普通遗传学第十四章 基因表达的调控.ppt

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1、,第十四章 基因表达的调控,第一节 原核生物的基因调控 第二节 真核生物的基因调控,基因只有在它应该发挥作用的细胞和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态。 例如：在一株玉米的全部细胞内都有发育雌花丝的基因，但是在根、茎、叶上不会长出雌花丝来，只有在形成子房后，在子房的顶端才长出雌花丝。 基因调控(gene regulation): 控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。,无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到编码蛋白的基因和DNA上的元件: DNA元件是DNA上一段序列，但它作为一种原位（in situ）序列具有特殊的功能。由于它只能作用同一条DNA，因此称顺式作用元件 (cis-actin

2、g element) 。顺式作用位点通常总是在靶基因的上游。 调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶上，因此被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。,负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的调控。 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物通常与另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。 原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中则主要是正调控机制。,图 14-1 正调控和负调控,第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 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

3、种mRNA。当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。,1、乳糖操纵元模型 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod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，乳糖代谢酶基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制,图 142 乳糖操纵元模型,没有乳糖时：,有乳糖时：,目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构。,诱导物,DNA,DNA,cAmp -CAP,O1,O

4、2,阻遏蛋白结构及其与操纵子DNA结合模式图,阻遏蛋白,阻遏物四聚体,阻遏物与CAP、O1、 O2等结合,因此： 当有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生 -半乳糖苷酶。,乳糖操纵元的正调控：,半乳糖,乳糖,葡萄糖,-半乳糖苷酶,葡萄糖,转化,除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，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：,乳糖操纵元的正调控：,葡萄糖可以抑制腺苷酸环化酶(adenyl cyclase)的活性。,ATP前体,环式Amp (cAmp),腺苷酸环化酶 (adenyl cyclase),cAmp,代谢激活蛋白 (catabolite activating pro

5、tein（CAP),+,cAmp-CAP复合物,正调控因子,WHY？,在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。,cAmp-CAP复合物,结合在lac启动子区域特异核苷酸序列,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,转录效率更高,乳糖操纵元的正调控,2、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子。,trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和衰减子（attenuator

6、）。,trp R编码一种无辅基阻遏物，形成无辅基阻遏物色氨酸复合物后，才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。,细胞中的色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进行转录。,细胞中的色氨酸浓度较高时，色氨酸分子可与无辅基阻遏物结合，成为有活性的阻遏物，结合在操纵子区域，阻止转录。, 由于Trp操纵子的阻遏能力较低，仅是lacI产物的1/1000，因此trp操纵子还必须依赖别的途径来进行调节。这种途径就是衰减作用。,衰减子与衰减作用:,衰减子与衰减作用：1）在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的衰减子区域，它在转录后可迅速形

7、成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以衰减子是一种内部 终止子。 2）无色氨酸时，由 于前导肽中色氨酸 密码子的作用，使 衰减子不能形成发 夹结构而成为单链， 继续向前转录,第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 二、翻译水平的调控,二、翻译水平的调控 1、反馈调控机制 如果某种蛋白质过量积累，将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno (SD) (AGGAGGU) 序列。,2、反义RNA调控 反义RNA可与目的基因的5UTR（untranslated region ）互补

8、配对，配对的区域通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。 反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。,第二节 真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控 ，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表达调控发生在转录水平。,一、 D

9、NA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控 四、翻译水平的调控,第二节 真核生物的基因调控,1、基因丢失 2、基因扩增 3、基因重排 4、DNA甲基化,一 DNA水平的调控,一、DNA水平的调控 1、基因丢失,马蛔虫（2n=2）受精卵的早期分裂,某些原生动物，如线虫、昆虫和甲克类动物在个体发育过程中，许多体细胞经常丢掉整个或者部分染色体，只有将要分化形成生殖细胞的细胞中保留全部染色体。 通过染色体丢失，丢失某些基因而除去这些基因的活性的现象称为基因丢失（gene elimination）。,2、基因扩增 基因扩增：细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象。 人类癌细胞中的许多致癌基

10、因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。,3、基因重排 基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排列。重排不仅可以形成新的基因，还可以调节基因表达。基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它是一些基因调控的重要机制。, 酵母交配型转换 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(mating-type)基因位于酵母菌第3染色体上，MATa和MAT互为等位基因。,动物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端)是变异区( V )，羧基端( C端)是恒定区( C )

11、, 动物抗体基因重排,V,C,人类抗体由不同基因片段经重排组合后形成的。 重链基因包括4个片段：变异区 (VH)，多样区 (D)，连接区 (J)，恒定区（C），在14号染色体 轻链基因有3个片段。变异区(VL)，连接区(J)和恒定区(C)。,免疫球蛋白的多样性,人类第14号染色体上抗体重链基因片段(A)和抗体重链基因的构建(B),抗体基因重排中各个片段之间的随机组合，由约300个抗体基因片段产生108个抗体分子。,免疫球蛋白的多样性,4、DNA甲基化 真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个甲基取代-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

12、高。,许多真核生物基因5端未翻译区富含CG序列，为甲基化提供很 多可能的位点。,甲基化可降低转录效率。,一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控,第二节 真核生物的基因调控,二 染色质水平调控,（一）异染色质化 （二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用 （三）DNA酶的敏感区域 （四）核基质蛋白,（一）异染色质化 （二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用 （三）DNA酶的敏感区域 （四）核基质蛋白,功能性异染色质：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，这是表达调控的途经。 哺乳动物中，细胞质某些调节物质能使两条X染色体中的一条异染色质化。雌、雄动物之间虽X染色体

13、的数量不同，但X染色体上基因产物的剂量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿。 在正常女性的细胞核中有一团高度凝聚的染色质，这是失活的染色体巴尔小体（Barr body）。两条X染色体中哪一条失活是随机的，生殖细胞形成时失活的X染色体可得到恢复。,（一）异染色质化,（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用,组蛋白可被修饰，修饰可改变其与DNA的接合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由紧变松，这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达的抑制物。 非组蛋白打开特异基因的分子，具有组织特异性，在基因

14、表达的调节、细胞分化的控制以及生物的发育中起着很重要的作用。,当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对DNA酶降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。 具有转录活性基因周围的DNA区域有一个中心区域，对DNA酶高敏感，称为超敏感区域或超敏感位点。这些位点或区域将首先受到DNA酶的剪切。,（三）DNA酶的敏感区域,染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质（骨架蛋白）上。这种结合是特异性的，这种特异性的结合对于控制基因的活性是有用的。,（四）核基质蛋白,如卵清蛋白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合，而不与鸡肝脏核基质结合。,一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控,第二

15、节 真核生物的基因调控,（一） 顺式作用元件 （二） 反式作用因子,三 转录水平的调控,（一） 顺式作用元件,启动子与转录因子 增强子,启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧邻转录起始点，是基因的一部分。,启动子与转录因子,转录因子是激活真核生物基因转录的蛋白质。 真核生物基因转录与原核生物的一个重要区别是：真核生物基因的启动子必须与一系列转录因子结合，才能在RNA聚合酶的作用下起始转录。,真核生物启动子 TATA盒(TATA box)：转录起始点上游2530bp处，RNA聚合酶II能识别并结合的位点。 CAAT盒(CAAT box)：转录起始点上游7

16、080bp处，这段序列没有方向性，对于起始转录具有重要作用。 有些启动子上游110bp处还有几个GC盒(GC box)，可起增强子的作用。,启动子与转录因子,图 真核生物5端的顺式调控元件,转录增强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。,2 增强子(transcriptional enhancer),增强子主要有两个功能:,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，使增强子与启动子直接接触，以便通过转录因子转录激活子RNA聚合酶一起形成转录复合体，从而提高mRNA合成效率。,图14 转录复合体,增强子与不同

17、启动子进行竞争性互作： 在同一时间，一个增强子只能与一个启动子发生互作。两个启动子P1和P2的中间是一个增强子。当P1启动子与其特异激活子结合后，增强子优先与P1启动子结合，转录P1的序列。如果P2启动子与它的特异激活子形成了复合体，增强子与P2启动子结合，使P2基因转录。,2 增强子,竞争增强子成为P1或P2基因表达的一个开关机制。,（二）反式作用因子,根据靶位点的特点反式作用因子分为3类： （1） 通用反式作用因子 （2）特殊组织与细胞中的反式作用因子 （3）反应性元件相结合的反式作用因子 反式作用因子通过不同途经发挥调控作用： （1）蛋白质和DNA相互作用 （2）蛋白质和配基结合 （3）

18、蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的 修饰等, -螺旋-转角- -螺旋(HTH) 有3个螺旋，螺旋3识别并和DNA结合，一般结合于大沟；螺旋1和2和其它蛋白质结合。,1 、蛋白质直接和DNA结合,1 蛋白质直接和DNA结合,锌指区域包括二个半胱氨酸(Cys)及二个组氨酸(His)族，其保守重复序列为Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His残基与锌离子(Zn+)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型。,2 蛋白质和配基结合,当甾类激素等进入细胞后，在细胞质中受体蛋白质与之结合，结合后受体构象发生改变，成为活化状态，然后进入细胞核。受体识别特殊的保

19、守序列并与之结合，从而活化了其下游的启动子，使激素调节基因开始转录。,酵母半乳糖基因是受正调控因子GAL4调控蛋白调控，同时，还受负调控因子GAL80调控蛋白的调控。 这里利用两个半乳糖基因GAL1和GAL10来说明这种基因调控机制。,3 蛋白质之间的相互作用,正调控因子Gal4p受另一个调控蛋白Gal80p的负调控，Gal80p总是与Gal4p结合，覆盖了Gal4p的活性中心，当磷酸化的半乳糖与Gal80p/Gal4p复合体结合时，改变它们的构型，使Gal4p的活性中心外露，结果诱导gal基因表达。,3 蛋白质之间的相互作用,无半乳糖时，基因不表达,有半乳糖时，基因不表达,一、 DNA水平的

20、调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控 四、翻译水平的调控,第二节 真核生物的基因调控,四、翻译水平的调控 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。,四 翻译水平的调控,（一） mRNA运输 （二）mRNA翻译的控制 （三）mRNA的结构 （四）选择性翻译 （五）反义RNA （六）蛋白质的加工,运输控制（transport control）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。 核膜是一个基因表达的控制点。几乎只有一半的编码蛋白基因的初始转录本一直留在核里面，然后被降

21、解掉。,（一） mRNA运输,翻译明显地影响到基因的表达。例如mRNA储存在动物的未受精卵中，蛋白质合成率很低；一旦受精蛋白质合成立即增加。并没有新的mRNA的合成，是一种翻译控制。 在细胞质中mRNA分子的稳定性很不一致，几分钟几个月。 mRNA的降解可能是一个重要控制点。降解速率和mRNA结构特点有关，如很多短寿命的mRNA 3 非翻译区（UTR）中富含AU的序列（UUAAUUUAU），作用机制还不清楚。,（二）mRNA翻译的控制,多数mRNA的翻译活性依赖于5 端“帽”结构，只有“帽”被甲基化，方可有效翻译。 起始密码子AUG的位置和其侧翼的序列影响翻译的效率。影响起始复合物的形成，进而

22、影响翻译效率。 5 UTR的长度影响翻译的效率和起始的精确性。当1780bp之间时，体外翻译效率与长度成正比。 5 UTR可能形成发夹或茎环二级结构，阻止核糖体40S亚基的迁移，对翻译起始有顺式抑制作用。 3端的poly A 影响mRNA的稳定性和翻译效率。,（三）mRNA的结构,珠蛋白是由两条链和两条链组成的。在二倍体细胞中有4个-珠蛋白基因，如果它们相同转录和翻译的话，应是:=2:1，而实际上是1:1。是转录调控还是翻译调控？ 体外实验：在无细胞系统中加入等量-mRNA、-mRNA、少量起始因子，合成的-珠蛋白仅占3%，说明-mRNA和起始因子的亲和性远大于-mRNA。 当加入过量的起始因

23、子时，:=1.4:1 ，接近1:1。表明是在翻译水平上存在的差异，即和翻译起始因子的亲和性不同。,（四）选择性翻译,来自骨髓细胞瘤病毒的癌基因myc三个外显子中的第1，2两个外显之间有部分互补。在有的细胞中，当失去外显子1时，myc基因过量表达，推测外显子1可能通过互补来抑制myc的表达。,（五）反义RNA,（六）蛋白质的加工,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 蛋白质折叠:蛋白质在一定的条件下(如在伴蛋白chaperones存在时)，才能折叠成一定的空间构型，并具有生物学功能。 蛋白酶切割:翻译后经蛋白酶(protease)加工切割的主要作用是切除氨基端或羧基端的序列，以便形成有功能的空间构型。,蛋白质的化学修饰:简单的化学修饰就是将一些小化学基团，如乙酰基、甲基、磷酸基加到氨基酸侧链、或蛋白质的氨基端或羧基端。复杂的修饰是蛋白质的糖基化，即一些分子量大的碳水化合物侧链加到多肽链上。 蛋白质内含子（加工切除）:有些前体蛋白质分子具有内含子(inteins)序列，位于多肽链序列的中间，经加工切除后，两端的蛋白质外显子(exteins)连接为成熟蛋白质。,（六）蛋白质的加工,本章重点 原核生物转录水平的调控 真核生物转录水平的调控 作业,Gene silencing!,