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1、第十五章 基因表达的调节,基因表达（gene expression）：是指基因转录成mRNA，然后进一步翻译成蛋白质的过程。 最早是法国巴斯德研究院的Jacob和Monod于1960年在研究大肠杆菌乳糖代谢时发现:蛋白质的生物合成( 基因的表达)是受到调节的，于是提出了操纵子学说（theory of operon），使人们能够从分子水平认识基因表达的调节。,目 录,第一节 基因与基因组,第二节 原核生物基因表达的调节,DNA是遗传的物质基础，位于染色体上，由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，基因（gene）是遗传的基本单位。 一条染色体上有多个基因，它们在染色体上线性排列组成连锁群，确切的说，
2、基因是指具有特定生物遗传信息的DNA序列。,第一节 基因与基因组,一、 DNA与基因,基因: 具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生特定的生理功能。 基因组:一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。 基因按其功能可分为结构基因和调节基因。 结构基因（structural gene）是指可被转录为mRNA，并被翻译成各种具有生物功能的蛋白质的DNA序列。,非结构基因: 此基因表达的产物是RNA，但他们不发挥将DNA上的遗传信息传递给蛋白质分子的功能，故rRNA、tRNA分子的基因是非结构基因。 调节基因（regulatory gene）是指某些可调节控制结构基因
3、表达的DNA序列。,DNA与基因的关系,结构基因在原核生物中占整个DNA分子的大部分，在真核生物中只占一小部分。在结构基因间含有一些没有编码功能的间隔区（spacer region），其中包括一些复制、转录、翻译过程的控制区（control region），即可被调节分子识别的序列。一个基因是否表达受与调节区DNA序列结合的调节分子的控制。,真核生物的结构基因包括3个区域： 编码区：包括外显子与内含子； 前导区：位于编码区上游，相当于mRNA 5端非编码区； 调节区：包括调节结构基因的侧翼序列，如启动子、增强子等。,真核生物基因的结构图,1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因
4、（断裂基因），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，这些插入不编码的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子断裂基因或隔裂基因。,由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质的序列要大得多。与整个基因相比，编码蛋白质的外显子较小，大多数外显子编码的氨基酸数少于100。基因的大小主要取决于它所包含的内含子的长度和数量，许多长基因并非其编码序列较长，而是其含有较长的内含子。,基因大小,在一些原核生物基因中，两个邻近的基因可发生重叠，并以不同的可读框被阅读，表达不同的蛋白质，这种基因称重叠基因（overlapping gene）。基因重叠的距离较短，大部分序列仍具有独特的编码功能。
5、基因的重叠可以是部分重叠，也可以是一个基因包含在另一个基因内，部分重叠使用不同的阅读框。,重叠基因,重复序列,高度重复序列：重复频率高，从几十万到几百万次，重复序列较短，多数为5-15bp。称为卫星DNA（satellite DNA）。根据重复频率和重复序列长度不同，卫星DNA又可分为小卫星DNA（minisatellite DNA）和微卫星DNA（microsatellite DNA）。小卫星DNA和微卫星DNA是一种较好的分子遗传标记。,中度重复序列：重复频率和重复序列长度差异较大，平均长度为6105bp，平均重复350次。中度重复序列有些是编码蛋白质的结构基因，有些不编码蛋白质。 低重复
6、序列：又称单拷贝序列，序列不重复或只重复几次、十几次，长度大于1 000bp。它们编码各种功能不同的蛋白质，有些是基因的间隔序列。,操纵子的概念和结构 1.乳糖操纵子 2.色氨酸操纵子 反义RNA的调节,第二节 原核生物基因表达的调节,一、操纵子概念,操纵子模型（operon structural model）是原核生物基因表达调节的重要方式。 所谓操纵子（operon）是指原核生物基因表达的调节序列或功能单位，有共同的控制区（control region）和调节系统（regulation system）。,操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因及在结构基因前面的控制部位，控制部位由调节基因（r
7、egulatory gene）、启动子（promoter，P）和操纵基因（operator，O）组成。一个操纵子的全部基因都排列在一起，其中调节基因可远离结构基因，控制部位可接受调解基因产物的调节。,二、操纵子的结构,结构基因：指导蛋白质生物合成的基因，在原核生物中，它包括参与同一代谢途径的几个酶的基因，在功能上是相关的（多顺反子）。 操纵基因：决定着结构基因转录或不转录，当操纵基因 “开放”时，结构基因转录，“关闭”时，不转录，操纵基因的“开关”由调节基因决定。一般位于结构基因上游。 启动基因：位于操纵基因上游与RNA聚合酶结合的部位。 调节基因：能编码一种蛋白质 阻抑蛋白，它是一种变构蛋白
8、。分子表面有两个配基结合部位，一个与操纵基因结合，一个与效应物结合（诱导物或辅阻抑物）。在不同类型的操纵子中阻抑蛋白的性质有所不同。,操纵子的结构,启动基因,操纵基因,调节基因,RNA聚合酶结合部位,调节蛋白结合部位，决定转录与否,（阻抑蛋白）,酶的诱导和阻抑是在调节基因产物阻抑蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。 在代谢过程中，细菌不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只有在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成；而一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物存在足够量时，其合成被阻抑（repression）。,在酶诱导时，阻抑蛋白（repressor）与诱导
9、物（inducer）结合，失去了封闭操纵基因的能力。 在酶阻抑时，原来无活性的阻抑蛋白与辅阻抑物（corepressor，代谢的终产物或产物类似物）相结合而被活化，从而封闭了操纵基因。,乳糖操纵子,乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子的调节 乳糖操纵子的负调节 乳糖操纵子的正调节,乳糖操纵子的结构,乳糖操纵子（lac operon）是第一个被发现的操纵子，它由依次排列的调节基因、启动子、操纵基因和3个相连的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。 结构基因lac Z编码分解乳糖的-半乳糖苷酶，lac Y编码吸收乳糖的-半乳糖苷透性酶，lac A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。三个结构基因组成的转录单位转录出一条m
10、RNA，指导三种酶的合成。,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,乳糖操纵子的操纵基因lac O位于结构基因之前启动子之后，不编码任何蛋白质，它是调节基因lac I所编码产物的结合部位。,调节基因位于启动子之前，其编码产物为阻抑蛋白。阻抑蛋白由4个37kDa的亚基聚合而成，亚基与DNA结合的结构域含有螺旋-转角-螺旋结构，其中一个螺旋能与DNA相互作用，识别操纵基因序列并与之结合。当它与操纵基因结合后可封阻结构基因的转录。 异丙基硫代-D-半乳糖苷（isopropylthio-D-galactoside，IPTG）可作为乳糖操纵子的诱导物。,人们在20世纪初就发现以下现象：当大肠杆菌在只有葡萄糖的
11、培养基中生长时，由于缺少所必需的酶而不能代谢乳糖。 当生长在没有葡萄糖而只有乳糖的培养基中时，乳糖诱导大肠杆菌合成代谢自身的酶而代谢乳糖。 如果培养基中既有乳糖又有葡萄糖时，大肠杆菌利用葡萄糖而乳糖代谢停止，只有当葡萄糖消耗殆尽才能又利用乳糖，此时葡萄糖阻抑了乳糖的代谢。那么乳糖操纵子是如何进行调节的呢？,乳糖操纵子的调节,负调节是指开放的乳糖操纵子可被调节基因的编码产物阻抑蛋白所关闭。 当大肠杆菌培养基中只有葡萄糖而没有乳糖时，阻抑蛋白可与操纵基因结合。 Lac I 基因表达的产物是 阻抑蛋白：阻止结构基因的表达，阻抑蛋白(活化状态)与操纵基因结合（位于启动子和结构基因之间），可阻止RNA聚
12、合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节称为阴性调节（负调节），因培养基中无乳糖不需要利用乳糖的酶。,乳糖操纵子的负调节（negative control）,当葡萄糖耗尽且有乳糖存在时，乳糖操纵子的抑制将被解除，使细菌能够利用乳糖。 当有诱导物存在时，阻抑蛋白可与诱导物结合，引起阻抑蛋白构象改变，使其与操纵基因的亲和力降低，不能与操纵基因结合或从操纵基因上解离。乳糖操纵子开放，RNA聚合酶结合于启动子，并顺利通过操纵基因，进行结构基因的转录，产生大量分解乳糖的酶，以乳糖为能源进行代谢。, 酶合成的诱导 乳糖操纵子,基因关闭 不转录,基因打开 转录,大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择正调节作用
13、？因为负调节只能对乳糖的存在作出应答，当只有乳糖存在时就足以激活操纵子。 但当培养基中既有葡萄糖又有乳糖同时存在时，仅有负调节作用不能满足大肠杆菌对能量代谢的需要。,乳糖操纵子的正调节（positive control）,当有葡萄糖存在时激活乳糖操纵子是一种浪费，因而此时乳糖操纵子处于非活化状态，有利于葡萄糖的代谢。 当大肠杆菌利用完葡萄糖后再激活乳糖操纵子，从而利用乳糖继续生长。这种现象称葡萄糖阻抑（glucose repression）或分解代谢产物阻抑（catabolite repression）。,乳糖操纵子正调节因子是能够感受葡萄糖的缺乏并对激活乳糖操纵子启动子作出应答的物质，从而使
14、RNA聚合酶能够结合启动子并转录结构基因。 乳糖操纵子的正调节因子是由cAMP与一种蛋白因子组成的复合物。这种蛋白因子以前称为分解代谢产物激活蛋白（catabolite activator protein，CAP），现在称为cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP）。,CRP的功能： 可特意结合在启动子上；促进RNA聚合酶与启动子结合，促进转录（阳性调控）。 游离的CRP是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的cAMP时，CAP与cAMP形成复合物（正调节因子），此复合物才能与启动子结合。,cAMP水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况的影响。 当葡萄糖水平低时，cAMP浓度
15、升高，cAMP与CRP结合，使CRP构象改变，激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。 如果向含有乳糖的培养基中加入葡萄糖，由于葡萄糖浓度升高，cAMP水平降低，CRP与启动子的亲和力降低，乳糖操纵子被抑制，此时，即使有乳糖存在大肠杆菌仍不能利用乳糖。,大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节： 一是对操纵基因的负调节； 二是对RNA聚合酶结合到启动子上的正调节；两种调节作用使大肠杆菌能够灵敏地应答环境中营养的变化，有效地利用能量以利于生长。,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子（trp operon）含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶的结构基因，如lac操纵子一样，trp操纵子也倾向于由阻抑蛋
16、白产生的负调节，但两种操纵子的负调节有着本质的区别。 lac操纵子编码分解代谢的酶，分解乳糖，当该物质出现时操纵子被开放。Trp操纵子编码合成代谢的酶，合成色氨酸，操纵子通常被该物质所关闭。同时，trp操纵子还存在一种弱化作用（attenuation）的调节机制。,色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的负调节 色氨酸操纵子的弱化作用调节,色氨酸操纵子的结构,色氨酸操纵子由调节基因（trp R）、启动子、操纵基因和5个相连的结构基因组成，结构基因分别编码催化分支酸合成色氨酸的3种酶的多肽链。 前两个基因trp E和trp D编码色氨酸合成第一步反应的酶，第3个基因trp C编码催化第二步反应的酶，后两个基因trp B和trp A编码催化第三步和最后反应的酶。,调节基因距结构基因较远，可控制合成trp 操纵子阻抑蛋白。启动子和操纵基因位于结构基因的前面，操纵基因完全位于启动子之内。在操纵基因与结构基因trp E之间有一段由162个核苷酸组成的前导序
