第十四章基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制，提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表达调控研究的新纪元。
对基因表达调控的研究是目前分子生物学领域最重要的研究内容之一。
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第一节基因表达调控的
概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(g e n e e x p r e s s i o n)是指基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。
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(二)基因表达的时间性及空间性
1.时间特异性
某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。
2.空间特异性
某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。
空间特异性是由细胞在器官的分布决定的，故又称细胞或组织特异性。
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二、原核生物基因表达调控
(一)参与原核生物基因表达调控的蛋白因子
1. RNA聚合酶
RNA聚合酶与DNA的亲和力，影响转录。
2.σ因子
主要参与RNA聚合酶对启动序列的识别。
3. 阻遏蛋白
能够与特异操纵序列结合，阻断基因表达。
4. 激活蛋白
增强RNA聚合酶与启动序列的结合能力。
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(二)原核生物基因转录调控模式
——操纵子机制
操纵子(o p e r o n)是原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位。操纵子的本质是D N A序列。
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(i n h i b i t o r,I):编码一种阻遏蛋白(r e p r e s s o r)。
⑵启动序列(p r o m o t e r,P):结合R N A聚合酶，启动转录。
⑶操纵序列(o p e r a t o r,O):阻遏蛋白的结合位点。
⑷编码序列(c o d i n g s e q u e n c e):编码功能性蛋白，2~6个。
2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区 信息区
Z
O
P
DNA I
Y
A
C
启动序列 操纵 序列 调控序列 编码基因
Z ： β-半乳糖苷酶 Y ： 透酶
A ：乙酰基转移酶
CAP 结合位点
代谢产物基因激活蛋白(catabolite gene activator protien,CAP) 幻灯片7
(1)阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
pol
Z
O
P
DNA I
Y
A
C
没有乳糖存在时
幻灯片8 有乳糖存在时
mRNA
阻遏蛋白
pol
Z
O
P
DNA I
Y A
C
mRNA
阻遏蛋白
mRNA
启动转录
β-半乳糖苷酶
乳糖
半乳糖
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(2)CAP的正性调节+ + + + 转录
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(3)阻遏蛋白与CAP 的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白) 高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP 浓度低时
CAP
CAP
CAP CAP RNA-pol
葡萄糖浓度低
cAMP 浓度高
(有CAP)
O
O
mRNA
葡萄糖浓度高cAMP 浓度低
(无CAP)
O
O
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三、真核基因基因表达的调节
(一)顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA 序列
1.启动子 真核基因启动子是RNA 聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。
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2. 增强子(enhancer) 指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA 序列。
3.沉默子(silencer) 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。
B ：增强子或沉默子 A ：启动子 幻灯片13
(二)反式作用因子(trans-acting factor) ——影响基因表达的蛋白因子
1.基本转录因子(general transcription factors)
是RNA 聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA 、tRNA 及rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors)
为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。 转录激活因子
高等真核生物
CAAT 盒
GC 盒
TA TA 盒
RNA 起始点
酵母
上游激活序列(UAS) TATA 盒
RNA 起始点
B A DNA
编码序列
转录起始点
分为
转录抑制因子
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(三)反式作用因子的结构TF
DNA结合域
酸性激活域
谷氨酰胺富含域
转录激活域
脯氨酸富含域
(二聚化结构域)
蛋白质-蛋白质结合域
1.同源结构域
3.碱性亮氨酸拉链
2.锌指
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(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平等均受调控。
2.真核RNA 聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的转录起始复合物。
C C
H H
Zn
Cys
His C H
其他氨基酸
TF ⅡH TAF TF ⅡF
TAF
TAF
TF ⅡA
TF ⅡB
TA TA
EBP
DNA
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第二节 癌基因与抑癌基因
(Oncogenes and,Anti-oncogenes)
一、癌基因
控制细胞生长和分化的基因，它的结构或表达异常，可引起细胞癌变。
pol Ⅱ
TBP
癌基因
抑癌基因
细胞
表达蛋白
正调控
负调控
分为细胞癌基因和病毒癌基因。 幻灯片17
(一)病毒癌基因(virus oncogene,v-onc)
1. 病毒癌基因是存在于病毒基因组中的癌基因，它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用，但可以使细胞持续增殖。
2.病毒基因组结构
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(二)细胞癌基因(c e l l u l a r -o n c o g e n e , c -o n c )
1. 细胞癌基因是存在于生物正常细胞基因组中的癌基因，或称原癌基因 (p r o t o -o n c o g e n e s , p r o -o n c ) 。
2.细胞癌基因的特点
(1)广泛存在于生物界中； (2)基因序列高度保守；
(3)作用通过其产物蛋白质来体现；
(4)被激活后，形成癌性的细胞转化基因。 (三) 癌基因的分类与功能
根据表达产物在细胞中的定位和功能分为： 幻灯片19
跨膜生长因子受体
膜结合的酪氨酸蛋白激酶 可溶性酪氨酸蛋白激酶
胞浆丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 非蛋白激酶受体
产生病毒 核心蛋白 产生逆转录 酶和整合酶
产生病毒 外膜蛋白 产生酪氨酸 激酶
调节和 启动转录
LTR gag pol env src LTR
长末端 重复序列
癌基因
正常的病毒基因
1.蛋白激酶类
2.信息传递蛋白类
3.生长因子类
4.核内转录因子类
二、抑癌基因
(一)什么是抑癌基因？
抑癌基因又称肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)或抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细胞内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的基因。 幻灯片20
(二)常见的抑癌基因
P53 17p 多种肿瘤 编码P53蛋白(转录因子)
P16 9P21 黑色素瘤 编码P16蛋白
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三、癌基因和抑癌基因与肿瘤的发生
(一)癌基因恶性活化的机制
1. 点突变
2. 启动子插入
3. 增强子插入
4. 甲基化程度降低
5. 原癌基因的扩散拷贝数增加
6. 基因易位或重排 幻灯片22
(二)癌基因激活与肿瘤的发生
肿瘤的发生是一个极其复杂的细胞恶变过程：①激活的癌基因可能是细胞恶性转化的内在因素。②激活癌基因的协同作用是使细胞恶性转化的关键。③原癌基因的激活可能是
NF1 7q12.2 神经纤维瘤 GTP 酶激活剂 名称 染色体定位 相关肿瘤 作用
Rb 13q14 视网膜母细胞瘤、肺癌 编码P105Rb1蛋白(转录因子) APC 5q21 结肠癌 可能编码G 蛋白
DCC 18q21 结肠癌 编码表面糖蛋白(细胞粘着分子) NF2 22q 神经鞘膜瘤、脑膜瘤 连接膜与细胞骨架
VHL 3p 小细胞肺癌、宫颈癌 转录调节蛋白 WT1 11P13 肾母细胞瘤 编码锌指蛋白（转录因子）
部分或所有致癌因素导致肿瘤的共同途径。
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(三)抑癌基因失活与肿瘤的发生
1.视网膜母细胞瘤基因（Rb 基因）
G0 G1期 DNA
S 期
DNA
mRNA
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2.P53基因
1.ras 基因 结肠癌
2.myc 基因 Burkitt’s 淋巴瘤
3.bcl-2基因 淋巴瘤
Rb 蛋白
E-2F
P Rb 蛋白
E-2F
(1)结构
(2)作用机制
复制因子A P53蛋白
DNA损伤
细胞自杀
P53蛋白
P53蛋白
P21蛋白酸性区核心区碱性区
P53蛋白成功修复修复失败P21基因抑制
解链酶
细胞停滞于G1期