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1、Regulation of Gene Expression,第十八章,基因表达调控,第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点,Basic Conceptions and Characters of Gene Expression and its Regulation,基因表达(gene expression):基因表达出蛋白质或RNA的过程，包括基因转录及翻译,基因（gene）: 能够编码蛋白质或RNA的核酸序列，包括基因的编码序列（外显子）和编码区前后具有基因表达调控作用的序列和单个编码序列间的间隔序列（内含子）,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性是指基因表达按一定
2、的时间顺序发生,（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同,在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性(cell specificity)或组织特异性(tissue specificity)。,三、基因表达的方式存在多样性,基因表达调控（regulation of gene expression）就是指细胞或生
3、物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。,指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏,四、基因表达调控受顺式作用元件和反式作用因子共同调节,一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于同
4、一条DNA链上，称为顺式作用元件(cis -acting element)。,调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用因子(trans-acting factor)。,五、基因表达调控呈现多层次和复杂性,首先，遗传信息以基因的形式贮存于DNA中。,其次，遗传信息经转录由DNA传向RNA 过程中的许多环节。(最重要、最复杂),最后，蛋白质生物合成即翻译与翻译后加工。,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控；,RNA的转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,m
5、RNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质的稳定性,六、基因表达调控为生物体生长、发育的基础,（一）生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖,生物体所处的内、外环境是在不断变化的。通过一定的程序调控基因的表达，可使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境，维持其生长和增殖。,（二）生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育,在多细胞个体生长、发育的不同阶段，或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布、种类和含量存在很大差异，这些差异是调节细胞表型的关键。,第二节 原核基因表达调控,Regulation of Gene Expression in Prokary
6、ote,原核生物基因组结构特点, 基因组中很少有重复序列； 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因； 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因组； 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列,原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子,特异DNA序列,调节蛋白,DNA蛋白质、蛋白质蛋白质相互作用,RNA聚合酶,基本要素,基因转录激活调节与下列基本要素有关,原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现,一、操纵子是原核基因转录调控的基本单位,操纵子模型的普遍性,多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽
7、链的编码信息。启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。,1) 启动序列是RNA聚合酶识别、结合并启动转录的一段DNA序列。,图18-1 5种E.coli启动序列的共有序列,各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。 E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，在-35区域为TTGACA 共有序列决定启动序列的转录活性大小。,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。,决定转录的方向及模板链决定转录的效率,启动序列（启动子）的作用：,2 操纵
8、序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录，介导负性调节。原核操纵子调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白，使转录激活，介导正性调节。,3) 其他调节序列,(catabolite gene activator protein, CAP)结合位点和调节蛋白，激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,基因表达有正调控和负调控,
9、调节原核生物基因表达的效应蛋白可分：,阻遏蛋白-负调控因素 激活蛋白-正调控因素,调节蛋白,调节基因（regulatory gene）编码能够与操纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异因子、阻遏蛋白激活蛋白。,决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异识别和结合能力。如因子（功能就是确保RNA聚合酶仅仅在共有序列才能以稳定的方式结合DNA）。,1）特异因子,亚基识别DNA分子上RNA合成的起始信号。不同的因子可以竞争结合RNA核心酶。环境变化可诱导产生特定的因子，从而开启特定的基因。,阻遏基因转录,负性调节,2）阻遏蛋白,结合特异DNA序列操纵序列,阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍
10、存在；,提高RNA聚合酶与启动序列结合能力，增强RNA聚合酶活性。是一种正调控（positive regulation）。,3）激活蛋白,结合启动序列邻近的DNA序列,如:(CAP)就是一种激活蛋白。,(catabolite gene activator protein, CAP),RNA聚合酶,DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节，最终是由RNA聚合酶的活性体现的。,影响RNA聚合酶活性的因素：,1、原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,2、调节蛋白与RNA聚合酶活性,1、原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,原核启动序列/真核启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录
11、的调节组件组成。,原核启动序列/真核启动子会影响其与RNA聚合酶的亲和力,而亲和力大小则直接影响转录起始频率。管家基因,2、调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达。,调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性,RNA聚合酶活性使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。诱导剂和阻遏剂等小分子信号所引起的基因表达都是通过使调节蛋白分子构象改变，直接或间接调节RNA聚合酶转录启动过程的。,如热休克反应,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operat
12、or gene,Structure gene,调控区,结构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA 聚合酶,结合 阻遏蛋白,表达功能蛋白,?,I,阻遏物基因,二、乳糖操纵子是典型的诱导型调控,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构,Z基因（编码-半乳糖苷酶，负责将-半乳糖苷裂解成为糖组分，例如将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖）Y基因（透酶负责将-半乳糖苷运进细胞）A基因（乙酰基转移酶负责将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到-半乳糖苷）,三种酶的比例是：1：1/2：1/5,没有乳糖存在时,（二）乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节,1.阻遏蛋白的负性调节,乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭,有乳糖存在时,图18
13、-4 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节,乳糖操纵子被诱导物开放,2. CAP的正性调节乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控,TTTACA,TATGTT,N17,N6,A,lac,乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,3、协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子转录活性极低。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对 lac 操纵子的阻
14、遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,生理性诱导剂实验常用诱导剂,别位乳糖、 半乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操纵子诱导剂,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,乳糖操纵子调控方式的比较,负调控,正调控,调节蛋白 阻遏蛋白 CAP,变构物 别乳糖，乳糖 cAMP,与变构物结合 无活性 有活性,基因位点 O基因 CAP位点,结合于基因位点 基因关闭 基因开放,未结合于基因位点 基因开放 基因关闭,不与变构物结合 有活性 无活性,微生物代谢还有其它类型的调控方式,合成代谢操纵子由合成产物关闭,合成代谢操纵子在基础状态下持续
15、开放，在产物达到满足需要量时才关闭。,色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达,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,色氨酸操纵子的作用原理,操纵子关闭,三、色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达,四、原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制,（一）不依赖Rho因子的转录终止,（二）依赖Rho因子的转录终止,两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。,终止子结构特点：,在大肠杆菌存在两种终止调节方式：一种为衰减：导致RNA链的过早终止一种为抗终止：阻止过早终止的发生，使下游基因得以表达。,衰减子：
16、操纵子前导区的类似终止子结构的DNA序列。,五、原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调节,（一）转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性,衰减是转录-翻译的偶联调控色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方式。,在大肠杆菌存在两种终止调节方式：一种为衰减：导致RNA链的过早终止一种为抗终止：阻止过早终止的发生，使下游基因得以表达。,衰减子：操纵子前导区的类似终止子结构的DNA序列。,衰减是转录-翻译的偶联调控,色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方式。,Trp
17、高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,转录衰减,色氨酸操纵子,E D C B A,L,前导序列,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,Trp操纵子的转录弱化效应a.高色氨酸时，3-4配对形成终止密码子识别区，只有10%的RNA pol继续参与Trp操纵子结构基因的转录；b.低色氨酸时，核糖体停在色氨酸密码子附近，使得2-3配对，因此阻止了3-4终止发夹的形成，转录继续进行，直至结构基因转录完成；c. 如果无核糖体起始先导肽的AUG的翻译，1-2形成发夹，阻止了2-3发夹的形成，允许3-4形成发夹，酶不表达，无蛋白质合
18、成。,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,1.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,2.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,指转录可正常起动，但在转录进入第一个结构基因前即突然停止的过程。由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途停止，而仅是部分中途停止转录，所以称为转录衰减。,转录衰减（attenuation）,（二）蛋白质分子结合于启动序列或启动序列周围进行自我调节,调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻译起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身
19、mRNA，抑制自身的合成，称自我控制(autogenous control)。,（三）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控,编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合,（四）反义RNA结合mRNA翻译起始部位的互补序列对翻译进行调节,可调节基因表达的RNA称为调节RNA。细菌中含有与特定mRNA翻译起始部位互补的RNA，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制(antisense control)。,（五）mRNA密码子的编码
20、频率影响翻译速度,当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。,1. 不是操纵子组成部分的是 ( ) A、结构基因 B、启动子 C、阻遏物 D、Pribnow盒 E、操纵基因,2. cAMP与CAP结合,CAP介导正性调节发生在下列的哪个阶段 ( ) A、有葡萄糖及cAMP较高时 B、有葡萄糖及cAMP较低时 C、没有葡萄糖及cAMP较高时D、没有葡萄糖及cAMP较低时 E、葡萄糖及cAMP浓度极高时,3. 乳糖操纵子上Z、Y、A基因产物分别是 ( ) A、脱氢酶、黄素酶、CoQ B、-半乳糖苷酶、通透酶、乙酰转移酶 C、乳糖还原酶、乳糖合成酶、别构酶D、
21、葡萄糖-6-磷酸酶、变位酶、醛缩酶 E、乳糖酶、乳糖磷酸化酶、激酶,4. 关于管家基因的描述,下列最确切的是 ( ) A、在生物个体的所有细胞中表达 B、在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中持续表达 C、在生物个体全生命过程的部分细胞中持续表达 D、在特定环境下的生物个体全生命过程的所有细胞中持续表达 E、在特定环境下的生物个体全生命过程的部分细胞中持续表达,5.CAP对乳糖操纵子表达的影响是（）A.正性调控 B.负性调控 C.双重调控 D.无调控作用 E.可有可无,6.下列属于反式作用因子的是（）A.启动子 B.增强子 C.沉默子 D.转录因子 E.RNA 聚合酶,7原核生物基因表达调控的意
22、义是 ( )A调节生长与分化B调节发育与分化C调节代谢,适应环境D调节生长发育与分化E维持细胞特性和调节生长,8紫外线照射引起DNA损伤时,细菌DNA修复酶基因表达出现反应性增强,这种现象被称为 ( )A诱导B阻遏C正反馈D负反馈E基本的基因表达,9. 乳糖操纵子的表达中,乳糖的作用是 ( )A作为辅阻遏物结合了阻遏物B作为阻遏物结合了操纵区C使阻遏物变构而失去结合DNA的功能D该操纵子结构基因的产物E引物,.简述乳糖操纵子的结构及其调节机制？,乳糖操纵子（Lac operon）的结构包括三个结构基因分别是 Z 基因、Y基因、A基因、一个操纵序列O(Operon) 、一个启动序列P(Promo
23、ter)和分解（代谢）物基因激活蛋白CAP结合位点,CAP结合位点,（1）乳糖操纵子的调节机制阻遏蛋白的负性的调节机制： 没有乳糖时：I序列表达的阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。Z、Y、A基因不能转录，处于关闭状态。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚，因此每个细胞中可能有寥寥分子-半乳糖酶、透酶生成。,当有乳糖存在时，乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞，在经过-半乳糖苷酶催化转变为半乳糖，半乳糖作为一种诱导剂与阻遏蛋白结合，使之构象改变，导致阻遏蛋白与O序列解离，而发生转录。,CAP的正性调节： 当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，以复合物的形式结合到Lac 启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性，使之提高50倍； 当葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。,协调表达： 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； 但是如果没有CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。野生型lac启动序列作用很弱，所以CAP是必不可少的。可见，两种机制相辅相成、互相协调、相互制约。,
