糖代謝 高等生物：常飲酒者體內醇氧化酶活性高（二）維持個體發育與分化 各組織、器官的

8、發育、分化是由特定的基因控制的。Institute of Genetic Engineering 基因表達調控的基本原理Basic Principles of Regulation of Gene Expression 第 二 節Institute of Genetic Engineering一、基因表達調控的多層性和復雜性DNA擴增DNA重排甲基化蛋白質降解多肽鏈合成翻譯后加工修飾 基因表達調控基本控制點：轉錄起始轉錄起始轉錄后加工mRNA降解Institute of Genetic Engineering二、基因轉錄激活調節基本要素特異DNA序列決定基因的轉錄活性 特異DNA序列：有調節功

9、能的DNA序列。原核生物 操縱子(operon) 機制Institute of Genetic Engineering 通常由2個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調節序列在基因組中成簇串聯組成。操 縱 子編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調節序列(promoter)(operator)(coding sequence)Institute of Genetic Engineering是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。1) 啟動序列RNA轉錄起始-35區-10區TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACT

10、GTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列Institute of Genetic Engineering阻遏蛋白 (repressor) 的結合位點啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白2 操縱序列Institute of Genetic Engineering真核生物的特異DNA序列順式作用元件(cis-acting element)指與結構基因表達調控有關，能夠被調控蛋白特異性識別和結合的DNA序列；或凡能激活或阻遏基因轉錄的DNA序列。包括啟動子、增強子、沉默子等。共有序列：如T

11、ATA盒、CCAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。Institute of Genetic Engineering順式作用元件非編碼序列真核基因的順式作用元件分為： 啟動子、增強子、沉默子Institute of Genetic Engineering2. 轉錄調節蛋白影響轉錄活性原核生物特異因子：決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。即因子阻遏蛋白負性調節激活蛋白正性調節Institute of Genetic Engineering真核基因的調節蛋白：轉錄因子真核轉錄調節因子由其編碼基因表達后，通過與特異的順式作用元件的識別、結合（即DNA

12、-蛋白質相互作用）反式激活另一基因的轉錄，稱反式作用蛋白或反式作用因子。 反式作用因子 (trans-acting factor) Institute of Genetic EngineeringDNA-蛋白質相互作用指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。非共價結合絕大多數調節蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)。 DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質的相互作用Institute of Genetic Engineering3. RNA聚合酶 啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性啟動序列會影響其與RNA聚合酶的親和力，直接影響

13、轉錄起動的頻率。共有序列決定啟動序列的轉錄活性大小。 Institute of Genetic Engineering 調節蛋白與RNA聚合酶活性特異調節蛋白在適當環境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用影響RNA聚合酶活性，從而使基礎轉錄頻率發生改變，出現表達水平變化。3. RNA聚合酶Institute of Genetic Engineering原核基因轉錄調節Regulation of Prokaryotic Gene Transcription第 三 節Institute of Genetic Engineering調節的主要環節在轉錄起始一、原核基因轉錄調

14、節特點（一）因子決定RNA聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性Institute of Genetic Engineering二、原核生物轉錄起始調節（一）乳糖操縱子(lac operon)的結構 調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列 結構基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基轉移酶ZYAOPDNAInstitute of Genetic EngineeringmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）阻遏蛋白的負性調節阻遏基因Institute of Genetic Engineering（二）阻遏蛋白的負性調節mRNA阻遏蛋白IDN

15、AZYAOPpol啟動轉錄mRNA有乳糖存在時別乳糖-半乳糖苷酶乳糖FIGURE 12.6 Addition of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymesInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（三）CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCA

16、PCAPInstitute of Genetic Engineering（四）協 調 調 節當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。Institute of Genetic Engineering問 題單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源?若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖?Institute of Genetic EngineeringmRNA低乳糖時高乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOInstitute of Genetic Engineering調節蛋白結合mRNA靶位點，阻止核蛋白體識別翻譯起始區，從而阻斷翻譯。調節蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，稱為自我控制（autogenous control)。四、原核生物翻譯水平調節（一）蛋白質分子的自我調節Institute of Genetic Engineering（二）反義RNA對翻譯的調節作用調節RNA：可調節基因表達的RNA分子。反義RNA含有與特定mRNA翻譯起始