第5章分子水平上的基因功能下

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1、 5.8 基因表达的调控基因表达的调控5.8.1 基因表达调控的多水平性基因表达调控的多水平性v生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。v基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞）基因（肌细胞）v基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。v本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质少量的蛋白质5.8.2原核类基因的表达调控原核类基因的

2、表达调控一、操纵子与操纵子模型一、操纵子与操纵子模型操纵子学说操纵子学说/操纵子模型：操纵子模型：F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon(1965诺贝尔医学生诺贝尔医学生理学奖理学奖)操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（）和启动子（P）组成。组成。转录、翻译、合成蛋白转录、翻译、合成蛋白 结合调节蛋白结合调节蛋白 结合结合RNA聚合酶聚合酶 promoter structural genes operator启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基

3、因结构基因操纵子操纵子(operon)(operon)模型模型调控（节）蛋白调控（节）蛋白 操纵子操纵子RNARPO structural genesDNAProtein调控蛋白的作用机制注：注：R R：Regulator PRegulator P：Promoter OPromoter O：OperatorOperator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)apoinducer)负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)repressor)二、正调控

4、与负调控二、正调控与负调控调节基因调节基因 RNA 调节蛋白调节蛋白 正调节蛋白正调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因不表达基因失活，结构基因不表达（正控制（正控制/正调节正调节）负调节蛋白负调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因组成型表达基因失活，结构基因组成型表达（负控制（负控制/负调节负调节）根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：隐性的组成型表达隐性的组成型表达负控制系统负控制系统 结构基因处于不可诱导状态结构基因处于不可诱导状态正控制系统正控制系统 根

5、据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏阻遏 操纵子调控系统的基本类型v可诱导负控制系统v可诱导正控制系统v可阻遏负控制系统v可阻遏正控制系统正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而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；控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；控

6、为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；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合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。的合成。如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:.-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖糖.渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖半乳糖.转乙酰酶：转乙酰酶：-半乳糖转变成乙酰半乳糖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，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

7、酶能够成比几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加例地增加.乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.5.8.2.15.8.2.1乳糖操纵子乳糖操纵子1 调控位点 (1)Operator 操纵基因 (2)CAP(catabolite gene activation protein)or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3)Promotor 2 诱导物为乳糖 诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 诱导：基因被

8、打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 Jacob和Monod构建了局部二倍体（merodiploid），携带着野生型和组成型的等位基因。野生型等位基因证明是显性的。野生型细胞可以产生某种物质使lac基因关闭。这种物质也可以使组成型基因表达关闭，从而局部二倍体也是诱导型的。这种物质他们命名为repressor。组成型菌株的repressor基因有缺陷性突变，即lacI-。5.8.2.2 色氨酸操纵子 1.结构2.特点:(1)trpR(89)和trpABCDE(25)不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)(4)启动

9、子和结构基因不直接相连，二者被 前导顺序(Leader)所隔开 分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 邻氨基苯甲酸 邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 链 链 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子；t,t：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应trp 操纵子的结构 trpR trpP tr

10、pO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(无活性)活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp)图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:GENES，1990,Fig.13.16)3.调节(1)Trp作为辅阻遏物(corepressor)(2)阻遏物和 RNA pol 在P,O重叠区产生竞争性抑制；(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。5.8.3真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控在真核生物中基因表达的调节其特点是（1）多层次（2）无操纵子和衰减子（3）个体发育复杂

11、（4）受环境影响较小5.8.3.1DNA结构与基因的表达调控结构与基因的表达调控 DNA分子的核苷酸序列不仅带有编码信息，也带有构象信息。DNA的结构与功能是紧密相关的，实验证实，某一基因表达与否及表达效率的高低既与DNA的一级结构有关，也与DNA的高级结构有关。1、染色质的结构与基因的表达调控、染色质的结构与基因的表达调控在真核生物中，DNA包装成染色质的高度有序核蛋白复合物(图7-13)，它的结构在有潜在转录活性的形式和转录抑制的凝聚状态之间转换。染色质结构对基因活性的调节使大部分基因完全被抑制或激活，这对含有庞大基因组的生物可能是有利的。图图7-13组蛋白组蛋白DNA复合物复合物 组蛋白

12、与非组蛋白对基因转录的调控模型组蛋白与非组蛋白对基因转录的调控模型 2.DNA超螺旋结构的影响超螺旋结构的影响双链DNA分子的两条链绕轴卷曲成双螺旋（二级结构），然后双螺旋再卷曲成超螺旋（三级结构），超螺旋还可以卷曲成更高级的结构。体外实验表明，只有把DNA卷曲成超螺旋才可能进行复制和转录。其中复制受超螺旋程度的影响不大，复制酶不管模板的超螺旋松紧度如何都可进行正常复制，而转录却不同，转录极易受到超螺旋松紧程度的影响。3.DNA甲基化对基因表达的影响甲基化对基因表达的影响甲基化(methylation)是在甲基化酶(methylase)的作用下，将一个甲基添加到DNA分子中的碱基上，最常见的是

13、胞嘧啶甲基化形成5-甲基胞嘧啶，用mC表示。真核生物DNA中大约20-70%的胞嘧啶存在着甲基化修饰。甲基化多发生在CG二核苷酸对上，分半甲基化5mCpG3/3GpC5，和完全甲基化5mCpG3/3GpCm5两种。使用某些II型限制性内切酶可以研究DNA序列的甲基化状况，如HpaII识别并切割未甲基化的CCGG(CCGG)，而MspI识别无论是否甲基化的CCGG，切割后的片段分别进行电泳，即可鉴定这些CCGG序列是否甲基化。用限制性内切酶鉴定用限制性内切酶鉴定CCGG序列是否甲序列是否甲基化。数字为酶切后的基化。数字为酶切后的DNA片段编号片段编号 5.8.3.2调控序列和调控蛋白对基因调控序

14、列和调控蛋白对基因表达调控的影响表达调控的影响 真核细胞的一个基因调控区(gene control region)包括启动子及对其调控的所有的调控序列(regulatory sequence)。这些调控序列距离启动子或远或近，多数在基因的上游，也有的在下游。在高等真核细胞中一个基因的调控序列往往扩展达50kb之长，其中常间以不被调控蛋白所识别的空档区(spacer)。5.8.3.3一个基因可以编码多个蛋白一个基因可以编码多个蛋白在真核生物中，一个编码区包括多个内含子和外显子，一般情况下，在断裂基因初级转录本的剪接中，总是把所有的内含子剪掉，然后将外显子依次地连接起来。因此，一种断裂基因只能产生

15、一种成熟的mRNA，合成一种多肽。但后来发现许多断裂基因在其转录本剪接中，通过不同的剪接方式从一个基因产生多种不同的多肽或蛋白质。生物体通过这种选择性剪接(alternative splicing)来调控基因的表达，产生不同的蛋白质以适应不同的环境需要。小鼠淀粉酶在不同组织中小鼠淀粉酶在不同组织中mRNA的选择性剪接的选择性剪接 真核基因中内含子的发现使中心法则的共线性原则发生动摇，上面我们也谈到通过RNA的选择性剪接从一个基因可以产生不同的蛋白产物，但这些都并没有改变基因(DNA)直接产物RNA的序列。1986年生物学家在锥虫(Trypanosome,一种人和昆虫的寄生虫)的线粒体内发现了一

16、种能改变编码蛋白质RNA转录本的新的分子机制，这种机制叫RNA编辑（RNA editing）。这是在生成mRNA分子后，通过在选择的转录本区域内添加、去掉或置换核苷酸，从而改变来自DNA模板的遗传信息，翻译生成不同于模板DNA所规定的氨基酸序列。这过程是由叫编辑体(editosome)的酶复合体催化的。RNA编辑同基因的选择性剪接一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质。不同生物中的RNA编辑的情况 5.8.3.5反义反义RNA反义RNA(antisense RNA)(图7-20)是指与mRNA互补的RNA分子，它能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工和翻译，是原核

17、细胞中基因表达调控的一种方式。1984年Adelman等发现大鼠的促性腺激素释放激素(GnRH)的基因两条链都能转录，首次在真核中也发现了反义RNA。后来的许多实验证明在真核细胞中亦有不少反义RNA的存在。antisense RNA 5.8.3.6mRNA的稳定性与基因表达调控的稳定性与基因表达调控在真核生物中，由于细胞处于一个相对稳定的环境中，其mRNA较为稳定，mRNA的寿命长达数小时而不是几分钟，当然也有些真核mRNA的寿命较短，只有30分钟或更短。寿命极长的mRNA可以长时期积累，经过一个静止期后，当需要的时候，它们就能被激活，例如种子萌发时，甚而在没有RNA合成时，也能形成多聚核糖体

18、，及开始蛋白质合成，所以种子内一定贮存有稳定的mRNA模板，莲子在1700年以后仍能萌发，可见其mRNA可存活相当长的时间。5.8.3.7翻译后的蛋白质修饰在基因翻译后的蛋白质修饰在基因表达调控中的作用表达调控中的作用生物体内的某些成熟的蛋白质和直接从mRNA翻译出来的蛋白质的结构并不完全一样。例如某些蛋白质以前体形式合成，然后经蛋白酶水解成为长短不同的肽段，某些蛋白质则在翻译以后再进行某些氨基酸的修饰，如羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。其原因是多种多样的。例如密码子只有64种，只能编码20种氨基酸，而已知修饰过的氨基酸不下于100种，它们只能通过翻译后加工得到，而且它们又不是每一种蛋白质都必需的，因此通过翻译后加工比较更为经济合理。总之，生物在翻译后对蛋白质所起的某些修饰作用也是基因调控的一种方式，扩大了生物对环境的适应性。