北京大学：《生物化学》课程教学资源（课件讲稿）第十五章 基因表达调控 Regulaition of gene expression

基因表达调控 Regulaition of gene expression 刘新文 北京大学医学部生物化学与分子生物学系

北京大学医学部生物化学与分子生物学系

第一节概述 一、基因表达的概念 1、基因（gene)：从遗传学讲，基因就是遗传的基 本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功 能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗 传信息的DNA分子片段 2、基因表达(gene expression):基因表达就是基 因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多 数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有 特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定 的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相 应RNA的过程也属于基因表达

第一节 概述 一、基因表达的概念 1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基 本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功 能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗 传信息的DNA分子片段 2、基因表达(gene expression)：基因表达就是基 因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多 数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有 特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定 的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相 应RNA的过程也属于基因表达

基因表达的规律（特点）及方式 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1时间特异性(temporal specificity,阶段特异 性stage specificity):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。多细胞生物基因表 达的时间特异性又称阶段特异性 1.2空间特异性(special specificity,细胞或组 织特异性（tissue specificity):在个体生长全过 程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现

二、基因表达的规律（特点）及方式 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1 时间特异性(temporal specificity，阶段特异 性stage specificity)：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。多细胞生物基因表 达的时间特异性又称阶段特异性 1.2 空间特异性(special specificity，细胞或组 织特异性（tissue specificity）：在个体生长全过 程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现

2、基因表达的方式 2.1组成性表达(constitutive gene expression) 一管家基因(housekeeping gene)：在生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的基因 >组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表 达，它只受启动子与NA聚合酶相互作用的影响 2.2诱导(induction)和阻遏(repression))表达 强 一诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可 诱导的基因

2、基因表达的方式 2.1 组成性表达(constitutive gene expression) 管家基因(housekeeping gene) ：在生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的基因 组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表 达，它只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响 2.2 诱导(induction)和阻遏(repression)表达 诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可 诱导的基因

阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称 为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称 为阻遏 >可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与NA聚 合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增 强子) 2.3协调调节(coordinate regulation) >在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节

 阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称 为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称 为阻遏 可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚 合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增 强子） 2.3 协调调节（coordinate regulation） 在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节

主、 原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、 转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 转录起始是基因表达的基本控制点 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系) 2.1特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件 (真核)

三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、 转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等  转录起始是基因表达的基本控制点 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系） 2.1 特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件 （真核）

操丛子(operator):原核生物中由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组 中成簇串联组成的基因调控单位 >顺式作用元件(cis-acting element).:可影响自身基 因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子 等 2.2调节蛋白 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子) >原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白 >阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在

 操丛子(operator)：原核生物中由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组 中成簇串联组成的基因调控单位  顺式作用元件（cis-acting element）：可影响自身基 因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子 等 2.2 调节蛋白 原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白 阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在  原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白  真核：转录因子（主要为反式作用因子）

反式作用因子(trans-acting factor):某一基因的 编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基 因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白 正性调节机制在真核生物普遍存在 3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质 蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节 强 3.1DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用 元件之间的特异识别及结合 >这种结合通常是非共价结合 >多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体

正性调节机制在真核生物普遍存在  反式作用因子(trans-acting factor)：某一基因的 编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基 因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白 3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质、 蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节 3.1 DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用 元件之间的特异识别及结合 这种结合通常是非共价结合 多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体

3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力 3.3RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现 ￥ 五、原核与真核基因表达调控的区别 1、真核基因与原核基因的结构特点 >真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链)

3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力 3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现 五、原核与真核基因表达调控的区别 1、真核基因与原核基因的结构特点 真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链）

2、原核基因表达调控特点 一o因子决定NA聚合酶识别特异性 ~操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3、真核基因表达调控特点 >活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导 >转录与翻译分隔进行

2、原核基因表达调控特点 σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3、真核基因表达调控特点 活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导 转录与翻译分隔进行