基因表达调控孙 巍
联系方式：
自我介绍：孙巍，M.D., Ph.D
1997-2002，白求恩医科大学临床医学系，本科生
2002-2004，吉林大学药学院，硕士研究生
2004-2007，吉林大学白求恩医学院，博士研究生
2009-2011，美国俄亥俄州州立大学药学院，博士后
2011-2012，白求恩医学院分子生物学教研室，讲师
2012-现在，白求恩医学院分子生物学教研室，副教授
研究方向：分子药理学及生物工程疫苗研究
2014临床执业医师考试大纲基因表达调控
1 基因表达调控的概述
（1）基因表达的概念及基因表达调控的意义
（2）基因表达的时空性
（3）基因的组成性表达、诱导与阻遏
（4）基因表达的多级调控
（5）基因表达调控的基本要素
2.基因表达调控的基本原理
（1）原核基因表达调控（乳糖操纵子）
（2）真核基因表达调控（顺式作用元件、反式作用因子）
3
主要内容
基因表达与基因表达调控的概念与特点原核基因表达调控
真核基因表达调控
4
一、基因表达及调控的概念基因表达:是指细胞将
储存在DNA中的遗传信
息经过转录或转录-翻
译过程转变为具有生物
学活性分子（RNA或蛋
白质）的过程 。
基因表达调控：是指在
基因表达的不同阶段控
制基因表达速率和产量
的过程。
二、基因表达调控的几个层次
转录前调控：基因拷贝数；
转录调控：mRNA拷贝数；
转录后调控：RNA修饰及运输；
翻译调控：核糖体与mRNA结合效率；
翻译后调控：蛋白质的加工修饰
三、基因表达的特点及方式
一) 时间特异性 ( temporal specificity)
甲胎蛋白（alpha fetal protein, AFP)
二) 空间特异性 ( spatial specificity)
细胞/组织特异性（cell/tissue specificity)
7((
四、基因表达方式的多样性
一) 有些基因在所有细胞中持续表达
管家基因（house-keeping gene)
二) 基因表达受到环境变化的诱导和阻遏
可诱导基因（inducible gene)
可阻遏基因（repressible gene)
8((
五、基因表达调控的特点
（一）、转录起始的调控特点
转录起始是RNA聚合酶与DNA序列相互作用的结果。
（二）、翻译起始的调控特点
翻译起始是核糖体与mRNA相互作用的结果。
（三）、对转录和翻译产物的调控特点
mRNA的半衰期、加工修饰及运输；
蛋白质的折叠、修饰及运输。
10原核基因表达调控
原核细胞
基因是连续的
操纵子结构3. 细胞质4. DNA0. 荚 膜1. 细胞壁 2. 细胞膜5. 核糖体
基本概念
启动序列（promoter sequence)：发出转录信号操纵序列(operator sequence)：控制转录速度•操纵子（operon):控制区 + 信息区的一段DNA序列
Structure genes
POLac ZLac YLac A
••
1. 原核生物基因 ( Prokaryotic gene)•原核基因是在原核细胞中表达的一段DNA序列•几个结构基因串联的形式存在
产物：多顺反子RNA（polycistronin RNA）
乳糖操纵子的结构基因：
-半乳糖苷酶
Lac Z半乳糖苷转酰酶Lac A
半乳糖苷渗透酶
Lac Y
2. 原核基因表达
•原核基因以操纵子结构为转录单位进行转录
transcriptiontermination
调控区
•启动子Start point信息区•串联的结构基因
转录•操纵元件
•顺式作用元件
转录水平的基因表达调控
2. 启动子是一段DNA序列•启动子：
—位于结构基因的上游
—启动其下游基因的转录
—决定基因转录的方向及模板链
模板链
启动子AGA GGG TTC TTT ATG AAG CCA CGA CTG CTT AAT CGA GAA TGA TTG
TCT CCC AAG AAA TAC TTC GGT GCT GAC GAA TTA GCT CTT ACT AAC
transcription互补链
（非模板链/编码链）
mRNA:3-UCU CCC AAG AAA UAC UUC GGU GCU GAC GAA UUA GCU CUU ACU AAC-5
可见，
基因转录的硬件：—基因序列—启动子及终止子
+1Start point
ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA
启动子Promoter
Terminator
基因转录的软件：—RNA聚合酶
in E.coli，
—RNA聚合酶结合启动子时覆盖区域为-40~+20
•可见，
—RNA聚合酶是基因转录的最关键蛋白质—如果干预RNA聚合酶的活性，细胞会怎样？
RNA聚合酶可以是药物靶点例如：
•利福平—作用靶点是亚基
•肝素——作用靶点是亚基（in vitro）
那么，
•RNA聚合酶一定能使基因转录吗？
转录方向
+1Start point
ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA
启动子Promoter
Terminator
•在没有阻挡RNA聚合酶进程的情况下，—RNA聚合酶可以转录具有完整转录单位的基因 比如：基因的体外转录——基因克隆技术的应用
—乳糖操纵子模式图
—乳糖操纵子的调控模式 Lac Operon
Regulatory element
Repressor gene
I
CAP binding site
P
O
Structure genes
Lac Z
Lac Y
Lac A
RNA pol. binding site
Repressor binding site
•正、负调控：—CAP正调控—阻遏蛋白负调控
+
CAP (Catabolite gene activator protein)
—分解代谢物基因的活化蛋白
—CAP的正调控
缺乏葡萄糖 半乳糖
降解乳糖
-半乳糖苷酶CAP
IPOLac ZLac YLac A
•in E.coli
—当葡萄糖和乳糖都有时
•乳糖的存在对转录产生诱导作用。
•葡萄糖的存在，使CAP活性降低，不能结合到位点上，转录仍不能启动。CAP结合
•in E.coli
—当葡萄糖和乳糖都不存在
•没有葡萄糖，CAP可以发挥正调控作用
•没有乳糖，即没有诱导剂，阻遏蛋白发挥负调控作用， 转录仍不能启动。
由此可见，
•P和O双开关都开放时基因表达乳糖操纵子：
IPOLac ZLac YLac A想想看：
—将乳糖操纵子的结构基因换成其他基因？IPOGFP
原核生物基因表达的翻译水平调控
相关概念
SD 序列: 位于mRNA上AUG的上游，由6个核苷
酸组成的序列,与16S rRNA 3`端碱基互补 。核糖体：主要由rRNA和蛋白质构成，其功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链。
原核生物基因表达的翻译水平调控
Regulation of prokaryotic gene expression at translation level•翻译水平的调控主要涉及：
•SD序列
•mRNA稳定性
•翻译产物的调控作用
核糖体 (ribosome)：
•是蛋白质-rRNA复合物
•通过rRNA与mRNA互补配对结合到mRNA上
1. SD序列决定翻译起始效率
SD 序列 (Shine-Dalgarno sequence)•基本特点：
一般位于mRNA上游距AUG约8-11nt位点由6个核苷酸组成的consensus sequence
In E.coli, AGGAGG
•基本功能：
负责招募核糖体定位到起始密码处，启动蛋白质的合成。
•在多顺反子mRNA中，
每一个蛋白编码区都有一个AUG，在AUG上游都有一个SD序列
AUG
SDAUGSDAUGSDAUGSD
•核糖体可直接结合到mRNA上的任何一个SD序列上，并从其后的AUG开始启动蛋白质的翻译
•SD序列与AUG之间的距离直接影响基因产物的翻译效率
例如：
promoterpromoterStart pointStart pointAUG8 basesAUGSD7 basesSDXXXXXXXXXXXXXXXIL-2 geneIL-2 gene
Transcription Transcription
Translation Translation
因此，SD序列的位置
在基因表达调控中起
重要作用IL-2表达水平IL-2表达最高降低500倍
2. mRNA稳定性是决定翻译产物量的重要因素•细菌mRNA通常很不稳定
In E.coli:
•37℃时，mRNA平均寿命2min
•这意味着：诱导因素一旦消失，蛋白表达立即停止影响mRNA稳定性的因素：
•mRNA结构：5端与核糖体结合，相对稳定•mRNA的序列：两端的发夹结构
问题 ：
•从细菌中提取mRNA是否可行？
•如果答案是No，你主要考虑了哪些因素？一般来说是不可行的
原因：
•mRNA的半衰期太短
•mRNA的合成及降解偶联进行
3. 翻译产物：反馈调节效应
•操纵子——mRNA——蛋白质
•结合到多顺反子上游的一个特定部位•阻止核糖体结合和起始翻译
小结：
基因 DNA序列
基因表达：DNA RNA Protein
转录翻译
基因表达调控：
—围绕“DNA RNA Pro”流程加以控制转录单位：
—DNA序列：调控序列+基因序列
50