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1、1,今日箴言,快乐不是因为拥有的多而是计较的少。,2,遗传与变异,基因的表达调控,Expressive Regulation of Gene,3,基因表达(gene expression)：储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。实质上是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。,中心法则,4,5,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。,一、原核生物的基因调控,转录水平的调控,6,正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱导物与另
2、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。,7,转录水平的负调控与正调控,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。,8,O,P,I,结构基因,启动子P,操纵序列,调节基因,(promoter),(operator),1、乳糖操纵子,-降解代谢途径的基因调控,操纵子,9,1961年，雅各布（Jacob F.）和莫诺
3、（Monod J.）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。从而提出了乳糖操纵子模型（获1965年诺贝尔生理学和医学奖），用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制:,(1)乳糖操纵子模型：,10,大肠杆菌乳糖降解代谢途径，需要三种酶参与：（乳糖代谢酶）,-半乳糖苷酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；透过酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；转乙酰基酶：-半乳糖转变成乙酰半乳糖。,11,乳糖操纵子(lac operon)的结构,大肠杆菌乳糖操纵子包括三类基因：结构基因;操纵基因O;启动基因P。,12,（2）乳糖
4、操纵子的负调控：,O,阻遏状态,诱导状态,启动子,13,14,乳糖即诱导物,15,CAP位点,操纵序列,RNA聚合酶,启动序列,cAMP,mRNA 5,DNA结合区与CAP位点结合CAP(代谢激活蛋白同二聚体)cAMP结合区 cAMP-CAP复合物（有活性）,CAP,（3）乳糖操纵子的正调控,RNA Pol在有的启动子上结合并不能起始转录，需要一种附属蛋白的帮助。,CAP,16,除了阻遏蛋白能抑制lac操纵子转录外，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：,当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。,当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？,17,腺苷酸
5、环化酶催化ATPcAMPcAMP+代谢激活蛋白(CAP)cAMP-CAP复合物，作为操纵子的正调控因子,AC,葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性,18,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，也就没有操纵子的正调控因子cAMP-CAP复合物，因此基因不表达。,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。,乳糖操纵子模型,19,2、
6、色氨酸操纵子,-合成代谢途径的基因调控,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子模型。,20,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录；,色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵子模型（repressibleoperon),21,色氨酸操纵子的组成,5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；,（1）色氨酸操纵子模型结构：,22,（2）色氨酸操纵子的负调控：,阻遏调控：trp
7、R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，操纵子开启转录；,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。,23,有活性的色氨酸阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始。（弱化子）,24,阻遏作用与弱化作用的协调,阻遏效率:启动子的转录起始频率在R+和R-相差70倍;弱化作用:trp存在时，约有10的RNA pol侥幸转录;-trp（阻遏作用）活性阻遏物 无活性阻遏物+trp（弱化作用）,trp操纵子的双重调节体系,25,色氨酸低浓度或不存在时，由于前导肽中色氨酸
8、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，继续向前转录结构基因。,弱化子调控：,当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种机制来抑制trp操纵子的转录？,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160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。RNA酶从DNA上脱落；,问题：弱化子如何进行调控？,26,前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一
9、段mRNA序列。该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。,27,28,原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构从而决定弱化子是否可形成终止信号。,A、当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体停留在终止密码子处(邻近区段2位置)阻碍了2、3配对使3、4区段配对形成发夹结构终止子 RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。,29,B、如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置(位于区段1)使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。,30,阿拉伯糖操纵子
10、也是降解代谢途径的调控系统，它具有一些与lac操纵子相似的特点，但与前述两种操纵子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。,3、阿拉伯糖操纵子,降解代谢途径,31,R：调控基因araC编码AraC蛋白；O：操纵子位点；O1不参与调控；O2：AraC蛋白负调控结合位点；I：诱导位点（调节位点），CAP-cAmP复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。,B、有ara时，AraC与I位点结合，CAP-cAMP与CAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。C、无ara时，没有CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合
11、，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。,A、阿拉伯糖操纵子的组成：,32,二、真核生物的基因调控,3,33,真核生物和原核生物基因表达的对比,34,一、DNA水平调控：DNA的改变,1、基因剂量与基因扩增,拷贝数增加：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；,基因丢失：发育过程中，一些组织的细胞丢失了某些基因，决定细胞分化。,基因扩增：两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2106 组装大量的核糖体，满足卵细胞大量合成蛋白质需要。也发生在异常细胞中，如人类的癌细胞中，由于癌基因的大量扩增，高效表达导致细胞生长失控，诱发癌症。
12、,35,2、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,酵母有两种交配类型a和，单倍体孢子a 和之间交配才产生a/二倍体，经减数分裂及产孢过程形成4 个单倍体孢子；相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。但酵母存在一种同宗配合类型(homothallism)，其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生配合。,36,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。在MAT基因两端有同源序列HML和HMRa，由于两基因上游存在沉默子，故不
13、表达。,酵母菌交配型转换的遗传基础,37,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)是变异区(V)，羧基端(C)是恒定区(C),动物抗体基因重排,哺乳动物一般可产生109个抗体分子，比整个基因组基因数目还多，人类的抗体基因约有300个。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。,38,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(J)；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)；,3
14、9,所有的抗体并不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段经重排连接而成的。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之间的随机组合，可从约300个抗体基因中产生109个抗体分子,40,真核生物中，少数胞嘧啶第5C上的H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。,3、DNA甲基化,41,二、转录水平的调控,启动子(promoter)：转录因子和R
15、NA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。,（1）启动子：,顺式作用元件(cis-acting elements),真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主要是起正调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发现起负调控作用的元件沉默子(silencer)。,真核细胞的三种RNA聚合酶（、和）中，只有RNA聚合酶能转录生成mRNA，以下主要讨论RNA聚合酶的转录调控。,42,真核生物基因(A)与原核生物基因(B)在5端启动子的顺式调控元件转录方向用箭头表示，转录起始
16、点用+1表示,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。,43,2、转录强化子(增强子，transcriptional enhancer)：,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（激活子）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。,44,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
17、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，利于转录反应，从而提高mRNA合成效率。,DNA环化与转录活性,强化子主要有两个功能:,45,强化子竞争控制基因表达,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。,46,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。,3、选择性启动子,47,4、选择性m
18、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。,48,5、激素的调控作用,果蝇不同发育阶段唾腺第III染色体上的疏松图式,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。,49,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。,50,转录因子：transcription factor，TF.以反式作用影响转录的因子。在真核细胞中RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要与其他转录因子共同协作。与RNA聚合酶、相应的转
19、录因子分别称为TF、TF、TF，对TF研究最多。下表列出对真核基因转录需要基本的TF。,表 RNA聚合酶的基本转录因子,反式作用因子（trans-acting factors）,51,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。,三、翻译水平的调控,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。,52,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。,蛋白酶切割蛋白质折叠蛋白质的化学修饰蛋白质内含子（加工切除）。,P367,53,蛋白质内含子的切割及跳跃。1.具有内含子的基因(A+Int)转录翻译形成蛋白质；2.蛋白质内含子从多肽链上切割下来；3.切下来的内含子作为内切酶将不含内含子的等位基因(B-Int)切开；4.A+Int基因中的内含子序列插入到B-Int中形成B+Int基因,
