Regulation of Gene Expression

第十三章 基因表达调控• 通常情况下，真核生物细胞只有 2-15%

的基因处于有转录活性的状态。• 表达调控是研究不同的环境和条件以及

各种因素如何令基因表达或不表达，而且按一定的时间、空间有次序高效地运作。

• 调控水平： 转录、转录后、翻译、翻译后

第十三章 基因表达调控• 调控： 细胞

代谢的调控（细胞生存、适应内环境）基因表达的调控（生命延续、适应大环境）

• 多水平的调控、多途径的调控• 调控特点：复杂、多变、灵敏、准确

第一节、原核生物的操纵子调控模式

• 操纵子： 几个相关基因排列在一起，转录出一个 mRNA ，翻译出多种具相关功能的蛋白质，完成一个功能 。

• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。

第一节、原核生物的操纵子调控模式

一、酶的诱导（ enzyme induction）二、操纵子（ operon ）的结构与功能三、乳糖操纵子（ Lac operon ）与色氨

酸操纵子（ Trp operon）四、 cAMP 对转录的调控五、原核生物转录的整体调控模式

induceradded

inducerremoved

酶蛋白合成

量

细胞孵育时间

一、诱导现象由底物导致利用该底物的酶的

合成增加。

一、诱导现象

葡萄糖

乳糖

无

半乳糖苷酶

乳糖 葡萄糖 + 半乳糖

一、诱导现象• 酶的诱导是生物进化中的一种合理、经

济地利用有限资源的本能。• 酶的诱导是低等生物的普遍现象。• 1961 年， Jacob and Monod 提出了操纵

子学说。 • 酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢

的酶的合成量调节。

二、操纵子的结构与功能 操纵子

阻遏物基因 上游启动子 操纵基因 一组结构基因 R ( i ) P O S

inhibitor promotor operator structural gene gene

二、操纵子的结构与功能• 启动子是结合 RNA 聚合酶的 DNA 序列• 强： -35TTGACA 、 -10TATAAT

• 弱： -35 区共有序列 -10Pribnow

不一致

一般：基因工程选用强启动子，或杂交融合生成新启动子

二、操纵子的结构与功能Lac operon 的启动

子 Plac 的 -10Trp operon 的启动子 Ptrp 的 -35

Ptac

Ptac-17

二、操纵子的结构与功能• 操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启

动子和结构基因之间，可与启动子部分重叠。是 RNA 聚合酶是否能通过的开关。

• 无阻遏物时， O 区开放让酶通过并转录下游的结构基因

• 有阻遏物时酶就不能通过

二、操纵子的结构与功能• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵

子较远的上游区。• 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制

转录

关闭的基因由代谢底物开放（诱导） ----- 阻遏物失活

开放的基因由代谢底物关闭（阻遏） ----- 阻遏物激活

二、操纵子的结构与功能• 操纵子：结构基因、上游启动子 (P) 和操纵

基因 (O) 组成。

P和 O 合称 调控区

可诱导和可阻遏的操纵子类 型

可 诱 导

可 阻 遏

结 合 O 方 式

i 基 因 产 物

i 基 因 产 物 加上 代 谢 终 产 物

O 的 开 放 方式

由 代 谢 底 物开 放

通 常 开 放由 代 谢 终 产物 关 闭

结 构 基 因 产物 功 能

分 解 代 谢

合 成 代 谢

Lac

Trp

三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子

乳糖操纵子• 操纵子的三个结构基因为 - 半乳糖苷酶、

- 半乳糖苷通透酶和 - 半乳糖苷乙酰转移酶。

• 在无乳糖时，阻遏蛋白与 O 区结合，阻止 RNA 聚合酶的转录

• 在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后，改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与 O区结合。

(1kb)

(155000)

DDRP

DDRP

色氨酸操纵子• 色氨酸操纵子有 5 个结构基因

D、 E 基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶 C 基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶 B 、 A 基因：共同产物是色氨酸合成酶

• 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成。

• 色氨酸合成仅限细菌。

色氨酸操纵子调控方式

（ - ）

（ + ）

乳糖和色氨酸操纵子的共同点• 以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏

物）对受调控的区域起抑制作用。• 由低分子物质（底物或产物）影响蛋白

质对 DNA 的结合。• 结果： 既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。

乳糖和色氨酸操纵子的不同点 乳糖操纵子 色氨酸操纵子

阻遏物 阻遏物R 基因 R 基因

阻遏物阻遏物

代谢物

基因开放 基因关闭

四、 cAMP 对转录的调控

• 在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用 ？

四、 cAMP 对转录的调控• 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子• 正调控方式• CAP： catabolite gene activator protein

分解代谢基因活化蛋白，受 cAMP 激活

• cAMP-CAP 复合物 ：结合于 DNA 上游的CAP 位点，促进分解代谢基因表达

• CAP 位点：位于 PO 上游，属正调控位点

四、 cAMP 对转录的调控• 培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起

细胞内 cAMP 水平下降，乳糖操纵子基因关闭。

• 培养基中葡萄糖不足时： cAMP 水平升高， cAMP-CAP 复合物生成， cAMP使 CAP 变构，而与 CAP 位点结合， 促进乳糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳糖。

四、 cAMP 对转录的调控

1

阿拉伯糖操纵子• B、 A、 D ：编码三种酶，共催化阿拉伯糖的代谢。

• C： R1 （阻遏蛋白），变构后成 R2。

• 起始区： initiator （ I ）• R1 和 R2 在变构前后，分别执行负和正

调控功能。• 诱导物可以使抑制蛋白在 R1 和 R2两种

构象之间转变。

阿拉伯糖操纵子

五、原核生物转录的整体调控模式• 调节子： regulon

操纵子是基因表达的基本单元，成群操纵子所组成的高一级的调控网络称为调节子

• 调节原理： 内、外环境的变化通过传感器使膜内产生信号，这种信号可同时作用于多个操纵子，或激活或抑制，从而达到群体协调的目的。

调节子模式

SOS修复系统的调节子

• DNA损伤和复制受阻是刺激因子和信号。• LexA 蛋白是一系列操纵子的阻遏物。 • recA 基因转录产物 RecA 蛋白可水解

LexA 蛋白。• LexA 阻遏 recA 基因， RecA 蛋白可水解

LexA 蛋白，二者之间的平衡移动，使细胞在应急时可迅速启动大量基因的转录。

SOS修复系统的调节子

第二节、真核生物的基因转录调控• 真核生物的基因转录调控更为复杂：• 总量大： 30亿 bp， 10万基因• 分散在各染色体上， 23 对染色体：定位• 大量的内 含子：比结构基因多十数倍• 大量的重复序列：重复次 数可达几千 ~百万次• 更多的蛋白质参与• 基因的多态性：不同的地域、人种、个体

一、人类基因的研究• 基因组： DNA双螺旋 天书• 人类基因组即将全部破译，一本书已通读一遍，但阅读理解的任务还刚开始。

一、人类基因的研究• 人类基因组计划：（ HGP）

human genomic project 对人类基因组大约 30亿核苷酸对的全序列测定。

• 在完成结构分析过程中，对基因的功能，包括其表达调控，作进一步研究，以便彻底了 解生命的奥秘。

HGP 的内容• 建立人类基因组高分辨率的遗传图谱• 完成全部人类染色体的各种物理图谱及选择某

些模型生物的 DNA 物理图谱。• 人类 DNA 和模型生物的 DNA全部序列的测定。• 建立收集、储存、分类和分析所有有关资料和数据的工作系统。

• 创建完成以上目标所需的新技术、新方法。

二、基因转录调控元件• 分子辨认： molecular recognition 探讨 DNA- 蛋白质、蛋白质 - 蛋白质之间的辨认与结合的 机制，以及与调控的关系。

二、基因转录调控元件• TATA box： -30 区• CAAT box 启动子• GC box

• 上游活化序列：（ USA ）upstream activator sequence

• 应答元件与可诱导因子： -200bp

• 八聚体 TATA box ：免疫球蛋白

增强子的特点• 增强子 ： enhancer 它是在远距离影响启动的转录调控元件，必须被蛋白质因子结合后 才能发挥增强转录的功能。

• 增强子影响启动子， 但没有严格的专一性。• 增强子作用无方 向性。

二、基因转录调控元件• 顺式作用元件：真核生物结构基因上游

的调控区，有特定的相似或一致性的序列。

• 反式作用因子 ：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的蛋白质因子。

真核生物 RNA pol II 转录的基因

RNA 聚合酶 II 的转录因子转录因子 功能TFIIA 稳定 TFIIDTFIIB 促进 RNA pol II结合TFIID 辨认 TATATFIIE ATPaseTFIIF 解旋酶TFII-I 促进 TFIID结合

转录前起始复合物• TFIID 是唯一与

DNA 特异位点即TATA盒结合的转录因子。

• TATA 和 TFIID 、TFIIA 、 TFIIB、RNApolII、 TFIIF 和 TFIIE形成转录前起始复合物 (PIC)。

反式作用因子性质• 同一 DNA 序列可被不同蛋白质识别，同一蛋白

质因子也可与多种不同 DNA 序列结合 。 • DNA 与蛋白质的结合少数是直接结合，多 数是

蛋白质 - 蛋白质相互作用后 再影响 DNA。• 蛋白质 - 蛋白质或 DNA- 蛋白质结合后，可导致

构象上的变化。• 反式作用因子在 自身生物合成过程中，有相 当大

的可变性和可塑性。

三、顺式作用元件与反式作用因子的结合• 反式作用因子蛋白质 至少包括三个功能

域： DNA识别结合域 、转录活性域和结合其 它蛋白的结合域 。

• 模体：（ motif ）在结合域中存在的一些局部对称二聚体。

• 在 DNA 的某些序列中，也存在一定的对称性。

• 顺式作用元件与反式作用因子的结合与这些对称区域有关。

三、顺式作用元件与反式作用因子的结合

• DNA 结构简单：开放或关闭 序列不变

蛋白质因子：复杂、多变

二者结合

基因表达调控的多变性

螺旋 - 转角 -螺旋、螺旋 - 环 -

螺旋• 两个亚基通过 -折叠形成二聚体，相当于 DNA 的一个螺距。

锌指• 锌是很多酶的辅助因子• 锌指：（ Zinc finger ）锌螯合在多 肽链中，

以配价键和半胱氨酸残基或组氨酸残基结合。• Cys2/His2型：

Cys-X2~4- Cys-X3-Phe-Leu- X2 -His- X3- His

• Cys2/ Cys2型： Cys-X2- Cys-X13 -Cys-X2- Cys

• 一个单位以指部伸入 DNA双螺旋的深沟，接触 5 个核苷酸。

锌指

• 亮氨酸拉链 (Leu zipper) ： 两组平行的带亮氨酸的螺旋形成的对称二聚体。

• DNA 结合蛋白的 C端，每隔 7 个氨基酸出现一个亮氨酸。

• 蛋白质的螺旋每圈为 3.6 个氨基酸残基。每二圈出现的亮氨酸与轴平行列在同一直线上，构成拉链的一半。

亮氨酸拉链

亮氨酸拉链

常出现于真核生物 DNA 结合蛋白的 C 端，与癌基因表达调控功能有关。

第三节、癌基因• 癌基因： oncogene， onc

能使细胞癌变的 DNA 序列。 首先在致癌病毒中发现，现已证实它是正常存在于生物基因组内。

• 致癌性：正常基因的不正常表达的后果• 癌症：基因以特殊形式表达后的性状• 原癌基因：（ pro-onc ）

正常存在于生物基因组内的癌基因。

第三节、癌基因

一、病毒癌基因和细胞癌基因二、癌基因分类三、癌基因激活四、抑癌基因

• 病毒癌基因： V-onco

• 细胞癌基因： c-onco

• 把致癌病毒与正常细胞一起培养，可使正常细胞变为癌细胞，这个过程称为 转化。

• 致癌病毒存在的某些核苷酸序列称为癌基因，即病毒癌基因。

一、病毒癌基因和细胞癌基因

癌基因表达产物功能

• 生长因子及其类似物或生长因子的受体。• 酪氨酸蛋白激酶。• 结合 GTP 而影响细胞内的信号系统。• 结合 DNA发挥转录调控的作用， 甚至影

响复制过程。

二、癌基因的分类• src家族： src、 abl、 fes、 fgr、 ros

酪氨酸蛋白激酶• ras家族： Ha-ras、 Ki-ras、 N-ras

信息传递蛋白• myc家族： C-、 N-、 L-

myc、 fos、myb DNA 结合蛋白或 反式作用因子

• sis家族：各类生长因子• erb家族： erbA、 B、mas、 trk

细胞骨架类蛋白

三、癌基因的激活

• 点突变• 基因重排和放大• 化学致癌剂• 病毒感染

• GF- 受体 -信号 -DNA 表达无限循环

癌基因的激活机制

癌基因的激活机制• 正常时： onc GF 信号 复制、细胞生长• 异常时： GF

onc突变 GF 复制、细胞生长失控

GF

四、抑癌基因• 抑癌基因： tumor suppressor gene

• Rb： retinoblastoma ，视网膜母细胞瘤 第一个分离到的抑癌基因

• Rb 基因：位于 13号染色体， 200kb， 27 个外显子，编码 928 个氨基酸

• Rb 基因缺失：视网膜母细胞瘤及其他多种癌症

四、抑癌基因• 抑癌基因的作用机制涉及基因表达调控、

细胞分裂、分化过程，也可能与生长因子、激酶、信息在胞内的传递密切相关

本章小结

• 诱导物、阻遏物• 操纵子、调节子• 启动子、增强子• 负调控、正调控• 操纵基因、结构基因• 顺式作用元件、反式作用元件• 癌基因、原癌基因、抑癌基因• 模体： HTH， HLH 、锌指、亮氨酸拉链