1、王晓华王晓华基因表达基因表达结构基因结构基因mRNA蛋白质蛋白质转录翻译多肽链在DNA的编码区（生命蓝图）（生命蓝图）生物体的结构生物体的结构与功能与功能（生命现象）（生命现象）调节基因调节基因mRNA调节蛋白调节蛋白转录翻译tRNArRNA主主 要要 内内 容容掌握基因表达调控的基本概念、原理掌握基因表达调控的基本概念、原理掌握原核基因转录调节掌握原核基因转录调节熟悉真核基因转录调节熟悉真核基因转录调节第一节第一节基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念Basic Conceptions of Gene Expression Regulation一、基因表达概念一、基因表达概念基基 因因
2、 组组 ： 一一 个个 细细 胞胞 或或 病病 毒毒 所所 携携 带带 的的 全全 部部 遗遗 传传信信息息或或整整套套基基因因（细细菌菌约约含含4000,人人含含34万个结构基因）。万个结构基因）。基基因因表表达达：指指基基因因转转录录及及翻翻译译过过程程。rRNA、tRNA编编码码基基因因转转录录产产生生RNA的的过过程程也也属属此此范围。范围。真核生物在一定时间内只有真核生物在一定时间内只有2%15%的基因的基因进行表达，进行表达，基因表达受严格的调控基因表达受严格的调控。 如果一个细胞在同一时间内全部基因进行表如果一个细胞在同一时间内全部基因进行表达，将出现蛋白质合成的巨大浪费，细胞也
3、达，将出现蛋白质合成的巨大浪费，细胞也无法适应环境而生存。无法适应环境而生存。 如果生物体每个细胞都有相同基因的表达，如果生物体每个细胞都有相同基因的表达，这种生物体将不可能有器官和组织功能的分这种生物体将不可能有器官和组织功能的分工，从而不能进行正常的生命活动。工，从而不能进行正常的生命活动。二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性指不同发育阶段、不同指不同发育阶段、不同 生理状态下有不同基生理状态下有不同基因的表达。因的表达。如如AFP（胎儿低分化的肝细胞表（胎儿低分化的肝细胞表达，成人高分化的肝细胞基本不表达，肝细达，成人高分化的肝细胞基本不表达，肝细胞癌变又表达）、胎儿
4、胞癌变又表达）、胎儿Hb等。等。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性异性(stage specificity)。（一）时间特异性（一）时间特异性指不同细胞有不同基因表达，由细胞在器官指不同细胞有不同基因表达，由细胞在器官的分布决定，的分布决定，又称又称细胞细胞或组织或组织特异性。特异性。 如红细胞合成如红细胞合成 Hb，肝细胞合成白蛋白、，肝细胞合成白蛋白、HMG-CoA裂解酶，胰岛裂解酶，胰岛 细胞合成胰岛素，细胞合成胰岛素，前列腺细胞合成酸性磷酸酶，肝细胞合成碱前列腺细胞合成酸性磷酸酶，肝细胞合成碱性磷酸酶等。性磷酸酶等。（二）空间特异性（二
5、）空间特异性三、基因表达方式三、基因表达方式（一）（一） 组成性表达组成性表达 管管家家基基因因：一一个个生生物物个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达的基因。的基因。 无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素无论表达水平高低，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别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达基因表达(constitutive gene expression)。特点：受启动子及特点：受启
6、动子及RAN聚合酶作用影响聚合酶作用影响（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基因基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过程，称为过程，称为诱导诱导(induction)。 如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的过程称为的过程称为阻遏阻遏(repression)。特点：除受启动子及特点：除受启动子及
7、RAN聚合酶作用影响外，聚合酶作用影响外，还受其他机制调节（含特异刺激反应元件）还受其他机制调节（含特异刺激反应元件）四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义v 适应环境，维持生长和增殖适应环境，维持生长和增殖 血血G糖糖异异生生有有关关酶酶编编码码基基因因表表达达糖糖原原分分解解酶酶编编码码基基因因表表达达 血血G恢恢复复；当当G耗耗尽尽有有乳乳糖糖，乳糖代谢有关的酶编码基因表达。乳糖代谢有关的酶编码基因表达。v维持个体发育与分化维持个体发育与分化 多多细细胞胞个个体体中中发发育育阶阶段段不不同同，组组织织器器官官不不同同，蛋白质分布也不同，这是调节细胞表型的关键。蛋白质分布
8、也不同，这是调节细胞表型的关键。v基因表达的基因表达的多级多级调控调控v基因转录激活调节基本基因转录激活调节基本要素要素特异特异DNA序列序列调节蛋白调节蛋白DNA-蛋白质，蛋白质蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用RNA聚合酶聚合酶第二节第二节 基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理 转录前调控转录前调控（基因激活）（基因激活）转录水平转录水平调控调控转录后加工调控转录后加工调控翻译水平调控翻译水平调控翻译后加工调控翻译后加工调控mRNA降解调控降解调控基因表达的多级调控基因表达的多级调控蛋白质降解蛋白质降解 操纵子：操纵子： 由由2个以上功能相关的编码序列与个以上功能相关的编
9、码序列与启动序列（启动序列（promoter)、操纵序列、操纵序列(oprator)、以及其他调节序列、以及其他调节序列在原核生在原核生物基因组中成簇地串联，密集于染色物基因组中成簇地串联，密集于染色体上，共同组成一个转录单位。体上，共同组成一个转录单位。（一）特异（一）特异DNA序列序列操操 纵纵 子子启动序列启动序列 操纵序列操纵序列结构基因结构基因1 结构基因结构基因2 结构基因结构基因3（ 信信 息息 区区 ）（ 控控 制制 区区 ）Promoter OperatorStructural gene多顺反子多顺反子mRNA启动序列启动序列 共有序列决定启动序列的转录活性大小共有序列决定启
10、动序列的转录活性大小 当阻遏蛋白结合在操纵序列时，会阻遏当阻遏蛋白结合在操纵序列时，会阻遏RNA聚合酶与启动序列的结合聚合酶与启动序列的结合 激活蛋白结合在启动序列邻近，促进激活蛋白结合在启动序列邻近，促进RNA聚聚合酶与启动序列结合合酶与启动序列结合结构基因结构基因1 结构基因结构基因2 结构基因结构基因3启动序列启动序列 操纵序列操纵序列阻遏蛋白阻遏蛋白RNA聚聚合酶合酶有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。操纵序列操纵序列 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当操操纵纵序
11、序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白（二）调节蛋白（原核）（二）调节蛋白（原核） 特异因子：决定酶对启动序列识特异因子：决定酶对启动序列识 别和结合能力别和结合能力调节蛋白调节蛋白 阻遏蛋白：阻遏基因转录，负性阻遏蛋白：阻遏基因转录，负性 调节调节 激活蛋白：激活基因转录，正性激活蛋白：激活基因转录，正性 调节调节( (一一) )、顺式作用元件是决定真核基因、顺式作用元件是
12、决定真核基因转录活性的关键因素之一转录活性的关键因素之一exon1intron1exon nintron n上游上游下游下游转录起始点转录起始点增强子增强子沉默子沉默子启动子启动子TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒增强子增强子真核生物真核生物真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件沉默子沉默子启动子启动子TATATATA盒盒CAATCAAT盒盒GCGC盒盒增强子增强子顺式作用元件分类顺式作用元件分类反应元件反应元件mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点mRNARNA聚合酶聚合酶BADNA转录起始点转录起始点图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件增强子所处位置增强
13、子所处位置在在所所调调控控基基因因的的上上游游或或下下游游，但但主主要要位位于于上上游游。下下游游内内含含子子当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。当中，乃至下游最后外显子以外的序列也可含有增强子。不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序列是序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。( (二）二）、真核基因的调节蛋白真核基因的调节蛋白还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、结结合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自
14、自身身基基因因的的表表达达，称称顺式作用顺式作用。由由某某一一基基因因表表达达产产生生的的蛋蛋白白质质因因子子，通通过过与与另另一一基基因因的的特特异异的的顺顺式式作作用用元元件件相相互互作作用用，调调节节其其表表达达。这这种种调调节节作作用用称称为为反式作用反式作用。 反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor) cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CbA mRNA蛋白质蛋白质AA图图13-3 反式与顺式作用蛋白反式与顺式作用蛋白DNA-蛋白质：蛋白质：是真核生物中反式作用因子与顺是真核生物中反式作用因子与顺式作用元件的特异识别及
15、结合方式。是非共价键式作用元件的特异识别及结合方式。是非共价键结合结合蛋白质蛋白质-蛋白质蛋白质:大多数调节蛋白质结合大多数调节蛋白质结合DNA前，前，需通过蛋白质需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体或多聚体(polymer) 间接结合间接结合DNA，调节，调节基因基因转录转录。（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节质相互作用对转录起始进行调节蛋白质与蛋白质与DNADNA相互作用模式相互作用模式图图v 启启动动序序列列/ /启启动动子子与与RNARNA聚聚合合酶酶亲亲和和力力大大小小
16、影影响转录启动的频率响转录启动的频率v 调调节节蛋蛋白白DNA-DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质- -蛋蛋白白质质影影响响RNARNA聚聚合合酶酶活活性性转转录录频频率率变变化化表表达达水水平平不同不同（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动序列聚合酶与基因的启动序列/启动子启动子相结合相结合第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点1. 因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性2. 操操纵纵子子调调节节的的普普遍遍性性, 调调节节信信号号（诱诱导导剂剂或或阻阻遏遏剂等）通过调节蛋白对转录启动进行调节。剂等）通过调节蛋白对转录启动进行调节。3. 阻遏蛋白发挥转录的开关作用阻遏蛋白发挥转录的开关作用, 活化蛋白对转录活化蛋白对转录进行协同调节。进行协同调节。4. 有时通过转录衰减进行细调节。有时通过转录衰减进行细调节。5. 对于复杂的环境变化需要多个操纵子组成网络化对于复杂的环境变化需要多个操纵子组成网络化系统系统(调节子调节子)进行协同调节。进行协同调节。操纵子调控系统操纵子调控系统（操纵子（操纵子+调节蛋白调节蛋白+调节
