序言(introduction)
Central dogma
序言(introduction)
第一节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念



基因表达:从DNA到蛋白质的过程,就是基 因转录及翻译的过程。 基因表达的产物：蛋白质或RNA 细胞或生物体的全套遗传物质，称为基因 组（genome）。 在某一特定时期，基因组中通常只有部分 基因表达。
（四）基因不连续性（P243）
二、真核基因表达调控特点
（一）RNA聚合酶(P256)
真核RNA聚合酶有RNA PolⅠ、Ⅱ及Ⅲ。对PolⅡ催化的 mRNA转录来说，转录因子D(TFⅡD)起核心作用
二、真核基因表达调控特点
（二）活性染色体结构变化
1. 对核酸酶敏感
活化基因常有超 敏位点，位于调节蛋 白结合位点附近。
2)真核基因调节蛋白--转录因子 （transcription factor）

转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用 元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因 的转录，故称反式作用因子（trans-acting factor） (P259):能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核 心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。
协调表达（coordinate expression）
功能上相关的一组基因，无论其为何种表达 方式，在一定机制控制下，协调一致、共同表达， 即为协调表达。 这种调节称为协调调节（coordinate regulation）。
四、基因表达调控的生物学意义

㈠适应环境、维持生长和增殖 编码基因表达与否及水平决定 了细胞内某种功能的蛋白质分子有 或无、多或少等数量变化。 ㈡维持个体发育与分化 在同一生长发育阶段，不同组 织器官内蛋白质分子分布差异是调 节细胞表型的关键。

转录是在活化的染色质结构中进行的（P265）
（二）单顺反子(monocistron)
一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经 翻译生成一条多肽链。
（三）重复序列
多拷贝序列 高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列（一次或数次） 正相重复序列与反转重复序列(inverted repeat,5%)
二、基因表达的时间性及空间性

基因表达有严格的规律性 时 间 特 异 性 （ temporal specificity ） 按功能需要，某一特定基因的 表达按特定的时间顺序发生。


基因表达的时间特异性与分化、 发育的阶段相一致，又称阶段 特异性（stage specificity）。
空间特异性（spatial specificity）

启动子序列是RNA聚合酶结合并 启动转录的特异DNA序列。
在转录起始点上游－１０及 －３５区域存在一些相似序列， 称为共有序列（consensus sequence）
－１０区域是TATAAT，又 称Pribnow盒（Pribnow box,TATA box） －３５区域为TTGACA。
操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
DNA-蛋白质间通过碱基与氨基酸 的相互联系形成复合物。

蛋白质－蛋白质相互作用（proteinprotein interaction）
绝大多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋 白质－蛋白质相互作用形成二聚体（dimer） 或多聚体（ploymer） (eg. bZIP结构P262;bHLH结构P263)。 二聚化（dimerization）就是指两分子 蛋白质单体（monomer）通过一定结构域 结合成二聚体。 二聚体包括同二聚体（homodimer）， 异二聚体（heterodimer）。

在个体生长全过程，某种 基因产物在个体按不同组 织空间顺序出现。 基因表达的空间特异性又 称 细 胞 特 异 性 （ cell specificity）或组织特异 性（tissue specificity）。


决定基因表达时间、空间特异性的分子基础
基因表达的时间、空间特异性由特异基 因的启动子（序列）和（或）增强子与调节 蛋白相互作用决定。

顺式作用及顺式作用蛋白。
DNA
a
A
反式调节
B
mRNA 蛋白质A
A c
DNA mRNA
C
顺式调节
C
蛋白质C
３．DNA-蛋白质、蛋白质－蛋白质 相互作用

DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） 反式作用因子与顺式作用元件之间 的特异识别及结合。
DNA结合位点呈对称、或不完全对 称结构（见图）。
phosphorylation trans factor methylation glucosylation active form
一、真核基因组结构特点

（一） 真核基因组结构庞大
DNA 约 3 × 10 9 碱基对
哺乳类动物 基因组
编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10%
４．RNA聚合酶
１）启动子与RNA聚合酶活性：

启动子核苷酸序列会影响其 与RNA聚合酶的亲和力，直 接影响转录起动的频率。 真核RNA聚合酶单独存在时， 与启动子的亲和力极低或无 亲和力，必须与基本转录因 子形成复合物才能与启动子 结合。
RNA聚合酶
基本转录因子

（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性：
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA 没有乳糖存在时, lac 操纵子处于阻遏状态。
阻遏蛋白
DNA
I
pol P
OZY来自AmRNAmRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
CAP的正性调节



CAP分子内有DNA结合 区及cAMP结合位点。 当没有葡萄糖及cAMP 浓度较高时，cAMP与 CAP结合而刺激RNA转 录活性； 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度降低，cAMP 与 CAP结合受阻， lac操纵子表达下降。

启动子决定基因的基础转录 频率。
一些特异调节蛋白在适当环境信号 刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋 白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质 －蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性， 从而使基础转录频率发生改变。
诱导剂、 阻遏剂

诱导剂、阻遏剂等小分子信 号通过改变调节蛋白分子构 象影响基因表达。
第二节 真核基因转录调节
㈡诱导和阻遏表达

诱导（induction） 可诱导基因在特定环境信号刺激
下被激活，基因表达产物增加的过程。

阻遏（repression）可阻遏基因对环境信号应答时
被抑制，基因表达产物水平降低的过程。 ************************************************* 表达水平易随环境信号刺激而升高(诱导)或降低(阻遏) ， 波动大。 适应性表达（adaptive expression) 基因除受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用外， 还通过其它调控序列中所含的特异反应元件接受其他机 制调节。
顺式作用元件(P255)

常见的有启动子(-30区TATA盒或Hogness box ， CAAT盒， GC盒)、增强子和沉默子。
２．调节蛋白
1)原核生物基因调节蛋白


阻遏蛋白（repressor）可结合特异DNA序 列——操纵序列，阻遏基因转录。 阻遏蛋白介 导负性调节机制。 激活蛋白（activator）可结合启动序列临近的 DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合， 增强RNA聚合酶的活性。
阻遏蛋白 pol 启动序列 操纵序列 编码序列

调节基因
Control element Structural genes
真核生物基因转录激活调节的DNA序 列——顺式作用元件

真核生物基因转录激活调节的DNA序列,由若干DNA序 列元件组成，由于它们常与特定的功能基因连锁在一起， 因此被称为——顺式作用元件（cis-acting element） （P257）：可影响自身基因表达活性的DNA序列。
2. DNA拓扑结构变化
天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在； 基因活化后
转录方向
负超螺旋
RNA-pol
正超螺旋
3. DNA碱基修饰变化
真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，
甲基化范围与基因表达程度呈反比。
4. 组蛋白变化
① 富含Lys组蛋白水平降低 ② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰

基因激活 转录起始 转录后加工 mRNA降解 蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
转录
转录后
翻译 翻译后
㈡基因转录激活调节基本要素
１．特异DNA序列

原核生物操纵子 操纵子(operon)由结构基因
与启动子（promoter）、操 纵序列（operator）以及调 节基因组成。
三、基因表达的方式

㈠组成性表达（constitutive gene expression）

㈡诱导和阻遏表达( inducing and repressing expression)
㈠组成性表达（constitutive gene expression）



某些基因产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的。这类基因在一 个生物个体的几乎所有细胞中持续 表达，通常被称为管家基因 （housekeeping gene）。 表达水平较恒定，波动小。这类基 因表达被视为基本的或组成性基因 表达。 表达只受启动序列或启动子与聚合 酶相互作用调节。