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1、 第十四章第十四章 基因表达的调控基因表达的调控 每个细胞都含有整套遗传密码，只是每个细胞都含有整套遗传密码，只是这本密码在每个细胞中并不全部译出这本密码在每个细胞中并不全部译出应用，而是不同细胞选用其中各自需应用，而是不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译。为什么要的密码子加以转录和翻译。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间，才呈现活化和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态，而在它不应该发挥作用的时间状态，而在它不应该发挥作用的时间和细胞内，则处于不活化的状态呢？和细胞内，则处于不活化的状态呢？这种控制特定基因产物合成的机制称这种控
2、制特定基因产物合成的机制称为基因调控为基因调控。 第一节第一节 基因的概念与发展基因的概念与发展 一、经典遗传学一、经典遗传学 孟德尔称控制性状的因子为孟德尔称控制性状的因子为遗传因子遗传因子 19091909年约翰生提出了年约翰生提出了基因基因这个名词，这个名词， 取代孟德尔的遗传因子取代孟德尔的遗传因子摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗 传研究，传研究，建立了以基因和染色体为主建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学体的经典遗传学 结构单位结构单位 重组单位重组单位基因基因 突变单位突变单位 功能单位功能单位 二、现代遗传学二、现代遗传学基因基因是是DNADN
3、A分子上的一定区段分子上的一定区段, ,携带携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调节作用可对其他基因起调节作用 突变子：突变的最小单位突变子：突变的最小单位基因基因 重组子：交换的最小单位重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单位顺反子（作用子）：功能单位 根据基因结构和功能将基因分为：根据基因结构和功能将基因分为： (1)(1)结构基因结构基因：可编码：可编码RNARNA或蛋白质的或蛋白质的 一段一段DNADNA序列序列 (2)(2)调控基因调控基因：其产物参与调控其他结：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因构基因表达的基因 (3)(3
4、)重叠基因重叠基因：指同一段：指同一段DNADNA的编码顺的编码顺 序，由于阅读框架序，由于阅读框架(ORF)(ORF)的不同或的不同或 终止早晚的不同，同时编码两个或终止早晚的不同，同时编码两个或 两个以上多肽链的现象两个以上多肽链的现象(4)(4)隔裂基因隔裂基因：指一个结构基因内部为：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序，一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象如内含子所隔裂的现象(5)(5)跳跃基因跳跃基因：可作为插入因子和转座：可作为插入因子和转座 因子移动的因子移动的DNADNA序列，有人将它作序列，有人将它作 为转座子的同义词为转座子的同义词( (6)6
5、)假基因假基因：同已知的基因相似，但位同已知的基因相似，但位 于不同位点，因缺失或突变而不能于不同位点，因缺失或突变而不能 转录或翻译，是没有功能的基因转录或翻译，是没有功能的基因 三、顺反测验及基因的微细结构三、顺反测验及基因的微细结构 互补作用与互补测验互补作用与互补测验( (顺反测验顺反测验) )假定有两个独立起源的隐性突变假定有两个独立起源的隐性突变如如a a1 1与与a a2 2，具有类似的表型，如何，具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知其是等位基因？变？即如何测知其是等位基
6、因？需要建立一个需要建立一个双突变杂合二倍体双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用测定这两个突变间有无互补作用顺反测验顺反测验基因的微细结构基因的微细结构 20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体r区基因的微细结构进行了详细分析 图图 14-3 14-3 突变噬菌体之间的互补测验突变噬菌体之间的互补测验rIIArIIArIIBrIIBrIIB用含有不同rIIA突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12（）用含有不同rIIB突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12（）用含有不同rIIA和rIIB突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12（）
7、无噬菌体繁殖无噬菌体繁殖正常噬菌体繁殖。大部分是亲本rIIA和rIIB突变体，少数是野生型和双突变体重组型ABC第二节第二节 原核生物的基因调控原核生物的基因调控DNA元件元件: DNA上一段顺序，作为上一段顺序，作为 一种原位顺序具有特殊的功能。一种原位顺序具有特殊的功能。 由于它只能作用同一条由于它只能作用同一条DNA， 故称故称顺式作用元件顺式作用元件。顺式作用位。顺式作用位 点通常总是在靶基因的上游点通常总是在靶基因的上游反式作用因子：反式作用因子：调节基因的产物可调节基因的产物可 以自由地结合到其相应的靶上以自由地结合到其相应的靶上负调控负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转：存在细胞中的
8、阻遏物阻止转录过程的调控录过程的调控 正调控正调控：调节蛋白和：调节蛋白和DNA以及以及RNA聚聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物通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，与基因启动子复合物，与基因启动子DNA序列结合，序列结合，激活基因起始转录激活基因起始转录原核生物中基因表达以负调控为主原核生物中基因表达以负调控为主, 真核真核生物中则主要是正调控机制生物中则主要是正调控机制 图图 14-5 14-5 正调控和负调控正调控和负调控 一、转录水平的调控一、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主原核生物基因表达的调控主 要发生在转
9、录水平要发生在转录水平当需要某一特定基因产物时当需要某一特定基因产物时 ， 合成这种合成这种mRNA。当不需当不需 要这种产物时，要这种产物时，mRNA转录转录 受到抑制受到抑制 1 1、乳糖操纵元模型、乳糖操纵元模型 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：Monod等（等（1946）发现，当大肠）发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养基上时，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，乳糖代谢基因不基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。表达，乳糖代谢酶合成停止。Jacob和和Monod（1961
10、）提出了提出了乳乳糖操纵元模型糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制中基因表达的调控机制 图图 14146 6 乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型通过遗传分析证明通过遗传分析证明lac操纵元的存在；操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定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白与诱导物及操纵子序列结合的结构 乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，操纵元转录外，其他因子也能有效地抑制其他因子也能有效地抑制lac mRNA转
11、转录，这个因子的活性与葡萄糖有关：录，这个因子的活性与葡萄糖有关：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶催化腺苷酸环化酶催化ATP前体前体 cAmpcAmp+代谢激活蛋白代谢激活蛋白(CAP) cAmp-CAP复合物，作为复合物，作为操纵元操纵元 的正调控因子的正调控因子 当当cAmp-CAP复合物复合物二聚体插入到二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子启动子DNA弯曲形成新的构型，弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更新构型的结合更加牢固，因而加牢固，因而转录效率更高转录效率更高。在
12、葡萄糖存在时，不能形成在葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就无操纵元的正调控因子也就无操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。复合物，因此基因不表达。 乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控2 2、色氨酸操纵元、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途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：径中基因调控的典型例子：色氨酸操纵元包括色氨酸合成中色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶种酶的结构基因。的结构基因。当培养基中有色氨酸时，当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑种酶的转录同时受到抑制；色氨酸供应不足时，发生转录制；色氨酸供应不
13、足时，发生转录色氨酸直接作为阻遏物色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物而不是诱导物参与调控色氨酸参与调控色氨酸mRNA的转录。因此的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 1）阻遏物阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基由相距较远的阻遏物基因编码因编码无辅基阻遏物无辅基阻遏物 + trp活性无活性无辅基阻遏物辅基阻遏物色氨色氨酸复合物，与操纵子酸复合物，与操纵子结合，阻止转录结合，阻止转录2）色氨酸不足时，色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，空间结构发生改变，不能与操纵子结合，不能与操纵子结合，进行转录进行转录 活性的阻遏物与操纵
14、子结合并不足以抑制活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始转录的起始衰减子与衰减作用：衰减子与衰减作用：1）在在高浓度色氨酸存在高浓度色氨酸存在时，时，转录的前导序列转录的前导序列mRNA只含有只含有140个核苷酸，其中有一段个核苷酸，其中有一段28bp的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，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。所以衰减子是一种子是一种:内部终止子内部终止子2）无色氨酸无色氨酸时，由时，由于前导肽中色氨酸于前导肽中色氨酸密码子的作用，使密码子的作用，使衰减子不能形成发衰减
15、子不能形成发夹结构而成为单链，夹结构而成为单链，继续向前转录继续向前转录 二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控 1 1、反馈调控机制、反馈调控机制如果某种如果某种蛋白质过量积累，将与蛋白质过量积累，将与其自身的其自身的mRNA结合，阻止进一结合，阻止进一步翻译步翻译这种结合位点通常包括这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区端非翻译区，也包括启动子区域也包括启动子区域的的 Shine-Dalgarno (SD) 序列序列 2 2、反义、反义RNARNA调控调控反义反义RNA可与目的基因的可与目的基因的5UTR互补互补配对，配对的区域通常也包括启动子配对，配对的区域通常也包括启动子的的SD序列
16、，使序列，使mRNA不能与核糖体有不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成效结合，从而阻止蛋白质的合成反义反义RNA基因已被导入真核细胞，控基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，制真核生物基因表达。例如，将乙烯将乙烯形成酶基因的反义形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期大延长了蕃茄常温贮藏期。 第三节第三节 真核生物的基因调控真核生物的基因调控 真核生物基因调控比原核生物复杂：真核生物基因调控比原核生物复杂：1 1）高等真核生物的基因组远比细菌）高等真核生物的基因组远比细菌 的基因组大得多的基因组大得多 2 2）很多重复序列与调控作用有关）很多重复序
17、列与调控作用有关 3 3）染色质结构的变化可以调控基因）染色质结构的变化可以调控基因 表达表达 4 4）存在同一染色体上不同基因间的）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调控，也存在不同染色体之间的 基因调控基因调控 调控发生在调控发生在: : DNA DNA水平水平 转录水平转录水平 转录后修饰转录后修饰 翻译水平翻译水平 翻译后修饰等多种层次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多数基因表达调控发生在转录水平一、染色质水平调控一、染色质水平调控 1 1、异染色质化、异染色质化常染色质变成异染色质也是真核常染色质变成异染色质也是真核生物的一种表达调控的途经生
18、物的一种表达调控的途经 2 2、组蛋白质修饰和非组蛋白的作用、组蛋白质修饰和非组蛋白的作用组蛋白组蛋白: 若被组蛋白覆盖的基因要表达，若被组蛋白覆盖的基因要表达，组蛋白必须被修饰，使其和组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由的结合由紧变松，这样紧变松，这样DNA链才能和链才能和RNA聚合酶聚合酶或调节蛋白相互作用。或调节蛋白相互作用。组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负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控制因子，即它们是基因表达的抑制物非组蛋白非组蛋白: 打开特异基因的分子，具有组打开特异基因的分子，具有组织特异性，在基因表达调节、细胞分化控织特异性，在基因
19、表达调节、细胞分化控制以及生物的发育中起着很重要的作用制以及生物的发育中起着很重要的作用 3 3、DNADNA酶的敏感区域酶的敏感区域 超敏感区域超敏感区域(位点位点):具有转录活性基具有转录活性基因周围的因周围的DNA区域有一个中心区域，区域有一个中心区域，对对DNA聚合酶聚合酶高敏感高敏感这些位点或区域将首先受到这些位点或区域将首先受到DNA聚聚合酶合酶的剪切，的剪切，DNA暴露区域（转暴露区域（转录起始点附近）录起始点附近） 4 4、核基质蛋白、核基质蛋白 染色质并不漂浮在核内，而是染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质（骨架蛋白）上结合在核基质（骨架蛋白）上这种结合是特异性的，这种特这
20、种结合是特异性的，这种特异性的结合对于控制基因的活异性的结合对于控制基因的活性是有用的性是有用的 二、二、DNADNA水平的调控水平的调控1 1、基因扩增、基因扩增 基因扩增：基因扩增：细胞内特定基因拷贝数专细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象一性大量增加的现象 人类癌细胞中的许多致癌基因，经大人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失量扩增后高效表达，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。的发展及癌细胞扩散程度高度相关。 2 2、基因重排、基因重排 基因重排：基因重排：DNA分子核苷酸序列分子核
21、苷酸序列的重新排列的重新排列重排不仅可以形成新的基因，还可重排不仅可以形成新的基因，还可以调节基因表达以调节基因表达。基因组中的。基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方序列重排并不是一种普遍方式，但是一些基因调控的重要机制式，但是一些基因调控的重要机制 图图14-14 抗体分子的基本结构抗体分子的基本结构一个抗体分子包括两条重链一个抗体分子包括两条重链( H )和两条轻和两条轻 ( L )。氨基氨基端端( N )是变异区是变异区( V )，羧基端羧基端( C )是恒定区是恒定区( C )动物抗体基因重排 VC人类第人类第1414号染色体上抗体重链基因片段号染色体上抗体重链基因片段(A)(A)
22、和抗体重链基因的构建和抗体重链基因的构建(B) (B) 抗体基因重排中各个抗体基因重排中各个片段片段之间的随机之间的随机组合，可从约组合，可从约300个抗体基因中产生个抗体基因中产生108个抗体分子个抗体分子 3 3、DNADNA甲基化甲基化真核生物中，少数胞嘧啶第真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的碳上的氢被一个甲基取代氢被一个甲基取代-甲基化甲基化。甲基化降低转录效率甲基化降低转录效率三、转录水平的调控三、转录水平的调控1 1、顺式作用元件、顺式作用元件 (1) (1) 启动子与转录因子启动子与转录因子 同原核生物一样，同原核生物一样，真核生物基因真核生物基因启动子启动子包括所有顺式调控元件及
23、包括所有顺式调控元件及RNA聚合酶识别位点，可以起始聚合酶识别位点，可以起始转录形成转录形成RNA 转录因子转录因子: 激活真核生物基因转录激活真核生物基因转录 的蛋白质的蛋白质真核生物基因转录与原核生物的一个真核生物基因转录与原核生物的一个重要区别是重要区别是：真核生物基因的启动子：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聚合酶的作用下起始转录 图图14-16 14-16 真核生物真核生物55端的顺式调控元件端的顺式调控元件 (2)(2)增强子增强子 转录增强子转录增强子: 真核生物基因转录中的真核生物基因转录中的另一种
24、顺式调控元件，通常位于启动另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游子上游700-1000bp处，离转录起始点处，离转录起始点较远较远 增强子主要有两个功能增强子主要有两个功能: :与转录激活子结合，改变染色与转录激活子结合，改变染色 质的构型质的构型使使DNA弯曲形成环状结构，使弯曲形成环状结构，使 增强子与启动子直接接触，以增强子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、转录激活子便通用转录因子、转录激活子 、RNA聚合酶一起形成转录复聚合酶一起形成转录复 合体，从而提高合体，从而提高mRNA合成效率合成效率 图图14-18 14-18 转录复合体转录复合体 2 2、反式作用因子、反式作用因子 根
25、据靶位点的特点反式作用因子分为根据靶位点的特点反式作用因子分为3类：类：（1）通用反式作用因子）通用反式作用因子 （2）特殊组织与细胞中的反式作用因子）特殊组织与细胞中的反式作用因子（3）反应性元件相结合的反式作用因子）反应性元件相结合的反式作用因子 反式作用因子通过不同途经发挥调控作用：反式作用因子通过不同途经发挥调控作用：（1）蛋白质和）蛋白质和DNA相互作用相互作用（2）蛋白质和配基结合）蛋白质和配基结合（3）蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的）蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的 修饰等修饰等 图图14-19 -14-19 -螺旋螺旋- -转角转角-螺旋螺旋图图14-20 14-20 由由C
26、ysCys-His-His与锌离子形成的具有三个手指的与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型锌指构型(a)(a)模式图模式图 (b)(b)与与DNADNA结合，一个手指与结合，一个手指与DNADNA大沟结合大沟结合 图图 14-21 14-21 亮氨酸拉链二聚体亮氨酸拉链二聚体 (a)(a)模式图模式图 (b)(b)与与DNADNA结合时的剪刀状构型结合时的剪刀状构型 酵母菌半乳糖代谢的正调控酵母菌半乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的的lac操纵元相似：操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后
27、，mRNA浓度迅速增加浓度迅速增加1000倍倍四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控 真核生物中，如果翻译过程被抑真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转录的制，则已经转录的mRNA也不能也不能翻译成多肽，被迫以失活的状态翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来贮存起来植物的种子可以贮存很多年，一植物的种子可以贮存很多年，一旦条件合适，即可发芽旦条件合适，即可发芽 1 1、mRNAmRNA运输：运输：运输控制是对转录本从细运输控制是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。胞核运送到细胞质中的数量进行调节。尚尚不清楚不清楚mRNAmRNA是需要一个特殊的输出信号还是需要一个特殊的输出信号还是属于
28、无规则的输出是属于无规则的输出 2 2、mRNAmRNA翻译的控制：翻译的控制：mRNAmRNA分子通过核糖分子通过核糖体对其选择充当翻译调节的主角。体对其选择充当翻译调节的主角。mRNAmRNA降降解可能是基因表达调控的一个重要控制点解可能是基因表达调控的一个重要控制点3 3、mRNAmRNA的结构：的结构： mRNAmRNA尾短尾短加尾加尾翻译翻译4 4、选择性翻译、选择性翻译 5 5、反义、反义RNARNA 6 6、蛋白质的加工、蛋白质的加工翻译形成的线状多肽链没有功能，翻译形成的线状多肽链没有功能，需要经过加工修饰后才具有活性。需要经过加工修饰后才具有活性。加工过程中涉及一系列调控机制加工过程中涉及一系列调控机制蛋白质折叠蛋白质折叠 蛋白酶切割蛋白酶切割蛋白质的化学修饰蛋白质的化学修饰蛋白质内含子（加工切除）蛋白质内含子（加工切除）
