第16章基因表达的调控要点概述16.1基因表达是通过调节转录过程来调控的转录调控概述。在细菌中，调节转录是通过灵活和可逆方式来控制RNA聚合酶接近启动子的途径实现的；相比而言，真核细胞则使用更长久的方式，即打开或关闭它们的各个基因来实现对基因的调控。16.2调节蛋白不用解旋就能读取DNA怎么读取不解旋的螺旋结构。在DNA双螺旋的大沟中，调节蛋白沿着一种称为DNA结合基序的特殊的片断滑动，从侧面读取碱基。四种重要的DNA结合基序。DNA结合蛋白含有诸如螺旋一转角一螺旋的结构基序，这种结合基序与DNA螺旋的大沟相吻合。16.3细菌通过阻断RNA聚合酶活性来限制转录调控转录起始。阻遏蛋白阻碍RNA聚合酶接近启动子，而活化因子则促进其结合。16.4真核细胞转录的调控是远程操作的设计一种复杂的基因控制系统。真核细胞运用复杂的转录因子及增强子来辅助转录过程中的聚合酶。染色体结构在基因调节上的作用。真核细胞DNA紧密包装为核小体并不干扰基因的表达。真核细胞的转录后调控。在转录之后，基因表达可以受到各种水平的调控。在一个交响乐队中，所有的乐器并不是同时演奏的；如果是那样的话，产生
第 16 章 基因表达的调控 要点概述 16.1 基因表达是通过调节转录过程来调控的 转录调控概述。在细菌中，调节转录是通过灵活和可逆方式来控制 RNA 聚 合酶接近启动子的途径实现的；相比而言，真核细胞则使用更长久的方式，即打 开或关闭它们的各个基因来实现对基因的调控。 16.2 调节蛋白不用解旋就能读取 DNA 怎么读取不解旋的螺旋结构。在 DNA 双螺旋的大沟中，调节蛋白沿着一种 称为 DNA 结合基序的特殊的片断滑动，从侧面读取碱基。 四种重要的 DNA 结合基序。DNA 结合蛋白含有诸如螺旋—转角—螺旋的结 构基序，这种结合基序与 DNA 螺旋的大沟相吻合。 16.3 细菌通过阻断 RNA 聚合酶活性来限制转录 调控转录起始。阻遏蛋白阻碍 。 RNA 聚合酶接近启动子，而活化因子则促进 其结合。 16.4 真核细胞转录的调控是远程操作的 设计一种复杂的基因控制系统。真核细胞运用复杂 。 的转录因子及增强子来辅 助转录过程中的聚合酶。 染色体结构在基因调节上的作用。真核细胞 DNA 紧密包装为核小体并不干 扰基因的表达。 真核细胞的转录后调控。在转录之后，基因表达可以受到各种水平的调控。 在一个交响乐队中，所有的乐器并不是同时演奏的；如果是那样的话，产生
来的就会是噪音了。而乐谱就决定了乐队中的各种乐器分别在什么时候演奏。与此相似的是，生物体中的基因也不是都在同一时间全部表达，每个基因都全力以赴地生产它所编码的蛋白质。相反，按照写在决定哪些基因在何时表达的DNA调节区里的遗传图谱，不同的基因在不同的时期进行表达（图16.1）。16.1基因表达是通过调节转录过程来调控的转录调控概述基因表达的调控对于一切生物图16.1：染色体膨突。在这条果蝇体来说都是至关重要的。在细菌中，(Drosophilamelanogaster)的染色体中，能够它允许细胞利用变化的环境条件。在看到每个独立的活性基因都是染色体上的一个“膨突”。从DNA模板转录来的RNA经多细胞生物中，对指导发育和自稳态过放射性标记，图中的暗斑显示了它在染色平衡的维持起重要作用。体上的位置。调控启动子的接触调控转录的办法之一是调节转录的起始。一个基因要被转录，则RNA聚合酶必须能够接近DNA双螺旋，并且必须能够与基因的启动子结合，这是一个位于基因一端、表明聚合酶在哪儿开始转录的特殊的核苷酸序列。转录的起始是怎样调节的？DNA上结合蛋白质的特殊核苷酸序列通过调整RNA聚合酶结合起动子的能力来调节转录过程的起始。这些蛋白质结合位点通常为10到15个核苷酸长度（即使是较大的调节蛋白所具有的“足迹”或者说结合区域也只有20个核甘酸）。已知的已有几百种这类调节序列，每一种都为能够识别该序列的特殊的蛋白质提供了结合位点。蛋白质结合到调节序列上或者是通过挡住RNA聚合酶来阻碍转录，或者是促进RNA聚合酶与启动子的结合来刺激转录的发生
来的就会是噪音了。而乐谱就决定了 乐队中的各种乐器分别在什么时候 演奏。与此相似的是，生物体中的基 因也不是都在同一时间全部表达，每 个基因都全力以赴地生产它所编码 的蛋白质。相反，按照写在决定哪些 基因在何时表达的 DNA 调节区里的 遗传图谱，不同的基因在不同的时期 进行表达（图 16.1）。 16.1 基因表达是通过调节转录 过程来调控的 转录调控概述 基因表达的调控对于一切生物 体来说都是至关重要的。在细菌中， 它允许细胞利用变化的环境条件。在 多细胞生物中，对指导发育和自稳态 平衡的维持起重要作用。 调控启动子的接触 调控转录的办法之一是调节转录的起始。一个基因要被转录，则 RNA 聚合 酶必须能够接近 DNA 双螺旋，并且必须能够与基因的启动子结合，这是一个位 于基因一端、表明聚合酶在哪儿开始转录的特殊的核苷酸序列。转录的起始是怎 样调节的？DNA 上结合蛋白质的特殊核苷酸序列通过调整 RNA 聚合酶结合起 动子的能力来调节转录过程的起始。这些蛋白质结合位点通常为 10 到 15 个核苷 酸长度（即使是较大的调节蛋白所具有的“足迹”或者说结合区域也只有 20 个 核甘酸）。已知的已有几百种这类调节序列，每一种都为能够识别该序列的特殊 的蛋白质提供了结合位点。蛋白质结合到调节序列上或者是通过挡住 RNA 聚合 酶来阻碍转录，或者是促进 RNA 聚合酶与启动子的结合来刺激转录的发生。 图 16.1 ： 染 色 体 膨 突 ： 染 色 体 膨 突 。 在 这 条 果 蝇 (Drosophila melanogaster)的染色体中，能够 看到每个独立的活性基因都是染色体上的一 个“膨突”。从 DNA 模板转录来的 RNA 经 过放射性标记，图中的暗斑显示了它在染色 体上的位置
原核细胞转录调控细菌基因表达的调控与复杂的多细胞生物的细胞相比，非常不同。细菌的细胞在进化过程中发展的结果是它们能够迅速地生长和分裂，以利用短暂有限的资源。在细菌中，基因调控的基本功能是调节细胞的活动以适应周围的环境。根据可利用的营养的种类和数量以及氧气的供应量，基因表达能够改变以决定哪几种酶出现在细胞中。儿乎所有这些改变都是可逆的，这使细胞能够随着环境的改变上下调节酶含量的水平。真核细胞转录调控另一方面，多细胞生物细胞的进化的结果使细胞在瞬息万变的外部环境中受到保护。它们当中的大多数都生存在相对稳定的条件下。的确，自稳态（homeostasis）一一保持稳定的内环境一一被很多人认为是多细胞生物的重要特征。虽然这些生物体内的细胞仍然能够通过调控基因表达来对直接的信号刺激（比如生长因子和激素）做出反应，它们实际上是参与了对整个机体调节。对子具有相对稳定内环境的多细胞生物来说，基因调控的首要功能不是细胞对其周围环境作出反应，而是参与了机体整体调节。这些基因表达的变化有一些是为了补偿机体生理条件的改变。另一些调节机体的形成，保证在发育过程当中，在正确的细胞内的正确基因在正确的时间被表达。多细胞生物的生长和发育伴随着一系列生物化学反应，每一个反应都由一种酶来催化。当某种特定的发育变化完成后，酶便终止了活动，以免影响下面将要发生的过程。为了产生这些酶，基因按照精细制定的顺序在不同的时期依次进行转录。事实上，许多基因只被激活一次，产生一种不可逆的结果。在许多动物中，比如干细胞(stemcells)发育成不同的组织如皮肤细胞或红血球，这是严格按照一个固定的基因程序进行的，该过程经常导致细胞程序性死亡。调控这种程序的基因的一次性表达与细菌对环境做出的可逆的代谢调节有着根本上的区别。在所有的多细胞生物中，特定细胞内的基因表达的变化是为了适应整个机体的需要，而不是某个细胞的存活。转录后调控
原核细胞转录调控 细菌基因表达的调控与复杂的多细胞生物的细胞相比，非常不同。细菌的细 胞在进化过程中发展的结果是它们能够迅速地生长和分裂，以利用短暂有限的资 源。在细菌中，基因调控的基本功能是调节细胞的活动以适应周围的环境。根据 可利用的营养的种类和数量以及氧气的供应量，基因表达能够改变以决定哪几种 酶出现在细胞中。几乎所有这些改变都是可逆的，这使细胞能够随着环境的改变 上下调节酶含量的水平。 真核细胞转录调控 另一方面，多细胞生物细胞的进化的结果使细胞在瞬息万变的外部环境中受 到保护。它们当中的大多数都生存在相对稳定的条件下。的确，自稳态 （homeostasis）——保持稳定的内环境——被很多人认为是多细胞生物的重要 特征。虽然这些生物体内的细胞仍然能够通过调控基因表达来对直接的信号刺激 （比如生长因子和激素）做出反应，它们实际上是参与了对整个机体调节。对于 具有相对稳定内环境的多细胞生物来说，基因调控的首要功能不是细胞对其周围 环境作出反应，而是参与了机体整体调节。 这些基因表达的变化有一些是为了补偿机体生理条件的改变。另一些调节机 体的形成，保证在发育过程当中，在正确的细胞内的正确基因在正确的时间被表 达。多细胞生物的生长和发育伴随着一系列生物化学反应，每一个反应都由一种 酶来催化。当某种特定的发育变化完成后，酶便终止了活动，以免影响下面将要 发生的过程。为了产生这些酶，基因按照精细制定的顺序在不同的时期依次进行 转录。事实上，许多基因只被激活一次，产生一种不可逆的结果。在许多动物中， 比如干细胞(stem cells)发育成不同的组织如皮肤细胞或红血球，这是严格按照一 个固定的基因程序进行的，该过程经常导致细胞程序性死亡。调控这种程序的基 因的一次性表达与细菌对环境做出的可逆的代谢调节有着根本上的区别。在所有 的多细胞生物中，特定细胞内的基因表达的变化是为了适应整个机体的需要，而 不是某个细胞的存活。 转录后调控
基因的表达可以在很多水平上被调控。到目前为止，细菌与真核细胞中最为常见的调控方式是转录调控(transcriptioncontrol)，也就是说，调控由RNA聚合酶进行的某个特定基因的转录。其他一些不那么常见的调控形式发生在转录之后，通过影响由基因产生出的mRNA或者被mRNA编码的蛋白质的活性而实现。这些被统称为转录后调控(posttranscriptioncontrol)，在本章后面的内容中将会简要地介绍。基因的表达调控发生在转录和转录后两个水平上。转录调控更为常见，它是通过蛋白质与DNA上的调节序列相结合来实现的。16.2调节蛋白不用解旋就能读取DNA怎么读取不解旋的螺旋结构正是某种蛋白质与特定DNA的调节序列结合的能力提供了基因调节的基本工具，也正是这种重MajorMajor要的能力使得转录调groovegroove控成为可能。为了理工解细胞怎样控制基因CHO表达，首先必须明确这个分子识别的过SugaHPhosphate程。MirMinorgroovegrooveKey:=Hydrogenbonddonors观察大沟=HydrogenbondacceptorsO=Hydrophobicmethylgroup=Hydrogen atoms unabietoformhydrogenbonds分子生物学家一图16.2：读取DNA的大沟。观察DNA螺旋的大沟，我们可以看到伸入沟内的碱基的边缘。四种可能的碱基对排列中的每度认为在蛋白质能够一种（这里显示了两种）都提供一组独特的化学基团伸入沟内，分辨出DNA的特定在这张图中用不同的颜色的球表示。调节蛋白可以通过这种特征信息来识别碱基对的排列。序列之前，DNA螺旋Majorgroove大沟；minorgroove小沟；phosphate磷酸盐；必须先解旋；他们认sugar糖：key图例；hydrogen banddonors氢键质子供体；hydrogenband acceptors氢键质子受体；hydrophobicmethyl为，只有这样调节蛋group疏水甲基；hydrogen atoms unable to formhydrogen bands白才能够接近碱基对不能形成氢键的氢原子：中的氢键。我们现在
基因的表达可以在很多水平上被调控。到目前为止，细菌与真核细胞中最为 常见的调控方式是转录调控(transcription control)，也就是说，调控由 RNA 聚 合酶进行的某个特定基因的转录。其他一些不那么常见的调控形式发生在转录之 后，通过影响由基因产生出的 mRNA 或者被 mRNA 编码的蛋白质的活性而实现。 这些被统称为转录后调控(posttranscription control)，在本章后面的内容中将会 简要地介绍。 基因的表达调控发生在转录和转录后两个水平上。转录调控更为常见 转录调控更为常见，它是通过蛋白质与 是通过蛋白质与 DNA 上的调节序列相结合来实现的。 16.2 调节蛋白不用解旋就能读取 DNA 怎么读取不解旋的螺旋结构 正是某种蛋白质与特定 DNA 的调节序列结合的能力提供了基因调节的基本 工具，也正是这种重 要的能力使得转录调 控成为可能。为了理 解细胞怎样控制基因 表达，首先必须明确 这个分子识别的过 程。 观察大沟 分子生物学家一 度认为在蛋白质能够 分辨出 DNA 的特定 序列之前，DNA 螺旋 必须先解旋；他们认 为，只有这样调节蛋 白才能够接近碱基对 中的氢键。我们现在 图 16.2：读取 DNA 的大沟。观察 DNA 螺旋的大沟，我们可 以看到伸入沟内的碱基的边缘。四种可能的碱基对排列中的每 一种（这里显示了两种）都提供一组独特的化学基团伸入沟内， 在这张图中用不同的颜色的球表示。调节蛋白可以通过这种特 征信息来识别碱基对的排列。 Major groove 大沟；minor groove 小沟；phosphate 磷酸盐； sugar 糖；key 图例； hydrogen band donors 氢键质子供体； hydrogen band acceptors 氢键质子受体；hydrophobic methyl group 疏水甲基；hydrogen atoms unable to form hydrogen bands 不能形成氢键的氢原子；
知道了这是没有必要的，因为蛋白质可以结合在螺旋结构的外表面，在那里碱基的边缘暴露出来。对DNA分子的仔细观察显示出有两条螺旋形沟缠绕在DNA分子上，一条比另一条深。在叫做大沟(majorgroove)的较深的沟内，核苷酸的疏水的甲基、氢原子以及氢键供体和受体突出来。由这些化学基团形成的图样对四种可能的碱基对排列来说都是都各不相同的，这也就使定位在沟中的蛋白质能够读出碱基的序列（图16.2）。DNA结合基序蛋白质一DNA识别是一个活跃的研究领域；到目前为止，已有超过30种调节蛋白的结构被分析。虽然每种蛋白质在其细节上都是独一无二的，但这些蛋白质上实际结合DNA的部分却很少变化。几乎所有这些蛋白都具有一种结构基序（structuralmotifs），或叫做DNA结合基序(DNA-bindingmotifs)，是蛋白质链上的特殊弯曲，能够使蛋白质与DNA螺旋的大沟互相结合。不用解旋，调节蛋白就能通过将DNA结合模体嵌入双螺旋的暴露着碱基边缘的大沟来辨认出DNA双螺旋上的特定序列。四种重要的DNA结合基序螺旋-转角-螺旋DNA结合域最常见的DNA结合域是螺旋转角-螺旋(helix-turn-helix），由蛋白质的两个α-螺旋片段与一个短的非螺旋的片段联结而成，这个短的非螺Recognitionhelix旋片段就是“转角”（图16.3）。螺旋-转角-螺旋结合域是第一个被发现的DNA结合基序，因此，已经从上百图16.3：螺旋-转角-螺旋基序。识别螺旋，种DNA结合蛋白中分辨出来。也就是基序的一个螺旋区域，与DNA大沟相吻合。在那里，它与碱基对的边缘接触，对于螺旋-转角-螺旋结合域的结使其能够辨认DNA碱基的特异序列。构的仔细研究揭示了含有这种结合Recognitionhelix识别螺旋域的蛋白质是如何能够与DNA的大
知道了这是没有必要的，因为蛋白质可以结合在螺旋结构的外表面，在那里碱基 的边缘暴露出来。对 DNA 分子的仔细观察显示出有两条螺旋形沟缠绕在 DNA 分子上，一条比另一条深。在叫做大沟(major groove)的较深的沟内，核苷酸的 疏水的甲基、氢原子以及氢键供体和受体突出来。由这些化学基团形成的图样对 四种可能的碱基对排列来说都是都各不相同的，这也就使定位在沟中的蛋白质能 够读出碱基的序列（图 16.2）。 DNA 结合基序 蛋白质—DNA 识别是一个活跃的研究领域；到目前为止，已有超过 30 种调 节蛋白的结构被分析。虽然每种蛋白质在其细节上都是独一无二的，但这些蛋白 质上实际结合 DNA 的部分却很少变化。几乎所有这些蛋白都具有 一种结构基 序（structural motifs），或叫做 DNA 结合基序(DNA-binding motifs)，是蛋白质 链上的特殊弯曲，能够使蛋白质与 DNA 螺旋的大沟互相结合。 不用解旋，调节蛋白就能通过将 ，调节蛋白就能通过将 DNA 结合模体嵌入双螺旋的暴露着碱基边缘的大沟来辨认 出 DNA 双螺旋上的特定序列。 四种重要的 DNA 结合基序 螺旋-转角-螺旋 DNA 结合域 最常见的 DNA 结合域是螺旋- 转角-螺旋(helix-turn-helix)，由蛋白 质的两个α-螺旋片段与一个短的非 螺旋的片段联结而成，这个短的非螺 旋片段就是“转角”（图 16.3）。螺旋 -转角-螺旋结合域是第一个被发现的 DNA 结合基序，因此，已经从上百 种 DNA 结合蛋白中分辨出来。 对于螺旋-转角-螺旋结合域的结 构的仔细研究揭示了含有这种结合 域的蛋白质是如何能够与 DNA 的大 图 16.3：螺旋-转角-螺旋基序。识别螺旋， 也就是基序的一个螺旋区域，与 DNA 大沟 相吻合。在那里，它与碱基对的边缘接触， 使其能够辨认 DNA 碱基的特异序列。 Recognition helix 识别螺旋