1、Chapter22基因的表达调控基因的表达调控p 什么是什么是基因的表达调控基因的表达调控？p 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控p 真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Overview什么是基因的表达调控什么是基因的表达调控 So,what is the regulation of gene expression？p 一些相关的概念一些相关的概念 Repressor and repression 阻遏蛋白阻遏蛋白与与阻遏阻遏 Inducer and induction 诱导物诱导物与与诱导诱导 Positive regulation正调控正调控 Negative regul
2、ation负调控负调控一、一、原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控Regulation of gene expression in prokaryotes阻遏与阻遏蛋白阻遏与阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白这个过程被称为阻遏这个过程被称为阻遏 This process is called“repressioin”负调控与负调控与正调控正调控inducerco-activatoractivator这个过程被称为诱导这个过程被称为诱导1.大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子E.coli lac operon的发现的发现:Francois Jacob and Jacques Monod(巴斯德研究所
3、巴斯德研究所Pasteur Institute,Paris,France)自自1958年起开始研究大肠杆菌乳糖操纵子的组成结年起开始研究大肠杆菌乳糖操纵子的组成结构以及调控过程构以及调控过程.于于1965年共享年共享 Nobel Prize in Physiology or Medicine.主要研究乳糖操纵子的两种突变体主要研究乳糖操纵子的两种突变体:1.蛋白质编码序列的突变体蛋白质编码序列的突变体.2.调节控制序列的突变体调节控制序列的突变体.（一）大肠杆菌乳糖操纵子模型（一）大肠杆菌乳糖操纵子模型2.Operon 操纵子操纵子-what is it?操纵子：是由在功能上彼此有关的几个结构
4、基因和控制区作组成。操纵子：是由在功能上彼此有关的几个结构基因和控制区作组成。操纵子包含操纵子包含:Structural gene 结构基因结构基因：编码蛋白质或：编码蛋白质或RNA的基因的基因Promoter 启动子启动子：标注转录起始位点的一段核苷酸序列：标注转录起始位点的一段核苷酸序列Operator 操纵基因操纵基因：可结合调节基因编码蛋白的一小段核苷酸：可结合调节基因编码蛋白的一小段核苷酸序列序列Terminator 终止子终止子：标注转录终止的一段核苷酸序列：标注转录终止的一段核苷酸序列操纵子以外包含：操纵子以外包含：Regulator gene 调节基因调节基因：参与其他基因表达
5、调控的编码基因：参与其他基因表达调控的编码基因Organization of an inducible gene containing an operonRegulatorStructural genesOperator3.大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理:大肠杆菌主要利用葡萄糖作为碳和能源大肠杆菌主要利用葡萄糖作为碳和能源 在缺乏葡萄糖的情况下，大肠杆菌也可以利用其他在缺乏葡萄糖的情况下，大肠杆菌也可以利用其他的糖作为碳源和能源，例如乳糖的糖作为碳源和能源，例如乳糖 lactose Lactose 乳糖乳糖=disaccharide双糖双糖(glucose葡萄
6、糖葡萄糖+galactose半乳糖半乳糖)乳糖作为一种诱导物乳糖作为一种诱导物 inducer(效应分子效应分子effector molecule)，刺激大肠杆菌细胞内大量，刺激大肠杆菌细胞内大量表达三种酶表达三种酶（相对于无乳糖供应，酶的表达量增加（相对于无乳糖供应，酶的表达量增加约约1000倍）倍）3.大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理:乳糖表达的三种酶乳糖表达的三种酶:-galactosidase 半乳糖苷酶半乳糖苷酶(lacZ)水解乳糖形成葡萄糖和半乳糖水解乳糖形成葡萄糖和半乳糖可以转变乳糖形成异乳糖可以转变乳糖形成异乳糖 allolactose（乳糖（乳
7、糖的异构物）的异构物）Lactose permease 乳糖透过酶乳糖透过酶(lacY)可以转运乳糖透过大肠杆菌细胞壁和细胞质膜可以转运乳糖透过大肠杆菌细胞壁和细胞质膜Transacetylase 转乙酰酶转乙酰酶(lacA)此酶的功能尚不清楚此酶的功能尚不清楚Translation of lac operon in wild type and mutant E.coli.Functional state of the E.coli lac operon in the absence of lactoseFunctional state of the E.coli lac operon gro
8、wing on lactose乳糖阻遏蛋白四聚体模型乳糖阻遏蛋白四聚体模型Model of lac repressor tetramer(4 polypetides)protein乳糖本身并不是真正的效应分子，乳糖本身并不是真正的效应分子，异乳糖才是异乳糖才是乳糖操纵子真正的诱导物乳糖操纵子真正的诱导物。事实上，研究诱导作用很少使用乳糖，因为培事实上，研究诱导作用很少使用乳糖，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的养基中的乳糖会被诱导合成的-半乳糖苷酶催半乳糖苷酶催化降解，从而使其浓度不断发生变化。化降解，从而使其浓度不断发生变化。实验室经常使用一种乳糖类似物实验室经常使用一种乳糖类似物异丙基硫异丙
9、基硫代半乳糖苷代半乳糖苷isopropyl-thio-galactoside(IPTG)代替乳糖。代替乳糖。Note：4.乳糖操纵子的正调控乳糖操纵子的正调控环腺苷酸环腺苷酸cAMP的受体蛋白又称为的受体蛋白又称为代谢降解物激活代谢降解物激活蛋白蛋白Catabolite activator protein(CAP)CAP与启动子结合是激活转录的必要条件与启动子结合是激活转录的必要条件cAMP的结合可以提高的结合可以提高CAP对双链对双链DNA的亲和力的亲和力当大肠杆菌生长在缺乏葡萄糖的培养基中时，当大肠杆菌生长在缺乏葡萄糖的培养基中时，cAMP合成量增加，与合成量增加，与CAP结合所形成的的复
10、合物结合所形成的的复合物具有激活乳糖启动子的功能具有激活乳糖启动子的功能Positive control of the lac operon with CAP1.大肠杆菌色氨酸操纵子大肠杆菌色氨酸操纵子 E.coli trp operon:色氨酸操纵子负责色氨酸色氨酸操纵子负责色氨酸 tryptophane的生物合的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定定 当培养基中又足够的色氨酸时，这个操纵子自动关当培养基中又足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，结构基因表达闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，结构基因表达 色氨酸操
11、纵子的结构基因有色氨酸操纵子的结构基因有5个，分别以个，分别以 trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示表示（二）大肠杆菌色氨酸操纵子（二）大肠杆菌色氨酸操纵子1.大肠杆菌色氨酸操纵子大肠杆菌色氨酸操纵子 E.coli trp operon:调节基因、启动子和操纵基因在调节基因、启动子和操纵基因在trpE基因的上游基因的上游 在在trpE基因和操纵基因之间有一段基因和操纵基因之间有一段162bp核苷酸核苷酸序列称为前导区序列称为前导区leader region(trpL)（二）大肠杆菌色氨酸操纵子（二）大肠杆菌色氨酸操纵子General organization of the Tr
12、p operon of E.coli:邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷吲哚甘油磷酸合成酶酸合成酶色氨酸合成酶色氨酸合成酶Regulator2.色氨酸操纵子的调节色氨酸操纵子的调节色氨酸操纵子的调节存在两种机制：色氨酸操纵子的调节存在两种机制：I.阻遏系统阻遏系统当培养基中富含色氨酸时，色氨酸与调节基因的编当培养基中富含色氨酸时，色氨酸与调节基因的编码蛋白结合形成有活性的阻遏蛋白。码蛋白结合形成有活性的阻遏蛋白。阻遏蛋白可以与操纵基因结合关闭色氨酸操纵子，阻遏蛋白可以与操纵基因结合关闭色氨酸操纵子，停止转录结构基因。停止转录结构基因。辅阻遏物辅阻遏物Functional state
13、 of the E.coli Trp operon growing without/with tryptophan:II.衰减作用衰减作用 在在trpE基因的起始密码前有一段基因的起始密码前有一段162bp的前导的前导区，其中碱基序列区，其中碱基序列123150称为称为衰减子衰减子 attenuator(att)。衰减子序列对应的转录产物衰减子序列对应的转录产物mRNA包含一个包含一个起始起始密码子密码子，两个，两个色氨酸密码子色氨酸密码子，一个，一个终止密码子终止密码子，以及四个分别以以及四个分别以1、2、3、4表示的片断表示的片断。II.衰减作用衰减作用 这些片断能以不同的方式互补配对，可
14、以形成三种这些片断能以不同的方式互补配对，可以形成三种不同的二级结构。不同的二级结构。Secondary structureSignalPaired region 1-2 pause转录暂停转录暂停Paired region 2-3 anti-termination抗终止抗终止Paired region 3-4 termination转录终止转录终止 Organization of the leader/attenuator trp operon sequenceII.衰减作用衰减作用(cont.):Recall：在原核生物中，转录和翻译是紧密偶：在原核生物中，转录和翻译是紧密偶连，几乎同时发
15、生。连，几乎同时发生。当衰减子刚刚转录出部分的当衰减子刚刚转录出部分的mRNA时，时，1区和区和2区的配对会引起区的配对会引起RNA聚合酶暂时在这个区域的停聚合酶暂时在这个区域的停留。留。停留的作用是什么？停留的作用是什么？RNA聚合酶的停留，是为了等待核糖体结合到聚合酶的停留，是为了等待核糖体结合到mRNA上，从而开始翻译过程。上，从而开始翻译过程。II.衰减作用衰减作用(cont.):核糖体的位置在衰减作用中扮演着重要的角色核糖体的位置在衰减作用中扮演着重要的角色当培养基中没有色氨酸或色氨酸的浓度很低时：当培养基中没有色氨酸或色氨酸的浓度很低时：负载有色氨酸的负载有色氨酸的tRNA(Trp
16、-tRNAs)非常少，非常少，这样翻译时核糖体通过两个相邻色氨酸密码子的这样翻译时核糖体通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当速度就会很慢，当4区区 被转录完成时，核糖体才被转录完成时，核糖体才进行到进行到1区区 由于由于1区被核糖体占据，因此不能够和区被核糖体占据，因此不能够和2区配对，区配对，此时此时2-3配对，不能形成配对，不能形成3-4配对的终止结构配对的终止结构 因此，转录可以继续进行，直到将色氨酸操纵子因此，转录可以继续进行，直到将色氨酸操纵子中的结构基因全部转录，形成完整的中的结构基因全部转录，形成完整的trp mRNAII.衰减作用衰减作用(cont.):当培养基中色氨酸充
17、足时当培养基中色氨酸充足时:核糖体可以顺利通过两个相邻的色氨酸密码子核糖体可以顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在，在4区被转录之前，核糖体就到达区被转录之前，核糖体就到达2区区 因此，因此，2区和区和3区不能配对，区不能配对，3-4区可以自由区可以自由配对形成一个终止子结构，转录停止在结构基配对形成一个终止子结构，转录停止在结构基因之前因之前 所以，色氨酸操纵子被关闭，结构基因不能被所以，色氨酸操纵子被关闭，结构基因不能被转录，没有完整的转录，没有完整的trp mRNA，色氨酸不再，色氨酸不再合成合成Attenuation model in Trp starved cellsAttenuati
18、on model in Trp non-starved cells氨基酸合成操纵子中的衰减子氨基酸合成操纵子中的衰减子Phe,His,Leu,Thr,and Ile operons in E.coli.二、二、真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Regulation of gene expression in eukaryotes（一）（一）DNA的包装影响基因的表达的包装影响基因的表达染色体结构对转录的影响：染色体结构对转录的影响：真核生物的染色体主要由真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白构成，组和组蛋白构成，组蛋白会阻碍转录蛋白会阻碍转录基因的活跃转录是在常染色质上进行的基因的活跃
19、转录是在常染色质上进行的Chromosome structure（二）（二）异染色质化与基因的表达失活异染色质化与基因的表达失活p在哺乳动物体细胞核中，除一条在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余染色体外，其余的的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。又称巴氏小体。又称X小体，通常位于间期核膜边缘。小体，通常位于间期核膜边缘。p1949年，美国学者巴尔（年，美国学者巴尔（M.L.Barr）等发现雌）等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。没有。p在人类，男性细胞核中很少或根
20、本没有巴氏小体在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有，而女性则有1个。个。（二）（二）异染色质化与基因的表达失活异染色质化与基因的表达失活p英国学者莱昂（英国学者莱昂（M.F.Lyon）认为，这种异固缩）认为，这种异固缩的的X染色体（巴氏小体）缺乏遗传活性，提出染色体（巴氏小体）缺乏遗传活性，提出“莱莱昂氏假说昂氏假说”，其内容主要是：，其内容主要是：（1）正常雌性哺乳动物体细胞中的两个）正常雌性哺乳动物体细胞中的两个X染色体之染色体之一在遗传性状表达上是失活的；一在遗传性状表达上是失活的；（2）在同一个体的不同细胞中，失活的）在同一个体的不同细胞中，失活的X染色体可染色体可来
21、源于雌性亲本，也可来源于雄性亲本；来源于雌性亲本，也可来源于雄性亲本；（3）失活现象发生在胚胎发育的早期。）失活现象发生在胚胎发育的早期。（三）真核细胞的（三）真核细胞的RNA转录后加工转录后加工真核生物基因表达的调控通常分六个水平真核生物基因表达的调控通常分六个水平:1.转录转录 Transcription2.RNA加工加工 RNA processing3.mRNA转运转运 mRNA transport4.mRNA翻译翻译 mRNA translation5.mRNA降解降解 mRNA degradation6.蛋白质降解蛋白质降解 Protein degradation断裂基因断裂基因是一
22、段包含内含子是一段包含内含子intron 和外显子和外显子exon的的DNA序列。序列。大多数高等的真核生物都具有断裂基因。大多数高等的真核生物都具有断裂基因。1.断裂基因断裂基因 interrupted gene:内含子内含子 intron=位于外显子之间的非编码位于外显子之间的非编码DNA序列序列外显子外显子 exon=一个基因众的一个基因众的DNA表达序列，表达序列，编码蛋白质编码蛋白质1.断裂基因断裂基因 interrupted gene:1993:Richard Roberts(New England Biolabs)&Phillip Sharp(MIT)2.RNA剪接剪接 RNA
23、splicing:hnRNA不均不均一核一核RNAIntrons typically begin with a 5-GT(U)and end with AG-3.锁套结构锁套结构剪接由剪接体介导完成剪接由剪接体介导完成splicosomes,剪接体是剪接体是由蛋白质和核内小由蛋白质和核内小RNA small nuclear RNAs 结合构成结合构成,剪接体在剪接体在3端切端切断内含子，连接外显子。断内含子，连接外显子。3.RNA的可变加工的可变加工 RNA alternative processing:RNA的加工调节着从前体的加工调节着从前体RNA 到成熟到成熟mRNA的的产生过程。产生过
24、程。RNA前体的剪接不同而产生不同的前体的剪接不同而产生不同的mRNA分子，分子，进而会产生不同的蛋白质。如下例：进而会产生不同的蛋白质。如下例：Alternative polyadenylation可变多聚腺可变多聚腺苷酸化苷酸化=where the polyA tail is addedAlternative splicing可变剪接可变剪接=which exons are spliced启动子的可变选择（肌球蛋白初始转录物的加工）启动子的可变选择（肌球蛋白初始转录物的加工）可变多聚腺苷酸化（原肌球蛋白转录物的加工）可变多聚腺苷酸化（原肌球蛋白转录物的加工）内含子保留模型（换位酶初始转录物
25、的加工）内含子保留模型（换位酶初始转录物的加工）外显子匣子模型（肌钙蛋白初始转录物的加工）外显子匣子模型（肌钙蛋白初始转录物的加工）3.RNA的可变加工的可变加工 RNA alternative processing:Examples:Human calcitonin 人降钙素人降钙素(CALC)gene in thyroid甲状腺甲状腺 and Calcitonin gene-related peptide降钙素基因相关蛋降钙素基因相关蛋白白in neuronal cells 神经细胞神经细胞Alternative polyadenylation and splicing of the human CACL gene in thyroid and neuronal cells.降钙素基因相关蛋白降钙素基因相关蛋白降钙素降钙素p 什么是基因的表达调控，真核细胞与原核什么是基因的表达调控，真核细胞与原核细胞的表达调控有什么最大的区别？细胞的表达调控有什么最大的区别？p 掌握乳糖操纵子的模型结构与机制掌握乳糖操纵子的模型结构与机制p 掌握色氨酸操纵子的机制以及衰减子的意掌握色氨酸操纵子的机制以及衰减子的意义义p 掌握掌握RNARNA可变剪接加工可变剪接加工总结与思考总结与思考Thank U
