[医学]第十四章 基因表达的调控

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1、 第十四章 基因表达的调控 第一节 原核生物的基因调控 第二节 真核生物的基因调控 基因只有在它应该发挥作用的细胞和应该发挥 作用的时间，才呈现活化状态。例如：在一株玉米的全部细胞内都有发育雌花 丝的基因，但是在根、茎、叶上不会长出雌花 丝来，只有在形成子房后，在子房的顶端才长 出雌花丝。 基因调控(gene regulation):控制特定基因产物合成的机制称为基因调控 。无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到 编码蛋白的基因和DNA上的元件:v DNA元件是DNA上一段序列，但它作为一种 原位（in situ）序列具有特殊的功能。由于它 只能作用同一条DNA，因此称顺式作用元件 (cis

2、-acting element) 。顺式作用位点通常总是在 靶基因的上游。v 调节基因的产物可以自由地结合到其相应的 靶上，因此被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。v 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。 v 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互 作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结合 形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列 结合，激活基因起始转录。原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。 图 14-1 正调控和负调控 第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。

3、当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。 1、乳糖操纵元模型 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制 图 142 乳糖操纵 元模型没有乳糖时：有乳糖时：目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构。 诱导物DN

4、ADNAcAmp -CAPO1,O2阻遏蛋白结构及其与操纵子DNA结合模式图阻遏蛋白阻遏物四聚体阻遏物与CAP、O1、 O2等结合因此： 当有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生 - 半乳糖苷酶。乳糖操纵元的正调控：半乳糖乳糖葡萄糖-半乳糖苷酶葡萄糖转化除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外 ，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转 录，这个因子的活性与葡萄糖有关：乳糖操纵元的正调控：葡萄糖可以抑制腺苷酸环化酶(adenyl cyclase)的活性。ATP前体环式Amp (cAmp)腺苷酸环化酶 (adenyl cyclase)cAmp代谢激活蛋白 (catabolite activating pro

5、tein（CAP)+cAmp-CAP复合物正调控因子WHY？在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。 cAmp-CAP复合物结合在lac启动子区域特异核苷酸序列启动子DNA弯曲形成新的构型RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固转录效率更高乳糖操纵元的正调控2、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、 trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 u5端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。trp

6、R编码一种无辅基阻遏物，形成无辅基阻 遏物色氨酸复合物后，才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。细胞中的色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三 维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进 行转录。细胞中的色氨酸浓度较高时，色氨酸分子可 与无辅基阻遏物结合，成为有活性的阻遏物， 结合在操纵子区域，阻止转录。 由于Trp操纵子的阻遏能力较低，仅 是lacI产物的1/1000，因此trp操纵子还必 须依赖别的途径来进行调节。这种途径 就是衰减作用。衰减子与衰减作用:衰减子与衰减作用：1）在高浓度色氨酸存在 时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中 有一段28bp的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发

7、 夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以衰减子是一种内部 终止子。 2）无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸 密码子的作用，使 衰减子不能形成发 夹结构而成为单链， 继续向前转录 第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控二、翻译水平的调控 二、翻译水平的调控 1、反馈调控机制如果某种蛋白质过量积累，将与其自身的 mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点 通常包括mRNA 5端非翻译区，也包括启动子 区域的 Shine-Dalgarno (SD) (AGGAGGU) 序 列。 2、反义RNA调控反义RNA可与目的基因的5UTR（ untranslated region ）互补

8、配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。 第二节 真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰， 翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表 达调控发生在转录水平。一、

9、 DNA水平的调控二、染色质水平调控三、转录水平的调控四、翻译水平的调控第二节 真核生物的基因调控1、基因丢失2、基因扩增3、基因重排4、DNA甲基化一 DNA水平的调控一、DNA水平的调控 1、基因丢失马蛔虫（2n=2） 受精卵的早期分裂u某些原生动物，如线虫、昆虫和甲克类动物 在个体发育过程中，许多体细胞经常丢掉整 个或者部分染色体，只有将要分化形成生殖 细胞的细胞中保留全部染色体。u通过染色体丢失，丢失某些基因而除去这些 基因的活性的现象称为基因丢失（gene elimination）。2、基因扩增 基因扩增：细胞内特定基因拷贝数专一 性大量增加的现象。 人类癌细胞中的许多致癌基因，经大

10、量 扩增后高效表达，导致细胞生长失控。 有些致癌基因扩增的速度与病症的发展 及癌细胞扩散程度高度相关。 3、基因重排 基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排 列。重排不仅可以形成新的基因，还可以调 节基因表达。基因组中的DNA序列重排并 不是一种普遍方式，但它是一些基因调控的 重要机制。 酵母交配型转换 a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。 控制交配型的MAT(mating-type)基因位于酵母菌 第3染色体上，MATa和MAT互为等位基因。 动物抗体分子的基本结构 一个抗体分子包括两条重链( H )和两条轻 链( L )。氨基 端( N端)是变异区( V )，羧基端( C端)是恒定区

11、( C ) 动物抗体基因重排 VC人类抗体由不同基因片段经重排组合后形成的。 重链基因包括4个片段：变异区 (VH)，多样区 (D)，连接区 (J)，恒定区（C），在14号染色体 轻链基因有3个片段。变异区(VL)，连接区(J) 和恒定区(C)。免疫球蛋白的多样性人类第14号染色体上抗体重链基因片段(A)和抗体重链基 因的构建(B)抗体基因重排中各个片段之间的随机组合， 由约300个抗体基因片段产生108个抗体分子。 免疫球蛋白的多样性4、DNA甲基化v 真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个 甲基取代-甲基化。甲基化C在DNA复制中可整 合到正常DNA序列中。C甲基化在CG双核苷酸序 列中

12、发生频率最高。许多真核生物基因5端未翻译区富含CG序 列，为甲基化提供很多可能的位点。甲基化 可降低转 录效率。一、 DNA水平的调控二、染色质水平调控第二节 真核生物的基因调控二 染色质水平调控（一）异染色质化（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用（三）DNA酶的敏感区域（四）核基质蛋白（一）异染色质化（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用（三）DNA酶的敏感区域（四）核基质蛋白 功能性异染色质：在某些特定的细胞中，或 在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染 色质变成异染色质，这是表达调控的途经。 哺乳动物中，细胞质某些调节物质能使两条X染 色体中的一条异染色质化。雌、雄动物之间虽X 染色体的数量

13、不同，但X染色体上基因产物的剂 量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿。 在正常女性的细胞核中有一团高度凝聚的染色质，这 是失活的染色体巴尔小体（Barr body）。两条X 染色体中哪一条失活是随机的，生殖细胞形成时失活 的X染色体可得到恢复。（一）异染色质化（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用组蛋白可被修饰，修饰可改变其与DNA的接 合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么 组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由紧 变松，这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节 蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真 核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达 的抑制物。 非组蛋白打开特异基因的分子，具有组织特异

14、性，在基因表达的调节、细胞分化的控制以及 生物的发育中起着很重要的作用。 当一个基因处于转录活性状态时，含有 这个基因的染色质区域对DNA酶降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。 具有转录活性基因周围的DNA区域有一个中心区域，对DNA酶高敏感，称为超敏感区域或超敏感位点。这些位点或 区域将首先受到DNA酶的剪切。 （三）DNA酶的敏感区域染色质并不漂浮在核内，而是结合在 核基质（骨架蛋白）上。这种结合是 特异性的，这种特异性的结合对于控 制基因的活性是有用的。 （四）核基质蛋白 如卵清蛋白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合 ，而不与鸡肝脏核基质结合。一、 DNA水平的调控二、染色质水平调控三、转录

15、水平的调控第二节 真核生物的基因调控（一） 顺式作用元件（二） 反式作用因子三 转录水平的调控 （一） 顺式作用元件1 启动子与转录因子 2 增强子启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点 ，位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧 邻转录起始点，是基因的一部分。1 启动子与转录因子 转录因子是激活真核生物基因转录的蛋 白质。真核生物基因转录与原核生物的一个重 要区别是：真核生物基因的启动子必须 与一系列转录因子结合，才能在RNA聚 合酶的作用下起始转录。 真核生物启动子 TATA盒(TATA box)：转录起始点上游2530bp处，RNA聚合酶II能识别并结合的位点。 CAAT盒(CAAT b

16、ox)：转录起始点上游7080bp处，这段序列没有方向性，对于起始转录具有重要作用。 有些启动子上游110bp处还有几个GC盒(GC box)，可起增强子的作用。1 启动子与转录因子 图 真核生物5端的顺式调控元件 转录增强子是真核生物基因转录中的另一 种顺式调控元件，通常位于启动子上游700- 1000bp处，离转录起始点较远。 2 增强子(transcriptional enhancer)增强子主要有两个功能: 与转录激活子结合，改变染色质的构型； 使DNA弯曲形成环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便通过转录因子转录激活子 RNA聚合酶一起形成转录复合体，从而提高mRNA合成效率。图14 转录复合体 增强子与不同启动子进行竞争性互作： 在同一时间，一个增强子只能与一个启动子发生互 作。两个启动子P1和P2的中间是一个增强子。当P1启 动子与其特异激活子结合后，增强子优先与P1启动子 结合，转录P1的序列。如果P