第十三章

基因表達調控

RegulationofGeneExpression

匯報人：某某某匯報時間：2023.X.X第一節

基本概念與原理BasicConceptionsandPrinciple一、基因表達的概念*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?；蚪涍^轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。*基因表達(geneexpression)基因表達是受調控的二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（二）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。三、基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：（一）組成性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(housekeepinggene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續表達，或變化很小。區別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)。（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?？烧T導基因在特定環境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。

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?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。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(coordinateexpression)，這種調節稱為協調調節(coordinateregulation)。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（二）維持個體發育與分化五、基因表達調控的基本原理（一）基因表達的多級調控基因激活轉錄起始轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄起始（二）基因轉錄激活調節基本要素基因表達的調節與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外環境，以及細胞內所存在的轉錄調節蛋白有關。1.特異DNA序列和調節蛋白質原核生物

蛋白質因子——操縱子(operon)

機制特異DNA序列編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調節序列(promoter)(operator)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TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉錄活性大小。某些特異因子（蛋白質）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。2

操縱序列

——阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白3)其他調節序列、調節蛋白例如激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。真核生物1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發現一些共有序列，如TATA盒、CAAT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。

2)真核基因的調節蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節序列，調節自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節其表達。反式作用因子(trans-actingfactor)

這種調節作用稱為反式作用。cDNAaDNA反式調節C順式調節mRNAC蛋白質CBAmRNA蛋白質AA指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構。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)。2.DNA-蛋白質蛋白質-蛋白質的相互作用3.RNA聚合酶⑴

原核啟動序列/真核啟動子與RNA聚合酶活性RNA聚合酶與其的親和力，影響轉錄。⑵

調節蛋白與RNA聚合酶活性一些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。第二節

原核基因轉錄調節RegulationofProkaryoticGeneTranscription——調節的主要環節在轉錄起始一、原核基因轉錄調節特點（一）σ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二、乳糖操縱子調節機制（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAmRNA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mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP（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。

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。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO第三節

真核基因轉錄調節RegulationofEukaryoticGeneTranscription一、真核基因組結構特點（一）真核基因組結構龐大哺乳類動物基因組DNA約3×109

堿基對編碼基因約有40000個，占總長的6%rDNA等重復基因約占5%~10%（二）單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復序列單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（106

次）中度重復序列（103~104次）多拷貝序列（四）基因不連續性二、真核基因表達調控特點（一）RNA聚合酶（二）活性染色體結構變化1.對核酸酶敏感活化基因常有超敏位點，位于調節蛋白結合位點附近。2.DNA拓撲結構變化天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負超螺旋轉錄方向3.DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達程度呈反比。4.組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩定性增加③組蛋白修飾④H3組蛋白巰基暴露（三）正性調節占主導（四）轉錄與翻譯分隔進行（五）轉錄后修飾、加工三、真核基因轉錄激活調節（一）順式作用元件1.啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒2.增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。3.沉默子(silencer)某些基因的負性調節元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。（二）反式作用因子

1.轉錄調節因子分類（按功能特性）*基本轉錄因子

(generaltranscriptionfactors)是RNA聚合酶結合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉錄的類別。*特異轉錄因子

(specialtranscriptionfactors)為個別基因轉錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。轉錄激活因子轉錄抑制因子2.轉錄調節因子結構DNA結合域轉錄激活域TF蛋白質-蛋白質結合域（二聚化結構域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域最常見的DNA結合域

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結合GC盒ZnCysHis

2.α-螺旋常結