泉州师范学院-留守儿童教育

第十三章 基因表达的调控

Regulation of gene expression

一、授课章节及主要内容：第十三章 基因表达的调控

二、授课对象：临床医学、预防、法医（五年制）、临床医学（七年制）

三、授课学时

本章共３学时，第一学时讲述基因表达调控的基本概 念、原理，第二学时讲述原核生物
转录调节，第三学时讲述真核生物转录调节、小结。

四、教学目的与要求

通过本章学习应该掌握基因表达调控的基本 原理、原核生物转录调控模式、真核生物基
因表达特点，了解基因表达的时空性及表达方式，原核生物与 真核生物基因表达调控异同点。

五、重点与难点

重 点：掌握基因表达、顺式作用元件、反式作用因子的概念。掌握原核生物操纵子模型
调节机制，重点掌握 乳糖操纵子。掌握真核生物转录水平的调节、顺式作用元件的分类、反
式作用因子的分类、掌握RNA pol II转录起始、终止的调节。

难点：真核RNA pol II转录起始、终止的调节。

六、教学方法及授课大致安排

启 发式教学，复习、提问、讲解、小结相结合。首先复习中心法则，然后提问：遗传信
息的传递如何控制， 有什么规律？重点讲述基因表达调控的原理、原核生物的转录调控模式，
最后进行小结，并出几个思考题 。

七、主要外文专业词汇

基因组（genome） 时间特异性（temporal specificity）

基因表达（gene expression） 阶段特异性（stage specificity）

管家基因（housekeeping gene） 组成性基因表达（constitutive gene expression）

诱导（induction） 阻遏（repression）

协调调节（coordinate regulation） 操纵子（operon）

编码序列（coding sequence） 启动序列（promoter）

操纵序列（operator） 顺式作用元件（cis-acting element）

阻遏蛋白（repressors） 反式作用因子（trans-acting fctors）

分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein，CAP）

热休克反应（heat shock response）衰减（attenuation）

反义控制（antisense control） 人类基因组计划（human genome project, HGP）

单顺反子（monocistron） 增强子（enhancer）

沉默子（silencer） 酸性激活域（acidic activation domain）

DNA结合域（DNA binding domain） 转录激活域（activation domain）

碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper, bZIP）

碱性螺旋─环─螺旋（basic helix-loop- helix, bHLH

锌指（zinc finger） 脯氨酸富含域（proline-rich domain）

RNA干扰（RNA interference，RNAi）

RNA诱导的沉默复合物（RNA- induced silencing complex，RISC）

八、思考题

1．名词解释：阻遏、诱导、启动子、操纵子、反式作用因子、顺式作用元件

2．基因转录调节的基本原理。

3. 简述乳糖操纵子基因表达的正、负调控。

4. 转录调节因子的分类。

5. 转录调节因子的结构特征有哪些？

6. 真核RNA pol II转录终止的调节。

7. 真核生物翻译后的调节

九、教材与教具：人民卫生出版社《生物化学》第六版

十、授课提纲(或基本内容)

第13章 基因的表达调控

Regulation of gene exprssion

主要内容：

20世纪50年代末，Watson和Crick提出了DN A双螺旋结构学说和“中心法则”，并用
分子结构特征解释了生命现象的基本问题：DNA采取半保留的 方式进行复制，基因信息经
过转录、翻译产生有功能的蛋白质。中心法则虽然阐明了DNA与蛋白质合成 的关系，揭示
了基因型与表型、遗传与代谢的关系，使人们从分子水平上了解到遗传对代谢的控制；了解
到一切生理、病理现象都是直接或间接地受到遗传基因的控制。但它仅仅是揭开了生命现象
的一 部分本质而不是全部。

60年代，Monod和Jacob提出了操纵子学说，扩 大了基因的概念，人们开始认识除了
有能编码蛋白质一级结构的这么一类基因外，还有具备其他功能的基 因，从而开辟了基因表
达调控研究的新领域。 近年来，生命科学研究揭示：一切生命现象从生物的遗传 和变异到
生物体的生长、发育、繁殖、分化以及包括癌变在内的许多疾病发生，都与基因表达调控有关。由此形成了众多的热点探索课题。

本章主要讲述一些基本概念和基本原理 和认识比较清楚的原核生物转录调控模式——
操纵子模式，简单介绍真核生物转录调控特点。



第一节 基因表达调控基本概念与原理

Basic Concepts and Principle of

Regulation of gene exprssion

一、基因表达的概念

（一）基因（GENE）

从遗传学角度讲，基因（gene）就是遗传的 基本单位或单元，含有编码一种RNA，大
多数情况是编码一种多肽的信息单位；

从分子生物学角度看，基因是负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括由DNA编
码序列、非编码调 节序列和内含子组成的DNA区域。

cDNA (complementory DNA) 是人为地由mRNA通过反转录而得（自然界RNA病毒感
染宿主也可进行此种方式的DNA合成），即与mRNA互补的DNA，人们习惯地也将其称为
“基因” ，它不含基因转录的调控序列，但含翻译调控及多肽链的编码序列。

（二）基因组（genome）

基因组（genome）是指来自一个遗 传体系的一整套遗传信息。对所有原核细胞（如细
菌）和噬菌体而言，它们的基因组就是单个的环状染色 体所含的全部基因；对真核生物而言，
基因组就是指一个生物体的染色体所包含的全部DNA，通常又称 为染色体基因组或核基因
组。

真核细胞还有线粒体或叶绿体基因组。

（三）基因表达（gene expression）：

包括 基因的转录和翻译两个过程。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于开放
状态，有些基因只在某 些条件下才表达，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，以适 应环境、生长发育的需要，因此基因表达是受调控的。

rRNA、tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。



二、基因表达的特异性

无论是高等生物还是低等生物，基因表达都是有规律的，即表现为基因表达的时间特异性
和空间特异性。

（一）时间特异性（temporal specificity）：指的是根据功能 需要，某一特定基因的表达严
格按特定的时间顺序发生。如高等生物从一个受精卵开始发育到组织、器官 形成，每一个阶
段均有相应的基因开放、关闭，表现为与分化、发育相一致的时间特异性。

（二）空间特异性（spatial specificity）：在多细胞生物的个体某一发育 生长阶段，同一基
因产物在不同的组织器官表达的量不同，在同一生长阶段，不同基因表达产物在不同组 织器
官的分布也不同，这种在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，
就是基因表达的空间特异性，这种特异性实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此又称为
细胞或组织特 异性。



三、基因表达的方式

由于生物遗 传背景、生活环境不同，不同的基因功能也不同对各种刺激的反应性也不相同，
因此基因表达的方式或调 节类型有很大差异。

（一）基本表达

１．管家基因（housekeeping gene）：某些基因在一个生物个体几乎所有细胞中持续 表达，
称之为管家基因。如编码催化三羧酸循环反应的酶的基因、细胞骨架蛋白b-actin基因等。

２．组成性表达（constitutive gene expression）：管家基 因的表达无论高低较少受环境因素影
响而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达或变 化很小。区别于其他基
因，这类基因表达被视为组成性表达。

（二）诱导（induction）和阻遏(repression)表达:

1.与管 家基因相反，一些基因极易受环境变化影响。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，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强
的过程，称为诱导。

2.如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物降低
的 过程称为阻遏。诱导和阻遏表达是生物适应环境的基本途径，在生物界普遍存在。

3.在 生物体内，一个代谢途径由一系列反应组成，需要多种酶或多种蛋白质参与，为了确
保代谢有条不紊的进 行，功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（coo rdinate expression）。



四、基因表达调控的生物学意义

（一）适应环境、维持生长和增殖

（二）维持个体发育与分化



第二节 基因表达调控的基本原理

Basic Principle of

Regulation of gene exprssion



一、基因表达调控的多层次和复杂性

基因表达调控的多层次主要指：

基因水平的激活，包括基因组DNA的部分扩增（amplific ation）、DNA重排
(rearangement)、以及DNA甲基化(methylatio n)等均可在DNA水平上影响基因表达。 转
录水平的调节，包括转录起始、转录后加工、mRNA的稳定性等方面的调节。

翻译水平的调节、包括翻译及翻译后加工修饰、蛋白质降解等。

但转录水平，尤其是转录起始水平的调节，是基因表达的基本控制点。



二、基因转录激活调节的基本要素

（一）特异的DNA序列：指具有调控功能的DNA序列。

如原核生物，操纵子调控模式 是主要调控模式。所谓操纵子（operon），是由２个以上的编
码序列与启动序列（promote r）、操纵序列（operator）以及其它调节序列在基因组中成簇串
联组成的原核转录单位（见图 13－1）。其中启动序列、操纵序列就是具有调控功能的特异
的DNA序列。其中启动序列是与RNA 酶结合并启动转录的特异DNA序列，一般位于转录
起始点上游的-10bp、-35bp区，各种原核 生物都具有的相似的一些共有序列（consensus
sequence），五种Ｅ.coli的共有序列，-35区的- TTGACA-，-10bp区的pribnow box，-TATAAT-。
这些共有序列的任何一 个碱基突变都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始，决
定启动序列的转录活性大小。操纵序 列是原核生物阻遏蛋白的结合位点，阻碍RNA聚合酶
与启动序列的结合或RNA聚合酶前移，介导负性 调控。还有一些DNA序列，可结合激活
蛋白，增强RNA聚合酶的活性，介导正性调控。



图13－1 操纵子



真核生物的基因转录激活调节的DNA序列比较复杂。这些调节序列被称为顺式作用元件
（cis- acting element），即能够影响自身基因表达活性的DNA序列，序列Ａ、Ｂ代表两段特
异的DNA序列，Ｂ不管在转录起始点的上游还是下游均可通过某种机制影响Ａ（见图13
－2）。Ａ、 Ｂ即顺式作用元件，可调节基因转录活性。与原核生物一样，不同的真核基因顺
式作用元件也会发现一些 共有序列，如TATA box、CCAAT box，是真核生物RNA聚合酶或
特异转录因子的结合 位点。根据功能性质不同，还可分为启动子、增强子、沉默子（后面将
详述）。

图13－2 顺式作用元件

（二）调节蛋白：是指能直接或间接作用于特异DNA序列的蛋白质因子。

原核生物分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。

特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。

阻遏蛋白（repressor）：可结合操纵序列，阻遏基因转录。

激活蛋白（act ivator）：可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列结
合，增强RNA聚 合酶活性，如CAP（catabolite gene activator protein）。

真核生物的调节蛋白又称为转录因子（transcription factor），由某一基因表 达后，通过与特
异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录，故也称为反式作用因子（tran s-acting
factor）。当然也有一些基因产物可特异识别结合自身基因的调控序列，调节 自身基因的表达，
这种作用属于顺式作用，这类调节蛋白称为顺式作用蛋白。反式与顺式作用蛋白的作用 机制
如图13-3所示：Ａ基因的表达产物蛋白Ａ，可结合Ｂ基因的调控序列，此为反式调节；Ｂ
基因的产物蛋白Ｂ可结合Ｂ基因的调控序列，此为顺式调节。

图13－3 反式与顺式作用蛋白



（三）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）指反式作用因子与顺式作用元件之间的特
异结合及识别，形成DNA- 蛋白质复合物。

蛋白质－蛋白质相互作用，大多数调节蛋白单体形式不能结合DNA序列 ，也有一些调节
因子不能直接结合DNA序列，故需要通过蛋白质－蛋白质相互作用，才能调节基因转录 。
最常见的作用形式是二聚化（dimerization）：即两分子单体通过一定结构域结合成二聚 体
（dimer）,分为同源二聚体（homodimer）和异源二聚体（heterodimer） 。蛋白质－蛋白质相
互作用结果有些增强与DNA结合能力，有些丧失DNA结合能力，有些不能直接结 合DNA
的蛋白质可通过相互作用间接结合DNA调节基因转录。

（四）RNA 聚合酶：特异的DNA序列和调节蛋白的调节作用最终都是通过影响RNA聚
合酶的活性而实现的。启动 子启动序列是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录
的调节组件组成，影响RNA聚合酶的亲 和力，从而影响转录启动的频率。

诱导和阻遏表达基因的表达是受环境变化影响的。一些特 异调节蛋白在在适当环境信号刺激
下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质- 蛋白质相互作用影响RNA聚合酶的活性，使基础
转录频率发生改变，表现出表达水平变化。

第三节 原核基因表达调节

Reglulation of gene exprssion in Prokaryota



一、原核基因转录调节特点

原核生物是单细 胞生物，基因组由一条环状双链DNA组成，无核小体结构，无核膜，故
DNA转录和mRNA翻译在同 一时间和空间上进行（转录和翻译偶联）。原核生物与周围环
境的关系非常密切，因本身无足够的能源储 备，在长期的进化过程中演变出来了高度适应性
和高度的应变能力。原核生物必须不断地调节各种不同基 因的表达，以适应周围环境、营养
条件的变化和对付不利的理化因素。在反应中，细菌可迅速合成自身需 要的酶、核苷酸和其
他生物大分子，而同时又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分，使细菌的主 要功能
——生长、繁殖达到最优化。

原核生物基因表达也受多级调控转录的起始 、转录终止、翻译调控及mRNA与蛋白质的稳
定性等，但调控的关键机制主要发生在转录起始。

（一）σ因子决定RNA聚合酶识别的特异性

转录的第一步 是RNA聚合酶与启动子结合。原核生物只有一种RNA聚合酶即：α2ββ´
σ，催化三种RNA合成 。核心酶α2ββ´具有催化活性，σ亚基识别DNA分子上RNA合
成的起始信号。不同的σ因子可以 竞争结合RNA核心酶。环境变化可诱导产生特定的σ因
子，从而开启特定的基因。例如：大肠杆菌在一 般环境中发生作用的是σ70，环境中温度改
变可诱导产生σ32，σ32能识别热应激蛋白启动子，导 致热应激蛋白的合成，产生热应激
反应；大肠杆菌处于氮饥饿，即环境中氮缺乏时，能产生σ54，σ5 4能识别使有机氮化合
物再循环的基因启动子，合成相应的酶，可使细菌在氮饥饿状况下存活。在枯草杆 菌中有σ
28和σ29，σ28与鞭毛生长有关，σ29与芽孢形成有关。

（二）操纵子模型的普遍性

原核生物转录调控的基本单元是操纵子。所谓操纵子（op eron），是指数个功能相关的结构
基因串联在一起，受上游的调控元件控制，形成一个转录单位，这 种结构称操纵子。一个操
纵子只含有一个启动序列，但转录的产物为一条mRNA分子，带有编码几种蛋 白质的信息，
可作为合成几种蛋白质的模板。原核基因的协调表达就是通过调控单个启动基因的活性来完
成的。

（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

阻遏蛋白与操纵序列的结合或解聚，会发生特异基因的阻遏或去阻遏。

二、原核生物转录其始调节

（一）乳糖操纵子的结构：三个结构基因Z、Y、A分别产生β-半乳糖苷酶（分解乳糖
成为半乳糖和葡 萄糖）、透过酶（使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内）、乙酰转移
酶（能将已酰CoA上的乙 酰基转到半乳糖上，形成乙酰半乳糖）；调控元件：启动子（P，
有RNA聚合酶结合位点和cAMP- CAP结合位点）和操纵基因（operator，O），为阻遏蛋白
（repressor）结合位点 （见图13－4）



图13－4 Lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节



（二）乳糖操纵子的调节机制

1.阻遏蛋白的负性调节

在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合, 由于P和O位点有一定的重叠序
列，O被阻遏蛋白 占据后,抑制RNA聚合酶与启动子结合,阻扰RNA聚合酶的转录活动，从
而抑制结构基因Z、Y、A 的转录。在有乳糖存在时，阻遏蛋白与乳糖结合，使阻遏蛋白的
构象发生改变，以致不能与操纵基因结合 而失去了阻遏作用，于是RNA聚合酶便能结合于
P上，从而引起结构基因转录。乳糖为诱导剂，在体外 试验中常用的诱导剂是异丙基硫代半
乳糖苷（IPTG）。在这个调节系统中，阻遏蛋白是主要的作用因 子，而诱导物可以影响阻遏
蛋白的活性；只有阻遏蛋白被诱导失活，结构基因才得以表达，这是一种负调 控的方式（见
图13－4）。

2. CAP的正性调控：



图13－5 CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对Lac操纵子的调节



CAP蛋白有两个位点：DNA结合位点、cAMP结合位点。当 没有葡萄糖、cAMP浓度高时，
CAP结合cAMP，进而暴露DNA结合位点，与启动序列附近的C AP位点结合，促进转录；
反之，有葡萄糖、cAMP浓度低时，CAP不能结合cAMP，不能与启动 序列附近的CAP位
点结合，抑制转录（见图13－5）。

3. 协调调节

当低葡萄糖高cAMP、无半乳糖时，因缺乏诱导剂，阻遏蛋白封闭转录，CAP即 使与
DNA结合，对该系统也不能发挥作用；当低葡萄糖高cAMP、有半乳糖时，阻遏蛋白变构，

取消封闭转录作用，同时CAP与DNA结合，促进转录，产生利用半乳糖的酶；当高葡萄< br>糖低cAMP时、不管有无半乳糖，因CAP不能与DNA结合，对该系统也不能发挥作用，
故转 录停止，利用或优先利用葡萄糖（见图13－5）。

三、原核生物转录终止调节

大肠杆菌中存在两种主要转录终止机制。一种只需RNA聚合酶而不需其它蛋白质成分，称< br>为不依赖Rho因子的转录终止；另一种除RNA聚合酶外还需转录终止因子Rho因子，称为
依 赖Rho因子的转录终止。不依赖Rho因子的终止子序列在结构上有两个显著特征：（1）
两段富含G C的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；（2）下游含一系列T序列。这种特殊
结构使转录生成的RN A分子形成发夹结构及下游的多个U序列，从而使转录终止。

转录终止也可在距转录起始 点较近的位置（约几百bp）发生，阻止下游基因的转录。这种
过早终止受一定机制控制。在大肠杆菌存 在两种终止调节方式，一种为衰减（attenuation），
另一种为抗终止。前者导致RNA链的 过早终止，后者则阻止前者的发生，使下游基因得以
表达。

四、原核生物翻译水平调节

翻译一般在起始和终止阶段受到调节，尤其是起始 阶段。翻译起始的调节主要靠调节分子，
调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用 。调节分子可以是蛋白质，
也可以是RNA。

（一）蛋白质分子的自我调节

无论是单顺反子还是多顺反子mRNA，许多体系应用了类似的机制：调节蛋白结合
mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身
mR NA，抑制自身的合成，因而这种调节方式称自我控制（autogenous control）。

（二）反义RNA对翻译的调节作用

某些RNA分子也可 调节基因表达，这种RNA称为调节RNA。细菌中有种称为反义RNA
的调节RNA，含有与特定mR NA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S
小亚基对起始密码子的识别及与SD序列 的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制
（antisense control）。



第四节 真核基因表达调控

Reglulation of gene exprssion in Eukaryota

真核生物尤其是高等生物的基因组不仅比原 核生物大，而且结构、功能复杂。由此决定
了其表达调控较原核生物范围更大、功能更复杂、更精细和微 妙。真核基因表达调控也是通
过多阶段水平来实现的，即染色质活化、基因转录激活、转录后加工、翻译 和翻译后加工等
水平。本节仅介绍真核基因调控特点及mRNA转录激活调节。



一、真核生物基因组结构特点

（一）真核基因组结构庞大：哺 乳类基因组约109bp，４万个以上基因，80~90%的基因
组功能不清楚，DNA与蛋白质结合。

（二）单顺反子：即一个基因转录生成一条mRNA，翻译成一条多肽链。

（三）重复序列：重复序列可长可短，重复频率可高可低，具有种属特异性。

根据重复频率可将重复序列区分为高度重复序列（106次）、中度重复序列（103~104
次）及单拷贝序列。还有一种重复序列是由两个互补序列、在同一DNA链上反向排列而成，
称 为反转重复序列（inverted repeat）。

（四）基因不连续性：内含 子（intron）与外显子（exon）相间排列,因此真核基因是不
连续的。。



二、真核基因表达调控特点

（一）、RNA聚合酶（RNA pol）

无论是原核生物还是真核生物，在转录过程中 ，RNA聚合酶与启动子的结合是关键的一步。
不同的是，真核生物RNA聚合酶有三类，分别转录三类 不同的RNA，细菌RNA聚合酶只
有一种。细菌的RNA聚合酶识别的是一段DNA顺序，而真核生物 RNA聚合酶识别的不单
是DNA顺序，而是DNA- 蛋白质复合物，即只有当一个或多个转录因子（transcription factor，
TF）结 合到DNA上，形成有功能性的启动子时，才能被RNA聚合酶分子识别、结合，如
TATA盒结合蛋白 （TBP）及其相关因子对传递上游激活序列的信息很重要。

（二）活性染色质结构变化

1．对核酸酶敏感：当染色质处于疏松结构时易于被非特异性核 酸内切酶如DNA酶Ⅰ（DNase
Ⅰ）水解，形成了对DNaseⅠ水解作用敏感区，称为DNase Ⅰ敏感位点（DNaseⅠsensitive site）。

2．DNA拓扑结构变化：负性超螺旋变成正性超螺旋，阻碍核小体形成，组蛋白解聚。
< br>3．DNA碱基修饰变化：低甲基化。在真核DNA有约5%的胞嘧啶被甲基化为5甲基胞嘧

啶，最常发生在某些基因的5’侧翼区的CpG序列（又称“CpG岛”）。甲基化范围与基因
表达程度呈反比关系。

4．组蛋白变化：包括H1样组蛋白减少、H2AH2B二聚体不 稳定、组蛋白乙酰化、泛素化
修饰、H3组蛋白巯基暴露等。

（三）正性调控占主导：由于真核基因组结构庞大，采取正性调控更有效、更经济。

（四）转录与翻译分隔进行

（五）转录后修饰、加工



三、RNA pol Ⅰ和 pol Ⅲ的转录调节

RNA polⅠ转录产物为rRNA前体，RNA pol Ⅲ转录产物为tRNA前体及5S rRNA等。
rRNA和tRNA直接参与蛋白质合成过程，它们的表达水平将直接影响蛋白质编码基因的表
达。

（一）RNA pol Ⅰ转录体系的控制

RNA pol Ⅰ转录功能相对单一，其转录产物只有rRNA前体，转录起始所需的调控序列
及转录 因子的种类也相对较少。

人rRNA前体基因的启动子只有两个元件，一个位于转录起始点附近（-45~ +20bp），它的
存在足以起始转录，因而称核心元件（core element）或核心启动子（core promoter）。另一
个元件位于起始点上游-156~ -107bp，可大大提高转录起始效率，称上游控制元件（upstream
control element, UCE）。

RNA polⅠ需两种转录因子来正确有效的帮助起始转录。上游结合因子1（upstream binding
factor 1, UBF1）既能与UCE结合又能与核心元件特异结合。选择性因子1（selectivity factor
1, SL1）继UBF1后与两个元件结合，结合无序列特异性，可能与蛋白质间的相互作用有关。

（二）RNA pol Ⅲ转录体系的控制

RNA pol Ⅲ转录多种RNA的基因，这里主要讨论tRNA和5S rRNA基因的转录调节。
这两类基因结构方面颇具特色，其启动子位于转录起始点下游即转录区内，称内部控制区
（intern al control regions, ICR）。

tRNA基因的ICR主要由 A盒（TGGCNNAGTGG）和B盒（GGTTCGANNCC）两个元件
组成。RNA pol Ⅲ转录起始需两种转录因子TFⅢC和TFⅢB，二者均为多亚基结构,TFIIIB
是必需的转录因子 ，而TFIIIC是帮助结合的辅助因子。转录起始首先由转录因子与ICR 结
合开始,然后RNA pol III再结合于转录起始点附近开始转录。

5S rRNA的 转录起始需三种转录因子，除上述两种外尚需TFIIIA、TFⅢB和TFⅢC，其中
真正的转录起始 因子为TFIIIB，TFIIIA和TFIIIC的作用在于协助TFIIIB，使RNA pol Ⅲ结
合于转录起始点。

四、RNA pol Ⅱ转录起始的调节

RNA pol II转录生成所有mRNA前体及大部分snRNA。他也需要转录因子协助 才能结
合转录起始点并起始转录过程。但是参与RNA pol II转录起始的DNA调控序列及转录因子
要复杂得多。

真核生物基因表达在转 录水平上的调控，是各级调控中最重要的一步，主要涉及RNA聚
合酶，顺式作用元件和反式作用因子三 种因素的相互作用。

（一）顺式作用元件（cis-acting element）

顺式作用元件又称顺式作用元件，包括启动子、增强子、沉默子。

1． 启动子：真核生物的启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，每一组
件含有7-20b p的DNA序列，至少包括一个转录起始位点和一个以上的功能组件。如Ⅱ类基
因启动子的功能组件包括 Hogness盒（TATA盒），是基本转录因子TFIID结合位点；上游
启动子元件（CAAT盒 、GC盒）、诱导型启动子（cAMP应答元件）和组织特异性启动子（如
肝细胞特异性启动子HP1） 等，见图13-6。



图13-6 真核基因启动子的典型结构



上述启动子可以不同数 目、位置、方向而组成，并各有其功能。并不是每个基因的启动子
都含这些序列，如组蛋白H2B有两个 CAAT盒和一个TATA盒，却不含GC盒；SV40早期
基因缺乏TATA盒和CAAT盒，而是在 上游-40～110bp间有6个串联的GC。

2．增强子（enhancer）：增 强子是远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达增强
启动子转录活性的DNA序列。其特点： ①所在位置不固定可位于结构基因的上游、下游或
内部；②可远距离作用（距靶基因可近可远，远至几十 kb也同样能发挥作用）；③无基因特
异性（对各种基因均有作用），但有组织或细胞特异性。增强子的 跨度一般为100~200bp，
和启动子一样长由一个或多个具有特征性的独立的DNA序列组成，有 完整或部分反转重复
序列。SV40病毒增强子是最早被发现的增强子。

3．沉默 子（silencer）：有些顺式作用元件的作用方式与增强子相似，但起抑制转录的作用，
称沉默子 或衰减子（dehancer）。沉默子与相应的反式作用因子结合后，可以使正调控系统
失去作用。

（二）反式作用因子（trans-acting factor）

反式作用因子是一类细胞核内的蛋白质因子，通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互< br>作用而调节转录活性，在真核生物也称为转录因子（transcription factors，TF）。

１．转录因子的分类：（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质因子 ，决定三种RNA转录的类别。如TFIID、TFIIE、TFIIA、
TFIIB、TFIIF、T FIIH是RNA聚合酶II催化所有mRNA转录所必需。（2）特异转录因子（special
transcription factors）：为个别基因转录所特有，决定该基因的时间、空间特 异表达，包括转
录激活因子（通常是增强子结合蛋白）和转录抑制因子（通常是沉默子结合蛋白）。


２．转录调节因子的结构：至少包括DNA结合域、转录活化域，有些还具有蛋白质相
互作用的结构域。

（１）DNA结合结构域（DNA binding domain）：是转录因子发挥其转录调节功能的首要
条件，大体有4种形式：①螺旋-转角- 螺旋（helix-turn-helix，H-T-H）：由约60 个氨基酸残
基组成，含有2个α-螺旋，α-螺旋之间有一个β-转角。一个螺旋为识别螺旋（羧基端） ，
直接与靶DNA双螺旋大沟特异性结合；另一个螺旋（氨基端）穿过大沟，与DNA中磷酸
戊 糖骨架形成非特异性结合。②锌指结构（zinc finger）（见图13-7）：锌指由约30个氨基酸< br>组成，四个Cys（半胱氨酸残基）通过与锌离子络合而形成一个稳定的指状结构，亦有
Cys2 his2指状结构。③亮氨酸拉链（leucine zipper）：大约由30



图13－7 锌指结构



个氨基酸残基组成，分成两个部分，一部分以碱性氨基酸为主，为DNA 结合部位；另一部
分每间隔6个氨基酸出现一个亮氨酸，形成了两性α-螺旋，即：螺旋的一侧是以带电 荷的
氨基酸残基（如Arg、Gln、Asp）为主，具有亲水性；另一侧是排列成行的亮氨酸残基，具
有疏水性，称亮氨酸拉链区，两个具有亮氨酸拉链区的反式作用因子靠疏水力相互结合形成
亮氨 酸拉链。④螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，H-L-H）：由3部分组成：两个两性α- 螺旋
的区，两螺旋之间为长短不等的肽段（环）和带有大量正电荷的N-端，当与DNA相靠近时，这些正电荷被DNA的磷酸根离子所中和，形成稳定的α-旋结构结合于DNA双螺旋的大沟。

（2）转录活化结构域（transcription activation domain）： 转录因子功能具有多样性，其转
录活化结构域也有多种，通常是由20-100个氨基酸残基组成。根据 氨基酸组成特点，有带
很多带负电荷的酸性激活域，富含谷氨酰胺的结构域和富含脯氨酸的结构域。

（3）二聚化结构域──二聚化作用与bZIP的亮氨酸拉链、bHLH的螺旋─环─螺旋结构
有关。

（三）mRNA转录激活及其调节

RN A聚合酶II不能单独识别、结合启动子，在纵多基本转录因子帮助下，形成有功能
的前转录起始复合物 PIC，然后结合了增强子的转录激活因子与PIC的TFIID接近，形成稳
定的转录起始复合物，启 动转录（见图13－8）。



图13－8 转录起始复合物的形成

五、RNA pol II转录终止的调节

真核细胞转录终止机制所知甚少。在大多数哺乳类动物转录单位，RNA pol II转录终止于
poly-A添加点以下（3′ 端）0.5~2kb范围内的多处可能位点，而不是想象中的理应在poly-A
添加点以上。

（一）HIV基因组转录终止调节

HIV基因的有效表达需要病毒蛋白Tat，它是一抗终止蛋白，可使RNA pol II通过转录
终 止点，其作用方式是通过Tat与转录产物5’端特异RNA序列结合，并与宿主蛋白质、
RNA pol II相互作用，使延长中的RNA形成一定的二级结构，阻止HIV基因组转录过程的
提早终止 。HIV的这种抗转录终止机制为抑制HIV病毒的繁殖提供了有意义的启示。

（二）热休克蛋白基因的转录终止调节

真核细胞与原核一样，在环境温度升高 或其它应激条件下可快速作出一系列的反应，包
括暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提 高细胞生存能力的蛋白质即热休克
蛋白（heat shock protein, HSP）基因的转录。这是因为在热休克时，热休克转录因子(heat shock
transcription factor, HSTF)快速地由无活性转变为活性状态。



六、转录后水平的调节

（一）hnRNA加工成熟的调节

hnRNA的剪接和RNA编辑对某些基因的调节有一定的意义（详见第十一章）。

（二）mRNA运输、胞浆内稳定性的调节

RNA无论是在核内进行 加工、由胞核运至胞浆，还是在胞浆内停留（至降解），都是与
蛋白质结合形成核蛋白体复合物（RNP ）。mRNA运输、在胞浆内的稳定性等均与某些蛋白
质成份有关。

mRNA稳定性是由合成速率和降解速率共同决定的。大多数高等真核细胞mRNA半衰期
较原核为长，一般为几个小时。通过调节某些mRNA的稳定性，即可使相应蛋白质合成量
受到一定程度 的控制。相反，某些mRNA的降解速率受胞浆内某些蛋白质成份的调节并与
mRNA自身结构有关。铁 转运蛋白受体（TfR）mRNA降解速度的控制就是一个最典型的例
子。

与 原核基因调节一样，某些小分子RNA也可调节真核基因表达。除反义RNA在翻译水平
的调节作用（见 原核基因调节），目前发现在植物、昆虫和哺乳类动物存在一种RNA干扰
（RNA interfer ence，RNAi）机制，可阻遏基因表达。细胞内存在一类双链RNA
（double- stranded RNA，dsRNA），可通过一定酶切机制，通过降解特异mRNA、在转录后
水 平发生的一种基因表达调节机制。

七、翻译水平的调节

目前发现 翻译过程的起始阶段和延长阶段，尤其是起始阶段，是翻译水平的主要调节位点。
如起始因子活性的调节 、Met-tRNAmet与小亚基结合的调节、mRNA与小亚基结合的调节
等。其中通过磷酸化作用 改变起始因子活性这一点倍受关注，mRNA与小亚基结合的调节
对某些mRNA的翻译控制也具有重要 意义。