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1、基因表达调控第1页，本讲稿共74页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第2页，本讲稿共74页一、基因表达是指基因转录及翻译的过程一、基因表达是指基因转录及翻译的过程基因组基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。是基因转录及翻译的过程，即：生成具有是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。生物学功能产物的过程。基因表达基因表达(gene expression)基因表达是受调控的。基因表达是受调控的。第3页，本讲稿共74页二
2、、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stage specificity)。第4页，本讲稿共74页（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是
3、由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空空间间特特异性异性(spatial specificity)。第5页，本讲稿共74页三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱
4、导或阻遏表达诱导或阻遏表达第6页，本讲稿共74页（一）基本（或组成性）表达（一）基本（或组成性）表达某某些些基基因因在在一一个个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，通通 常常 被被 称称 为为管管 家家 基基 因因(housekeeping gene)。无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成性性基基因因表表达达(co
5、nstitutive gene expression)。第7页，本讲稿共74页（二）有些基因的表达受到环境变化的诱（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏导和阻遏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基因因(inducible gene)。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过程程，称称为为诱诱导导(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(repressible ge
6、ne)。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产物水平降低的过程称为产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。第8页，本讲稿共74页在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinate expression)，这这种调节称为种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。第9页，本讲稿共74页四、基因表达调控为生物体生长、发育四、基因表达调控为生物体生长、发育所必需所必需（一）以适应环境、维持生长和增殖（一）以
7、适应环境、维持生长和增殖生物体所处的内、外环境是在不断变化生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。地适应环境，维持其生长和增殖。第10页，本讲稿共74页（二）以维持细胞分化与个体发育（二）以维持细胞分化与个体发育在多细胞个体生长、发育的不同阶段，在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这质分子分布、种类和含量存在很大
8、差异，这些差异是调节细胞表型的关键。些差异是调节细胞表型的关键。第11页，本讲稿共74页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Basic Principles of Gene Expression Regulation第12页，本讲稿共74页一、基因表达调控呈现多层次和复杂性一、基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始第13页，本讲稿共74页二、基因转录激
9、活受到转录调节蛋白与二、基因转录激活受到转录调节蛋白与启动子相互作用的调节启动子相互作用的调节基基因因表表达达的的调调节节与与基基因因的的结结构构、性性质质，生生物物个个体体或或细细胞胞所所处处的的内内、外外环环境境，以以及及细细胞胞内内所所存存在在的的转录调节蛋白转录调节蛋白有关。有关。（一）特异（一）特异DNA序列决定基因的转录活性序列决定基因的转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性第14页，本讲稿共74页原核生物原核生物 蛋白质因子蛋白质因子 操纵子操纵子(operon)机制机制特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动序列启动序列 操
10、纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)第15页，本讲稿共74页是是RNA聚合酶结合并启动转录聚合酶结合并启动转录的特异的特异DNA序列。序列。1 1、启动序列启动序列RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列图图13-1 13-1 五种五种E.coli启动序列的共有序列启动序列的共有
11、序列第16页，本讲稿共74页共共有有序序列列(consensus sequence)决决定定启启动动序序列列的的转录活性大小。转录活性大小。某某些些特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异异性性识识别别和和结结合合能力。能力。第17页，本讲稿共74页2 2、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聚聚合合酶酶不不能能沿沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转
12、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阻遏蛋白阻遏蛋白第18页，本讲稿共74页3 3、其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如：例如：激激活活蛋蛋白白(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，增强增强RNA聚合酶活性。聚合酶活性。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聚聚合合酶酶很少或完全不能结合启动序列。很少或完全不能结合启动序列。第19页，本讲稿共74页真核生物真核生物1、顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)可影响
13、自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列RNA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mRNA图图13-2 顺式作用元件顺式作用元件第20页，本讲稿共74页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序列列是是RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子子的的结结合合位点。位点。第21页，本讲稿共74页2 2、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
14、合合自自身身基基因因的的调调节节序序列列，调调节节自自身身基基因因的的表表达达，称称顺顺式式作作用用。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，调节其表达。这种调节作用称为调节其表达。这种调节作用称为反式作用反式作用。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)第22页，本讲稿共74页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第23页，本讲稿共74页指指
15、的的是是反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合。通通常常是是非非共共价价结结合合，被被识识别别的的DNA结结合合位位点点通通常常呈呈对对称称、或或不不完完全全对对称结构。称结构。绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，形形成成二二聚聚体体(dimer)或或多多聚聚体体(polymer)。（三）转录调节蛋白通过与（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节作用对转录起始进行调节第24页，本讲稿共74页（四）（四）RNA聚合酶与基因的启动
16、序列聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合启动子相结合1、原核启动序列、原核启动序列/真核启动子与真核启动子与RNA聚合酶活性聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。聚合酶与其的亲和力，影响转录。2、调节蛋白与、调节蛋白与RNA聚合酶活性聚合酶活性一一些些特特异异调调节节蛋蛋白白在在适适当当环环境境信信号号刺刺激激下下表表达达，然然后后通通过过DNA-蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相互作用影响相互作用影响RNA聚合酶活性。聚合酶活性。第25页，本讲稿共74页第三节第三节 原核基因表达调节原核基因表达调节Regulation of Gene Expression in Proka
17、ryote 第26页，本讲稿共74页调节的主要环节在调节的主要环节在转录起始。转录起始。一、原核基因转录调节特点一、原核基因转录调节特点（一一）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 在在转转录录起起始始阶阶段段，因因子子识识别别特特异异启启动动序序列列；不不同同的的因因子子决决定定特特异异基基因因的的转转录录激激活活，决决定定mRNA、rRNA和和tRNA基因的转录。基因的转录。第27页，本讲稿共74页（二）操纵子模型的普遍性（二）操纵子模型的普遍性 原原核核生生物物绝绝大大多多数数基基因因按按功功能能相相关关性性成成簇簇地地串串联联、密密集集于于染染色色体体上上，共共同同组
18、组成成一一个个转转录录单单位位操操纵纵子子（operon）。一一个个操操纵纵子子只只含含一一个个启启动动序序列列（promoter）及及数数个个可可转转录录的的编编码码基基因因。通通常常，这这些些编编码码基基因因可可转转录录出出多多顺顺反反子子mRNA。原原核核基基因因的的协协调调表表达达就就是是通通过过调调控控单单个个启启动动基基因因的的活性来完成的。活性来完成的。第28页，本讲稿共74页（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。开、关调节机制。当阻遏蛋白与操纵序列结
19、合或解聚时，就会当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。发生特异基因的阻遏或去阻遏。第29页，本讲稿共74页二、操纵子调控模式在原核基因转录起始的调二、操纵子调控模式在原核基因转录起始的调节中具有普遍性节中具有普遍性（一一）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA第30页，本讲稿共74页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）乳糖操纵子受阻遏
20、蛋白和乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节的双重调节阻遏基因阻遏基因1 1、阻遏蛋白的负性调节、阻遏蛋白的负性调节第31页，本讲稿共74页mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶图图13-4 13-4 laclac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节操纵子与阻遏蛋白的负性调节第32页，本讲稿共74页+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时2、CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第33页，本讲稿共74页3
21、3、协调调节协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能能发发挥挥作作用。用。如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合合，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。单单纯纯乳乳糖糖存存在在时时，细细菌菌利利用用乳乳糖糖作作碳碳源源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌菌首首先先利利用用葡葡萄萄糖糖。葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分解代谢阻遏分解代谢阻遏(catabolic repression)。第34页，本讲稿共74页mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半
22、乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO第35页，本讲稿共74页图13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节（新图）第36页，本讲稿共74页三、原核生物具有不同的转录终止三、原核生物具有不同的转录终止调节机制调节机制（一一）不依）不依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止（二）依（二）依赖赖RhoRho因子的因子的转录终转录终止止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。常见于噬菌体中，结构特点不清楚。两段富含两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；苷酸；下游含一系
23、列下游含一系列T序列。序列。终止子结构特点：终止子结构特点：第37页，本讲稿共74页四、原核生物在翻译水平受到多个四、原核生物在翻译水平受到多个环节的调节环节的调节 （一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周（一）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节围进行自我调节 调节蛋白结合调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，抑制自身的合成，称称自我控制自我控制(autogenous control)。第38页，本讲稿共74页（二）反义（二）
24、反义RNA结合结合mRNA翻译起始部位的互翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节补序列对翻译进行调节可调节基因表达的可调节基因表达的RNA称为调节称为调节RNA。细细菌菌中中含含有有与与特特定定mRNA翻翻译译起起始始部部位位互互补补的的RNA，通通过过与与mRNA杂杂交交阻阻断断30S小小亚亚基基对对起起始始密密码码子子的的识识别别及及与与SD序序列列的的结结合合，抑抑制制翻翻译译起起始始。这这种种调调节节称称为为反反义义控控制制(antisense control)。第39页，本讲稿共74页第四节第四节 真核基因表达调节真核基因表达调节Regulation of Gene Expressio
25、n in Eukaryote第40页，本讲稿共74页一、真核基因组具有独特的结构特点一、真核基因组具有独特的结构特点（一）真核基因组结构庞大一）真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组哺乳类动物基因组DNA 约约 3109碱基对。碱基对。人编码基因人编码基因约约4万个万个，编码序列仅占总长的编码序列仅占总长的1%。rDNA等重复基因等重复基因约占约占5%10%。第41页，本讲稿共74页（二）真核基因转录产物为单顺反子二）真核基因转录产物为单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron)即即一一个个编编码码基基因因转转录录生生成成一一个个mRNA分分子子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链
26、。（三）真核基因组含有大量的重复序列三）真核基因组含有大量的重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列第42页，本讲稿共74页 真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（子（intron）、外显子（）、外显子（exon）之分，因此真核基因）之分，因此真核基因是不连续的。是不连续的。（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：四）
27、真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性具有不连续性第43页，本讲稿共74页二、真核基因表达调控更为复杂二、真核基因表达调控更为复杂（一）真核细胞内含有多种一）真核细胞内含有多种RNA聚合酶聚合酶真核真核RNA聚合酶有三种，即聚合酶有三种，即RNA pol I、II及及 III，分别负责三种，分别负责三种RNA转录。转录。第44页，本讲稿共74页（二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变二）处于转录激活状态的染色质结构发生明显变化化1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后
28、:RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。结合位点附近。第45页，本讲稿共74页3.DNA碱基的甲基化修饰变化碱基的甲基化修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4.4.组蛋白变化组蛋白变化富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低H2AH2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加组蛋白组蛋白H3、H4发生乙酰化、甲基化或磷酸化发生乙酰化、甲基化或磷酸化修饰修饰第46页，本讲稿共74页图图13-6 1
29、3-6 组蛋白结构及其化学修饰组蛋白结构及其化学修饰A.组蛋白与组蛋白与DNADNA组成的核小体；组成的核小体；B.组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白的氨基端伸出核小体，形成组蛋白尾巴；组蛋白尾巴；C.四种组蛋白组成的八聚体四种组蛋白组成的八聚体第47页，本讲稿共74页组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种组蛋白修饰对于基因表达影响的机制也包括两种相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染相互包容的理论。即：组蛋白的修饰直接影响染色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他色质或核小体的结构，以及化学修饰征集了其他调控基因转录的蛋白质，为其他功能分子与组蛋调控基因转录的蛋白质，为其他功能分
30、子与组蛋白结合搭建了一个平台。这些理论构成了白结合搭建了一个平台。这些理论构成了“组蛋组蛋白密码白密码”的假说。的假说。第48页，本讲稿共74页组组蛋白蛋白氨基酸残基位点氨基酸残基位点修修饰类饰类型型功功 能能H3Lys-4甲基化甲基化激活激活H3Lys-9甲基化甲基化染色染色质浓缩质浓缩H3Lys-9甲基化甲基化DNA甲基化所必需甲基化所必需H3Lys-9乙乙酰酰化化激活激活H3Ser-10磷酸化磷酸化激活激活H3Lys-14乙乙酰酰化化防止防止Lys-9的甲基化的甲基化H3Lys-79甲基化甲基化端粒沉默端粒沉默H4Arg-3甲基化甲基化H4Lys-5乙乙酰酰化化装配装配H4Lys-12乙
31、乙酰酰化化装配装配H4Lys-16乙乙酰酰化化核小体装配核小体装配H4Lys-16乙乙酰酰化化Fly X激活激活组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响 第49页，本讲稿共74页（三三）在真核基因表达）在真核基因表达调调控中以正性控中以正性调节调节占主占主导导采用正性调节机制更精确采用正性调节机制更精确：一个负性调节元件的：一个负性调节元件的结合足可阻断结合足可阻断RNA聚合酶的结合，因此同时采用几聚合酶的结合，因此同时采用几个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采个负性调节元件一般不会改变特异性；相反，如果采用多种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达用多
32、种正性调节元件、正性调节蛋白可提高基因表达调节的特异性和精确性。调节的特异性和精确性。采用负性调节不经济采用负性调节不经济：在正性调节中，大多数基因：在正性调节中，大多数基因不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表不结合调节蛋白，所以是没有活性的；只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。第50页，本讲稿共74页（四四）在真核）在真核细细胞中胞中转录转录与翻与翻译译分隔分隔进进行行（五）转录后修饰、加工更为复杂五）转录后修饰、加工更为复杂 真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转真核细胞有细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同细胞部位进行，转录
33、在细胞核，录与翻译在不同细胞部位进行，转录在细胞核，翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、翻译在细胞浆。因此，转录与翻译产物的分布、定位等环节均可以被调控。定位等环节均可以被调控。第51页，本讲稿共74页三、三、RNA Pol I和和Pol III转录体系的调转录体系的调节相对简单节相对简单（一）（一）RNA Pol I转录体系转录体系RNA Pol I的转录产物只有的转录产物只有rRNA前体，经剪接修前体，经剪接修饰生成除饰生成除5S rRNA外的各种外的各种rRNA。启动子元件包括：启动子元件包括：核心元件核心元件(core element)或或核心核心启动子启动子(core prom
34、oter)和和上游控制元件上游控制元件(upstream control element,UCE)。第52页，本讲稿共74页（二）（二）RNA Pol III转录体系转录体系RNA Pol III的转录产物：多种小分子的转录产物：多种小分子RNA，包，包括括tRNA、5S rRNA和一部分小核和一部分小核RNA。启动子位于转录起始点下游，称启动子位于转录起始点下游，称内部控制区内部控制区(internal control regions,ICR)。第53页，本讲稿共74页（一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性一）真核基因顺式作用元件影响基因转录活性1.启动子启动子真真核核基基因因启启动动子
35、子是是RNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点周周围围的的一一组组转转录录控控制制组组件件，至至少少包包括括一一个个转转录起始点录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒四、四、RNA Pol II转录起始的调转录起始的调节非常复杂节非常复杂第54页，本讲稿共74页CCAAT盒盒GC盒盒TATA盒盒转录起始点转录起始点高等真核生物高等真核生物上游激活序上游激活序列（列（UAS）TATA盒盒转录起始点转录起始点酵母酵母图图13-7 真核基因启动子的典型结构真核基因启动子的典型结构第55页，本讲稿共74页2.增强子增强子(enhancer)指指远远离离转转录录
36、起起始始点点、决决定定基基因因的的时时间间、空空间间特特异异性性、增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNA序序列列。其其发发挥作用的方式通常与方向、距离无关。挥作用的方式通常与方向、距离无关。3.沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。因子时，对基因转录起阻遏作用。第56页，本讲稿共74页（二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调二）反式作用因子是真核细胞中重要的转录调控蛋白控蛋白1.转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子基本转录因子(general t
37、ranscription factors)是是RNA聚聚合合酶酶结结合合启启动动子子所所必必需需的的一一组组蛋蛋白白因因子子，决决定定三三种种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。第57页，本讲稿共74页特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为为个个别别基基因因转转录录所所必必需需，决决定定该该基基因因的的时时间、空间特异性表达。间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子第58页，本讲稿共74页2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合
38、域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域第59页，本讲稿共74页最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒第60页，本讲稿共74页ZnCysHis图图13-8 锌指结构锌指结构第61页，本讲稿共74页2.2.a a-螺旋螺旋常结合常结合CAAT盒盒碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链 第62页，本讲稿共74页（三（三）mRNA转录激活需要转录起始复合物的形成转录激活需要转录起始复合物的形成真核真核RNA聚合酶聚合酶在转录
39、因子帮助下，形在转录因子帮助下，形成转录起始复合物。成转录起始复合物。PolTFHTAFTFFTAFTAFTFATFBTBP DNATATAEBPTBP图图13-9 转录起始复合物的形成转录起始复合物的形成 第63页，本讲稿共74页五、五、RNA Pol II转录终止的调节机制转录终止的调节机制尚不清楚尚不清楚（一）（一）HIV基因组转录终止调节基因组转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节（二）热休克蛋白基因的转录终止调节病病毒毒蛋蛋白白Tat与与转转录录产产物物5端端特特异异RNA序序列列结结合合，并并与与宿宿主主蛋蛋白白质质、RNA Pol II相相互互作作用用，阻阻止止HIV基基
40、因组转录的提早终止。因组转录的提早终止。在在应应激激条条件件下下暂暂时时性性停停止止大大多多数数基基因因的的转转录录和和翻翻译译，启启动动一一套套能能够够提提高高细细胞胞生生存存能能力力的的蛋蛋白白质质即即热热休休克蛋白克蛋白(heat shock protein)的表达。的表达。第64页，本讲稿共74页六、转录后水平的调节也是基六、转录后水平的调节也是基因表达调控的重要环节因表达调控的重要环节（一）（一）hnRNA加工成熟的调节加工成熟的调节（二）（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节运输、胞浆内稳定性的调节加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。基修
41、饰和编辑等。通过与蛋白质结合形成通过与蛋白质结合形成核蛋白体复合物核蛋白体复合物(ribonucleoprotein,RNP)进行。进行。第65页，本讲稿共74页七、基因表达在翻译水平以及翻译后七、基因表达在翻译水平以及翻译后阶段仍然可以受到调节阶段仍然可以受到调节（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化（一）对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行修饰进行蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决蛋白质合成速率的快速变化在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子（eukaryotic initiation factor,eIF）的活性
42、对起始）的活性对起始阶段有重要的控制作用。阶段有重要的控制作用。第66页，本讲稿共74页（二）（二）RNA结合蛋白参与了对翻译起始的调节结合蛋白参与了对翻译起始的调节RNA结合蛋白（结合蛋白（RNA binding protein,RBP），），是指那些能够与是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质。特异序列结合的蛋白质。基因表达的许多调节环节都有基因表达的许多调节环节都有RBP的参与，如前述的参与，如前述转录终止、转录终止、RNA剪接、剪接、RNA转运、转运、RNA胞浆内稳胞浆内稳定性控制以及翻译起始等。定性控制以及翻译起始等。第67页，本讲稿共74页（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速
43、调控（三）对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达基因表达新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素功能的重要影响因素。因此，通过对新生肽链的水。因此，通过对新生肽链的水解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚解和运输，可以控制蛋白质的浓度在特定的部位或亚细胞器保持在合适的水平。细胞器保持在合适的水平。许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性功能活性。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、。通过对蛋白质的可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基酰
44、基化修饰，可以达到调节蛋白质功能的作用，是基因表达的快速调节方式。因表达的快速调节方式。第68页，本讲稿共74页是一大家族小分子非编码单链是一大家族小分子非编码单链RNA，长度，长度约约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长度个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为为7090个碱基的单链个碱基的单链RNA 前体前体(pre-miRNA)经经Dicer酶剪切后形成。酶剪切后形成。（四）小分子（四）小分子RNA对基因表达的调节十分复杂对基因表达的调节十分复杂1微小微小RNA(microRNA,miRNA)第69页，本讲稿共74页其长度一般为其长度一般为2025个碱基；个碱基；在不同生物体中普遍存在；
45、在不同生物体中普遍存在；其序列在不同生物中具有一定的保守性；其序列在不同生物中具有一定的保守性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；具有明显的表达阶段特异性和组织特异性；miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。形式存在于基因组中，大多位于基因间隔区。nmiRNA的特点：的特点：第70页，本讲稿共74页是是细细胞胞内内一一类类双双链链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在在特特定定情情况况下下通通过过一一定定酶酶切切机机制制，转转变变为为具具有有特特定定长长度度(2123个个碱碱基基)和和特
46、特定定序序列列的的小小片片段段RNA。双双链链siRNA参参与与RISC组组成成，与与特特异异的的靶靶mRNA完完全全互互补补结合，导致靶结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。降解，阻断翻译过程。由由siRNA介介导导的的基基因因表表达达抑抑制制作作用用被被称称为为RNA干干涉涉(RNA interference，RNAi)。2小干扰小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)第71页，本讲稿共74页图13-10 RNA干扰作用机制（新图）第72页，本讲稿共74页 30bp 双链双链RNA（dsRNA）水解生成水解生成21-23nt siRNA 5335 RISC形成形成 识别特异序列识别特异序列并使其降解并使其降解RNA干扰干扰作用机制作用机制第73页，本讲稿共74页siRNAmiRNA前体前体内源或外源长双链内源或外源长双链RNA诱导诱导产生产生内源发夹环结构的转录产物内源发夹环结构的转录产物结构结构双链分子双链分子单链分子单链分子功能功能降解降解mRNA阻遏其翻译阻遏其翻译靶靶mRNA 结合结合需完全互补需完全互补不需完全互补不需完全互补生物学效应生物学效应抑制转座子活性和病毒感染抑制转座子活性和病毒感染发育过程的调节发育过程的调节siRNA 和和miRNA的差异比较的差异比较第74页，本讲稿共74页