基因表达与调控

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1、 第八章 基因的表达与调控 第一节基因的概念一、基因的概念及其发展 1、经典遗传学孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 1909年约翰生提出了基因这个名词， 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 传研究，建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学 结构单位重组单位基因突变单位功能单位2、分子遗传学基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调节作用 突变子：突变的最小单位基因重组子：交换的最小单位顺反子（作用子）：功能单位（基因）基因可进一步分为不同类型：(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列(2)调控基因：其产物参与调控其他结 构

2、基因表达的基因(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序 ，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的现象(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象(5)跳跃基因：可作为插入因子和转座 因子移动的DNA序列，有人将它作为 转座因子的同义词(6)假基因：同已知的基因相似，但位 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 二、基因的微细结构 1 1、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如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一

3、个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用图图 8 82 2 顺反测验顺反测验 2 2、顺式与反式调控、顺式与反式调控 假设某一基因的表达受一种调控 蛋白质控制，只有在调控蛋白质 与该基因的启动子位点结合时， 这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生 突变，调控蛋白不能识别这个位 点，也就不能转录形成RNA，基因 就不能表达。 顺式调控顺式调控：突变只影响到与其邻近：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这达，并不影响其它等位基因。这 种

4、突变称为顺式调控种突变称为顺式调控反式调控反式调控：如果是调控蛋白质发生：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个突变，形成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的所有等位到与这个蛋白质结合的所有等位 基因位点，导致这些基因不能表基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控达，这种突变称为反式调控 图图8 83 3 顺式调控与反式调控顺式调控与反式调控1.1.P P为为启启动动子子，R R为为调调控控蛋蛋白白，两两个个正正常常的的等等位位基基因因表表达达产生产生RNARNA。2.2.启启动动子子突突变变( (P-)P

5、-)后后，调调控控蛋蛋白白不不能能与与其其结结合合，顺顺式式调调控控突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。3.3.调调控控蛋蛋白白突突变变( (R-)R-)后后，不不能能与与启启动动子子结结合合，这这种种反反式式调调控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。3 3、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 8 86 6 突变座位与互补图解突变座位与互补图解 三、基因的作用与性

6、状的表达 结构蛋白结构蛋白/ /功能蛋白功能蛋白直接性状直接性状 表达。人类的镰形红血球贫血表达。人类的镰形红血球贫血 症：正常血红蛋白基因症：正常血红蛋白基因( ( A A) )的的基因基因 两个不同的突变两个不同的突变( ( S S或或 C C) )，即，即 A A S S或或 A A C C导致镰形导致镰形 红血球红血球 酶酶间接地影响生物性状的表达间接地影响生物性状的表达 作 用 子ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密码子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸缬组亮苏脯谷谷赖SDNAGTACA

7、TmRNA密码子GUA氨基酸缬CDNAAAATTTmMRNA密码子AAA氨基酸赖第二节基因调控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？这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。 一、原核生物的基因调控 1、转录水平的调控转录水平的调控 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 正调控：是经诱

8、导物诱导转录的调控机制，即诱导物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 负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生mRNA分子 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。图图 8 88 8 转录水平的负调控与正调控转录水平的负调控与正调控 2、乳糖操纵元乳糖操纵元 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，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止

9、。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 图图 8 89 9 乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应 两种组成型突变两种组成型突变：I II I，O OO Oc c, , 在有无在有无诱导物时均可大量组成诱导物时均可大量组成型表达型表达 乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型乳糖操纵元的负调控乳糖操纵元的负调控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：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶催化ATP前体cAmpc

10、Amp+代谢激活蛋白(CAP) cAmp-CAP复合物，作为操纵元的 正调控因子 当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子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，因而转录效率更高。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。 乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控目前，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 图图 8 814 14 乳糖操纵元的不同调控位点乳糖操纵元的不同调

11、控位点a a：CAPCAP结合位点；结合位点；b b：RNARNA聚合酶结合位点；聚合酶结合位点；R R：形形成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数游的碱基数 3、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5种酶的结构基因。当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑制；在色氨酸供应不足时，发生转录。色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 图图 8 815 15 色氨酸操纵元的组成色氨酸操纵

12、元的组成 1）阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码无辅基阻遏物 + trp活性无辅基阻遏物色氨酸复合物，与操纵子结合，阻止转录2）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 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始。（弱化子）3）弱化作用：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的弱化子区域，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。所以弱化子是一种内部终止子。4）无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使弱化子不能形成发夹结构而成为单链。RNA聚合酶则通过弱化子，继续

13、向前转录结构基因。 图图 8 816 16 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构 4、阿拉伯糖操纵元 阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但与前述两种操纵元系统的显著区别是它的同一种调控蛋白-Ara C调控蛋白既可起正调控,也可起负调控作用 A A、阿阿拉拉伯伯糖糖操操纵纵元元的的组组成成。R R：调调控控基基因因araCaraC编编码码AraCAraC蛋蛋白白；O O：操操纵纵子子位位点点；I I：诱诱导导位位点点，具具有有CAPCAP结结合合位位点。点。B B、有有araara时时，AraCAraC与与I

14、 I位位点点结结合合，CAP-CAP-cAmpcAmp与与CAPCAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。C C、无无araara时时，没有，没有CAP-CAP-cAmpcAmp复合体与复合体与CAPCAP位点结位点结合，合，AraCAraC二聚体二聚体( (D)D)与与I I及及O O2 2同时结合，形成抑制同时结合，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。环，抑制转录，表现为负调控。 5、翻译水平的调控 反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA，能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。如果其中有一种

15、核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的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 序列。 反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno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。 二、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

16、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1、DNA的改变（1）基因剂量与基因扩增 组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞含有数百个组蛋白基因拷贝 基因剂量可经基因扩增临时增加。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。 （2）DNA重排 真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排

17、是由特定基因组的遗传信息所决定的，是有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基因位于酵母菌第三染色体上，MATa和MAT互为等位基因 图图 8 819 19 酵母菌交配型转换的遗传基础酵母菌交配型转换的遗传基础 图图 8 820 20 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 )H )和两条轻和两条轻 ( ( L )L )。氨基氨基端端( ( N )N )是变异区是变异区( ( V )V )，羧基端羧基端( ( C )C )是恒定区是恒定区( ( C )C ) 动物抗体基因重排

18、图图 8 821 21 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)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片段之间的随机组合，可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子 （3）DNA甲基化真核生物中，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，易甲基化。甲基化可降低转录效率。2、转录水平的调控(1)启动子与转录因子 同原核生物一样，真核生物基因启动 子包括所有顺式调控元件及RNA聚

19、合 酶识别位点，可以起始转录形成RNA 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 图图8 823 23 真核生物基因真核生物基因( (A)A)与原核生物基因与原核生物基因( (B)B)在在5 5 端启动子的顺式调控元件端启动子的顺式调控元件转录方向用箭头表示，转录起始点用转录方向用箭头表示，转录起始点用+1+1表示表示 (2)(2)强化子强化子 转录强化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 强化子主要

20、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 强化子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、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 图图 8 825 25 DNADNA环化与转录活性环化与转录活性 图图8 826 26 强化子竞争控制基因表达强化子竞争控制基因表达 (3)激活子 激活子是一种与强化子结合的蛋白质，也属于一种转录因子 正激活子 真激活子 （促进转录） 抗阻遏物激活子激活子 负激活子：抑制转录图图8 828 28 由由CysCys-His-His与锌离子形成的具有三个手指的锌指与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型构型(

21、 (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 8 829 29 二聚体形成的拉链二聚体形成的拉链( (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 (4)酵母菌乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac和ara操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速增加1000倍。(5)选择性启动子 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。 果蝇的乙醇脱氢酶基因，在幼虫和成虫期分别利用不同启动子进行转录 (6)选择性m

22、RNA切割 同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同 (7)激素的调控作用 果蝇中，蜕皮激素引起唾腺染色体74区EF段、75区B段和78区D段都有疏松出现，说明蜕皮激素引起该部位基因的活性 图图 8 835 35 果蝇不同发育阶段唾腺第果蝇不同发育阶段唾腺第IIIIII染色体上的染色体上的疏松图式疏松图式 在组织培养中，通过调节培养基中的激素种类和浓度，可使细胞脱分化和再分化三、翻译水平的调控 真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转录的mRNA也不能翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很

23、多年，一旦条件合适，即可发芽。 其机制：（1）mRNA尾短加尾翻译（2）阻遏蛋白与特异mRNA序列结合 ，导致蛋白质翻译受阻 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。加工过程中涉及到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蛋白质内含子 （加工切除）（加工切除） 图图 8 837 37 蛋白质内含子的切割及跳跃。蛋白质内含子的切割及跳跃。1. 1. 具有内含子的基因具有内含子的基因( (A+A+IntInt) )转录翻译形成蛋白质；转录翻译形成蛋白质；2. 2. 蛋白质内含子从多肽链上切割下来；蛋白质内含子从多肽链上切割下来；3. 3. 切下来的内含子切下来的内含子作为内切酶将不含内含子的等位基因作为内切酶将不含内含子的等位基因( (B-B-IntInt) )切开；切开； 4. 4. A+A+IntInt基因中的内含子序列插入到基因中的内含子序列插入到B-B-IntInt中形成中形成B+B+IntInt基因基因