1、1 第十四章 基因表达的调控 第一节基因的概念和发展第二节 原核生物的基因调控第三节 真核生物的基因调控2整 体 概 述THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW,P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分3基因调控控制特定基因产物合成的机制称为基因调控(gene regulation)4第一节 基因的概念与发展 一、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
2、学 5一、经典遗传学中基因的概念二、现代遗传学关于基因的概念三、顺反测验及基因的微细结构四、基因的类型 6一、经典遗传学中关于基因的概念经典遗传学 基因概念，基因具有下列共性：基因具有染色体的主要特性：能自我复制，有相对的稳定性，在有丝分裂和减数分裂中有规律的进行分配；交换单位；突变单位功能单位基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。7二、现代遗传学关于基因的概念1957年法国遗传学家本泽尔 顺反测验（cis trans test）顺反子（cistron）学说 现代遗传学的概念：突变子(muton)，重组子(recon)，顺反子(作用子)(cistron)顺反子：这一术语表示一个起作用的单位，
3、基本上符合通常指的基因。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应8可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链；现代遗传学基因概念功能上被顺反测验(cis-trans test)或互补测验(complementary test)所规定。9基因的类型结构基因(structural gene)10调控基因(regulator gene)11重叠基因(overlapping gene)指同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(open reading frame，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;12基因类型：隔裂基因(split gene)指一个结构基因
4、内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子(intron)所隔裂的现象；13跳跃基因(jumping gene)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；14三、顺反测验及基因的精细结构（一）T4噬菌体 r的重组 噬菌体T4大肠杆菌品系BK12()野生型野生型野生型rIIrS Benzer(1955)，T4突变型T T4 4野生型在E.ColiE.Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑。其中，rIIrII在E.Coli E.Coli B B形成大而圆噬菌斑，在 K K1212()()上不能生长。两个rIIrII,x,y,x,y问题*：rIIxrIIx，rIIy,rI
5、Iy,是不是同一个突变，同一个基因？15T4噬菌体 r突变位点间距离测定问题：有两个独立起源的隐性突变，同一基因还是不同基因？16（二）、顺反测验与顺反子在二倍体生物中，建立双突变杂合体。双突变体杂合体有两种形式，即顺式(cis)和反式(trans)，如图所示1718互补测验，也称为顺反测验(cis-trans test)。（二）、顺反测验与顺反子功能单位顺反子基因反式双杂合体：突变型无互补作用为同一功能单位的突变，同一基因野生型有互补作用为不同功能单位的突变。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。19rII区段是一个基因吗？
6、rII区段突变的性质：经典遗传学理论rII突变具有共同性状，rII区段为一个基因；如果基因是最小的功能单位，它也是一个顺反子。Benzer顺反测验：100多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够突变，而组内的突变型间不能互补；与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端|A|B|。（二）、顺反测验与顺反子2 gene20v 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
7、则主要是正调控机制。21图 14-1 14-1 正调控和负调控 22第二节 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。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。231、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 24图 14142 2 乳糖操纵元模型没有乳糖时：有乳糖时：
8、25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。26诱导物DNADNADNADNAcAmpcAmp-CAP-CAPO O1 1,O,O2 2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CAPCAP、O O1 1、O2等结合27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28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：29葡萄
9、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 protein（CAP)+cAmp-CAP复合物正调控因子WHY？30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31乳糖操纵元的正调控322、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径
10、中基因调控的典型例子。33trp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）。34trp 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。35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。36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。37 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
11、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:38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 39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 40二、翻译水平的调控 1 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
12、5端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno(SD)(AGGAGGU)序列。412、反义RNA调控反义RNA可与目的基因的5UTR（untranslated region）互补配对，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。42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 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2 2）很多重复序列与调控作用有关 3 3）染色质结构的变化可以
13、调控基因表达 4 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DNADNA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。43一、DNA水平的调控二、染色质水平调控三、转录水平的调控四、翻译水平的调控第三节 真核生物的基因调控441、基因丢失2、基因扩增3、基因重排4、DNA甲基化一 DNADNA水平的调控45一、DNADNA水平的调控 1 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
14、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）。462 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。473 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。48 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(mati
15、ng-type)基因位于酵母菌第3染色体上，MATa和MAT 互为等位基因。49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(C)动物抗体基因重排 VC50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51人类第1414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(B)(B)BVVVVDDDDCCCJJJJA86 V9 J30 D1
16、1 C100 kb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524、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。53一、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54二 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）DNADNA酶的敏感区域（四）核基质蛋白（一）异染色质化（二）组蛋白质
17、修饰和非组蛋白的作用（三）DNADNA酶的敏感区域（四）核基质蛋白55 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56（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
18、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。57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）DNADNA酶的敏感区
19、域58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。59一、DNA水平的调控二、染色质水平调控三、转录水平的调控第二节 真核生物的基因调控60（一）顺式作用元件（二）反式作用因子三 转录水平的调控 61（一）顺式作用元件启动子与转录因子 增强子62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。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
20、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。63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 box)：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。64启动子与转录因子 图 真核生物55端的顺式调控元件 65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 2 增强子(transcr
21、iptional enhancer)66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。67图14 14 转录复合体 68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P2启动子与它的特异激活子形成了复合体，增强子与P2启动子结合，使P2基因转录。2 2 增强子u竞争增强子成为P1或P2基因表达
22、的一个开关机制。69（二）反式作用因子根据靶位点的特点反式作用因子分为3类：（1）通用反式作用因子（2）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 反式作用因子通过不同途经发挥调控作用：（1）蛋白质和DNA相互作用（2）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 修饰等 70 -螺旋-转角-螺旋(HTH)有3个螺旋，螺旋3识别并和DNA结合，一般结合于大沟；螺旋1和2和其它蛋白质结合。1 1、蛋白质直接和DNADNA结合711 1 蛋白质直接和DNADNA结合锌指区域包括二个半胱氨酸(Cys)及二个组氨酸(His)族，其保守重复序列为Cys-N2-4-Cys
23、-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His残基与锌离子(Zn+)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型。722 2 蛋白质和配基结合 当甾类激素等进入细胞后，在细胞质中受体蛋白质与之结合，结合后受体构象发生改变，成为活化状态，然后进入细胞核。受体识别特殊的保守序列并与之结合，从而活化了其下游的启动子，使激素调节基因开始转录。73酵母半乳糖基因是受正调控因子GAL4调控蛋白调控，同时，还受负调控因子GAL80调控蛋白的调控。这里利用两个半乳糖基因GAL1和GAL10来说明这种基因调控机制。3 3 蛋白质之间的相互作用74正调控因子Gal4p受另一个调控蛋白Gal80p
24、的负调控，Gal80p总是与Gal4p结合，覆盖了Gal4p的活性中心，当磷酸化的半乳糖与Gal80p/Gal4p复合体结合时，改变它们的构型，使Gal4p的活性中心外露，结果诱导gal基因表达。3 3 蛋白质之间的相互作用无半乳糖时，基因不表达有半乳糖时，基因不表达75一、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76四、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多年，一旦条件合适，即可发芽。77四 翻译水平的调控 （一）mRNA运输（二）mR
25、NA翻译的控制（三）mRNA的结构（四）选择性翻译（五）反义RNA（六）蛋白质的加工78运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。核膜是一个基因表达的控制点。几乎只有一半的编码蛋白基因的初始转录本一直留在核里面，然后被降解掉。（一）mRNA运输79翻译明显地影响到基因的表达。例如mRNA储存在动物的未受精卵中，蛋白质合成率很低；一旦受精蛋白质合成立即增加。并没有新的mRNA的合成，是一种翻译控制。在细胞质中mRNA分子的稳定性很不一致，几分钟几个月。mRNA的降解可能是一个重要控制点。降解速率和mRNA结构特点有关，如很多短寿命的mRNA 3
26、 非翻译区（UTR）中富含AU的序列（UUAAUUUAU），作用机制还不清楚。（二）mRNAmRNA翻译的控制80多数mRNA的翻译活性依赖于5 端“帽”结构，只有“帽”被甲基化，方可有效翻译。起始密码子AUG的位置和其侧翼的序列影响翻译的效率。影响起始复合物的形成，进而影响翻译效率。5 UTR的长度影响翻译的效率和起始的精确性。当1780bp之间时，体外翻译效率与长度成正比。5 UTR可能形成发夹或茎环二级结构，阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有顺式抑制作用。3端的poly A 影响mRNA的稳定性和翻译效率。（三）mRNAmRNA的结构 81u珠蛋白是由两条链和两条链组成的。在二倍体
27、细胞中有4个-珠蛋白基因，如果它们相同转录和翻译的话，应是:=2:1，而实际上是1:1。是转录调控还是翻译调控？体外实验：在无细胞系统中加入等量-mRNA、-mRNA、少量起始因子，合成的-珠蛋白仅占3%，说明-mRNA和起始因子的亲和性远大于-mRNA。当加入过量的起始因子时，:=1.4:1，接近1:1。表明是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起始因子的亲和性不同。（四）选择性翻译82来自骨髓细胞瘤病毒的癌基因myc三个外显子中的第1，2两个外显之间有部分互补。在有的细胞中，当失去外显子1时，myc基因过量表达，推测外显子1可能通过互补来抑制myc的表达。（五）反义RNARNA83（六）蛋白质的加工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:蛋白质在一定的条件下(如在伴蛋白chaperones存在时)，才能折叠成一定的空间构型，并具有生物学功能。蛋白酶切割:翻译后经蛋白酶(protease)加工切割的主要作用是切除氨基端或羧基端的序列，以便形成有功能的空间构型。84提问与解答环节Questions and answers85感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边结束语86感谢您的观看与聆听本课件下载后可根据实际情况进行调整
