1、基因表达与调控,基因表达是受调控的,一 、基因表达的概念,基因表达调控（gene expression regulation and control）,指通过生物体内的调控系统来调节和控制体内蛋白质的含量与活性，使之在特定的时间、特定的空间、并以一定的强度出现，以适应机体生长、发育和繁殖的需要。,基因表达的多级调控,基因激活 重排 甲基化程度,转录起始 转录后加工 mRNA降解,蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等,转录起始,DNA水平 转录水平 翻译水平,一、原核生物的基因调控：,、转录水平的调控: 负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。阻遏物与DNA分子结合阻碍RNA聚合酶转
2、录使基因处于 关闭状态； 正调控：细胞中激活子激活基因转录过程的调控机制。 诱导物通常与蛋白质 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 使基因处 于表达的状态。,正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体 适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径 中一般以负调控来控制产物自身的合成。,顺式与反式调控：,假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulator protein)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
3、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(图83)。,1. 顺式调控：,如基因的启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别启动子结构，该基因就不能表达；只影响基因本身的表达， 而不影响其它等位基因的调控突变。,2. 反式调控：,调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合， 还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点 表达。,、乳糖操纵元（操纵子）：,1.乳糖操纵元模型：1961年，雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）的操纵元模型：,操纵元：细菌的主要基因调控单位，也就是转录单位。如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加：. -半乳
4、糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；. 转乙酰酶： -半乳糖转变成乙酰半乳糖。大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟 即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加；乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止。,操纵元（子）：由操纵基因以及紧接着的若干结构基因所组成的功能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。,A、乳糖操纵元组成部分I ： 编码阻遏蛋白的基因 P： 启动子 O：操纵子L：前导序列 Z、Y、A代表三种酶的结构基因 是半乳糖苷酶基因 是渗透酶基因 a是转乙酰酶基因 o是开关位点，为操纵基因，起控制结构基因的转录和翻译的作用。,乳
5、糖操纵元的负调控： . 乳糖操纵元组成部分； . 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因不表达； . 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖时，基因表达； . 抑制基因突变(IO+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达； . 操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达。,阻遏蛋白,乳糖,RNA聚合酶,cAmP又与代谢激活蛋白(catabolite activating protein，CAP)结合 形成cAmP-CAP复合物，作为lac操纵子正调控因子。当cAmP-CAP复合物二聚体插入到lac特异启动子序列时 使DNA构型发生变化，而RNA聚
6、酶与该新构型的DNA结合紧密，转录效率高。 葡萄糖抑制操纵子的原理： 葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法转变成cAmP 不能形成CAP-cAmP复合蛋白 RNA酶无法结合在DNA上 基因不表达。,、色氨酸操纵元：,1色氨酸操纵元模型：由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）提出，具有合成 代谢途径典型的操纵元模型。,操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；色氨酸：作为辅阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。 trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型(repressible ope
7、ron)。,浙 江 大 学,遗传学第十一章,15,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子转录调节机制,色氨酸操纵子,2.色氨酸操纵元的负调控： . 阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸结合 形成 有活性的色氨酸阻遏物 与操纵子结合 阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化 ，不能 与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构 发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。,（四）、 翻译水平的调控：,. 反馈调控机制(feedback regulation)： 大肠杆菌核糖体蛋白
8、合成： E.coli有7个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构 转录的各种mRNA都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别结合； 如果其中有一种核糖体蛋白过量累积，它们将与其自身的mRNA 结合，阻止进一步翻译。,. 反义RNA(antisense RNA)的调控：原核生物中mRNA的翻译（转录后）也受反义RNA的调控。反义RNA与mRNA 的非翻译区片段互补配对， 使mRNA不能有效地与核糖体结合 阻止蛋白质的合成。真核细胞中导入反义RNA基因 控制真核生物基因表达。如将乙烯形成酶基因的反义RNA导入番茄，延长了番茄 常温贮藏期。,二、真核生物的基因调控：,真核生物与原核生物的调控差异,多层次调控,一
9、 染色质水平的调控,DNA和蛋白质,细丝状,能被碱性染料染成深色,染色质的结构：,成分：,形态：,特点：, 异染色质化,异染色质是包装成20-30nm，不具有转录活性的染色质。组成性异染色质（constitutire heterochromatin）是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒，等。 功能性异染色质（facultatire heterochromatin）指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，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经。, 组蛋白对基因活性的影响,某些特殊氨基酸的残基可能发生乙酰基化、甲基化、磷
10、酸化或核糖基化等修饰，改变染色质结构，直接影响基因转录。,核心组蛋白的乙酰化(acetylation),乙酰化作用由组蛋白乙酰基转移酶催化完成。组蛋白的乙酰化作用能导致组蛋白正电荷减少，削弱与DNA结合的能力，引起核小体的解聚，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合到DNA上。,组蛋白H1丝氨酸残基的磷酸化，H1的磷酸化导致DNA 的亲和力下降，染色质松解，影响染色质活性。,组蛋白H1的磷酸化,染色体丢失 马蛔虫（Parascaris equoorum）（2n =2）,1. 基因剂量与基因扩增：. 基因剂量：如合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞具有数百个蛋白基因拷贝；. 基因扩增：两栖动物卵
11、母细胞大小是正常体细胞的一百万倍需要，合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。rRNA基因数目临时增加了4000倍，6002106 。,二、DNA水平的调控：,2 基因重排（gene rearrangement）,哺乳动物一般可产生108个不同的抗体分子，人类的抗体基因约有300个，为什么？,抗体分子结构： 重链H：440个氨基酸； 轻链L：220个氨基酸； N端：110个氨基酸。,不同抗体分子的区别主要在N端，称为变异区（variable region, V）.不同抗体分子羟基端（C端）的序列非常相似，称恒定区（constant region, C) 重链和轻链： 由变异区V和非变异区C组成；均
12、由二硫键连接。,抗体基因的结构： 重链包括4个片段：（人类第14号染色体上）86个重链变异区段(VH)；30个多样区片段(D)；9个连接区片段(L)；11个恒定区片段(C)； 轻链有3个片段:(第2号和第22号染色体上)轻链变异区(VL)；连接区(J)；恒定区(C)；,随着B淋巴细胞发育，基因组中抗体基因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因，一个淋巴细胞只有一种组合的抗体基因。 由于抗体基因重排中各个片段间的随机组合，因此300个抗体基因产生108个抗体。,3. DNA甲基化： 在真核生物中，少数胞嘧啶在C的位置上的H被甲基所取代，发生甲基化后的胞嘧啶仍可渗入复制的DNA中。甲基化酶可
13、识别一条链上半甲基化，使另一条链也甲基化。 CG序列中发生甲基化的频率较高，许多真核生物基因的5端非编码序列富含CG序列，为甲基化提供位点。 甲基化可降低转录效率。,、转录水平的调控：,一些基因在所有细胞中都呈现活跃状态，为组成型表达，称为看家基因(house keeping gene)。 另一些基因则在不同细胞或组织中呈现高度表达，受到一定的调控，称为特异表达基因。,1. 启动子和转录因子： 启动子(promoter)： 转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因上游某一固定位置，紧接转录起始点，是基因一个组成部分。 转录因子(transcription factor，TF) ：激活真核生物
14、基因转录的一系列蛋白质。,启动子结构（真核生物）： TATA盒(TATA box)：RNA酶识别并结合位点； CAAT盒(CAAT box)：转录起始起重要作用； GC盒(GC box)：增强子作用。,2. 转录强化子( 增强子，transcriptional enhancer)： 强化子：是真核生物基因转录中另一种顺式调控元件，常位于启动子上游7001000bp处，离转录起始点较远，可提高转录效率。 转录强化子的存在，使基因转录只有在适宜转录因子存在时进行，并能对细胞内外的信号作出反应，可以满足细胞分化的需要。,强化子的功能： 使DNA弯曲形成环状结构，使强化子与启动子直接接触，以便使转录因
15、子、转录激活子和RNA聚合酶一起形成转录复合体，利于转录反应，提高转录效率。,转录强化子可提高不同的启动子的转录效率，同一时间里，一个强化子只与一个启动子起作用，具体作用取决于启动子与强化子竞争性互作。 如：人血红蛋白基因，控制胎儿链和成人链两基因共用同一个强化子，强化子与不同的启动子结合导致不同的 基因表达。,3. 激活子： 激活子(transcription activator):是一种与强化子结合的蛋白质，属于一种转录因子。 正激活子包括： 真激活子：与转录复合体接触激活转录； 抗阻遏物激活子：改变染色质结构（染色质重建） 与转录因子结合来提高转录效率。 负激活子：抑制转录的因子。,.
16、真激活因子： 两个功能域： . 强化子结合的DNA结合区域(DNA-binding domain)； . 转录复合体中的蛋白质互作的反式调控激活区域(trans-activating domain)。,DNA结合域的三维构型(motif)： -螺旋转角-螺旋(helix-turn-helix HTH)； 锌指(zinc finger)； 碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper bZIP)。,锌指结构：锌指区域：由二个Cys簇及二个His簇组成；保守序列 Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His；,碱性亮氨酸拉链(bZIP)： 可形成蛋白质蛋白质二聚体的亮氨
17、酸拉链(leucine zipper，LP)；具有35个氨基酸残基，其中有4个亮氨酸，每隔7个氨基酸出现一次，形成-螺旋时， 每两圈伸出一个亮氨酸，由亮氨酸残基间的疏水作用力形成一条拉链，产生蛋白质二聚体； 碱性-螺旋与DNA磷酸残基和碱基互作，二聚体 剪刀结构。,四 、转录后水平的调控 选择性mRNA切割： 同一初级转录产物在不同的细胞中用不同方式进行切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使蛋白质含量或组成上 都可能不同。,例: 老鼠的淀粉酶基因，肝脏和腺体中的不同切割，外显子和分别成为腺体和肝脏mRNA的前导序列，形成不同mRNA以不同速率的翻译成蛋白质。,五、翻译水平的调控：,真核生物的
18、许多组织或细胞中，经转录的mRNA受抑制不能翻译成多肽，以失活的状态贮存。 如植物种子在发芽的早期阶段，虽没有mRNA 的合成，但有蛋白质的合成。海胆卵内mRNA在受精前不能进行翻译，受精后的蛋白质合成速率猛增。 调节机制： . mRNA加尾过程： 卵细胞中mRNA仅具有20个核苷酸的多聚(polyA) 尾端序列，在生物发育适宜时期，尾端序列加长至几百个核苷酸序列，并翻译成蛋白质。 . 阻遏蛋白特异结合： 如铁蛋白的翻译调控：铁蛋白的功能是贮存铁。铁蛋白的mRNA翻译取决于铁的供应。 当细胞没有铁时，阻遏蛋白与铁蛋白mRNA启动子区域铁反应元（iron response element，IRE
19、）结合，阻止翻译进行； 当有铁存在时，阻遏物不再与IRE结合，翻译顺利进行。,五、翻译后水平的调控： 1. 蛋白质加工过程的调控： . 蛋白质的折叠： 蛋白质在一定的条件下（如伴蛋白chaperones 存在时)，才能折叠成一定的空间构型并具有生物学功能。 . 蛋白酶的切割： . 末端切割：有些分泌蛋白对细胞有毒害作用，常以无活性的前体蛋白形式贮存在于细胞内，需要这种蛋白时，由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。 如，蜜蜂在叮咬动物时注入蜜毒素，引起细胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的细胞溶解。翻译后以前体形式储存于细胞内，能被细胞间隙的一种蛋白酶识别和切割，释放出有活性的蜜毒素。,最初前胰岛素原有 1
20、05个氨基酸，加工中先将N端的24个氨基酸残基切除，形成前体胰岛素,然后切除中间一段氨基酸序列，留下21个氨基酸残基的链和30个氨基酸残基的B链,由二硫键连接两条肽链。,. 多聚蛋白质切割： 有些蛋白质开始翻译时形成一个含有多个蛋白质分子的多肽链，切割后产生具有不同功能的蛋白质分子。 如，一些脊椎动物的激素合成。 人的脑垂体产生一种蛋白质，至少包括四种不同的荷尔蒙分子，经蛋白酶切割多聚蛋白质后形成。在不同细胞中切割的方式和位点不同，从而产生不同的荷尔蒙分子，以适应不同的细胞发育的需要。,蛋白质的化学修饰： . 简单修饰： 将一些小化学基团，如乙酰基、甲基和磷酸基加到氨基酸侧链或蛋白质的氨基端或羧基端上，具有特异性。 如核小体组蛋白H3的乙酰化，使染色质的构型发生变化，影响基因表达。 . 复杂修饰： 蛋白质的糖基化(glycosylation)：一些大分子量碳水化合物加到多肽链上。 糖分子连接在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，形成O-连糖基化(O-linked glycosylation)；与天门冬氨酸的氨基相连则形成N-连糖基化(N-linked glycosylation)。,
