基因的表达与调控.ppt

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1、,第八章 基因的表达与调控,第一节 基因的概念,孟德尔称控制性状的因子为遗传因子； 1909年约翰森提出了基因这个名词，取代孟德尔 的遗传因子； 摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建 立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。,一、基因的概念及其发展,1、经典遗传学的基因概念：,基因能够自我复制，具有相对稳定性；,基因在染色体上占有一定的位置，是交 换的最小单位；,基因是突变的最小单位；,基因是一个功能单位。,基因,结构单位,功能单位,重组单位,突变单位,2、分子遗传学的基因概念,基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录为RNA（mRNA、tRNA、rRNA），或进一步翻译

2、成多肽链。,分子遗传学研究表明：,突变子 (muton)：性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到一个核苷酸；,重组子 (recon)：性状重组时，可交换的最小单位。一个交换子可以只包含一对核苷酸；,顺反子 (cistron)：是决定一条多肽链合成的功能单位 。,精细的微生物遗传分析表明，并不是不可分割的最小单位；根据现代遗传学的概念，可分为突变单位、重组单位和功能单位：,基因的概念：,可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链；,功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸序列。,假定有两个独立起源的隐性突变，如a1与a2，它们具有类似的表型。,如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是

3、分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是否是等位基因？,二、基因的微细结构,1、互补作用与互补测验(顺反测验),需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用；,如果有互补作用，个体应表现为野生型，表明这两个突变来自两个基因；,如果无互补作用，个体应表现为突变型，表明这两个突变来自一个基因。,顺反测验：这种根据功能确定等位基因的测验称为互补测验。,杂合的双突变体有两种不同的排列形式：顺式排列和反式排列。,2、顺式与反式调控,假设某一基因的表达受一种调控蛋白质控制，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。,如果该基因的启动子或调控这个基因的调控蛋白突变，则可以使

4、该基因不能表达。,顺式调控: 如果该基因的启动子发生突变，使调控蛋白不能识别这个位点，从而导致该基因不能表达，这种突变称为顺式调控。,反式调控：如果是调控蛋白质发生突变，形成的蛋白质不能与这个基因的启动子结合，从而导致这些基因不能表达，这种突变称为反式调控。,3、基因的微细结构,20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体r区基因的微细结构进行了详细分析。,野生型T4噬菌体,可侵染B株和K12株,噬菌斑小而模糊,r突变型T4噬菌体,只能侵染B株， 不能侵染K12株,噬菌斑大而清晰,用两种的r区突变体对大肠杆菌B菌株进行双重感染；,双重

5、感染,重组值=,r+r+,+,rxry,噬菌体总数,100%,=,形成噬菌斑后,收集溶菌液,并接种在B菌株上，计算总噬菌数；,同时将溶菌液接种在K12菌株上，计算野生型重组体的数目；,基因,三、基因的作用与性状的表达,结构蛋白,酶,人的镰刀形贫血症,豌豆皱粒表现型是由于缺少了淀粉分支酶而导致的,1941年，Beadle and Tatum 根据红色面包 霉的研究提出了“一个基因一个酶”的假说。,后来又被修改为“一个基因种多肽链”。,第二节 基因调控,每个细胞都含有整套遗传密码，在不同的发育阶段和不同的细胞中，只有各自需要的遗传密码子被转录和翻译。,这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。,

6、原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。,一、原核生物的基因调控,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。,1、转录水平的调控,正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱 导物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。,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。,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。,转录水平的负调控与正调控,2、乳糖操纵元,Monod等

7、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。,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。,P:,O:,I:,Z:,Y:,A:,抑制基因,启动子,操纵子,b-半乳糖苷酶,渗透酶,乙酰转移酶,乳糖操纵元模型,II-,乳糖操纵元 的负调控,两种组成型突变：,组成型表达,OOc,乳糖操纵元模型是从分子间的互作来解释结构基因的调控方式的：,当没有乳糖时，因不需要乳糖代谢酶，故转录终止；,当有乳糖时，通过乳糖与阻遏蛋白结合，间接诱导激活基因表达；,当乳糖被

8、消耗殆尽时，没有乳糖与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白又可以与操纵子结合，阻止基因转录表达。,异丙基-D-硫代半乳糖 (isopropyl-D-thiogalactoside) IPTG,此结果说明，诱导过程并不涉及诱导物与酶之间的作用。,根据乳糖操纵元模型可知，-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是降解乳糖形成葡萄糖和半乳糖，半乳糖最终也将被转变成葡萄糖加以利用；,当细菌处于既有大量乳糖，又有葡萄糖存在的情况下,-半乳糖苷酶的合成又将如何呢？,研究结果显示，只要有葡萄糖存在，细菌细胞将不会产生-半乳糖苷酶；,由此可以说明，除了阻遏蛋白能够抑制乳糖操纵元的转录外，还有其他因子也能有效地抑制乳糖mRNA的转录，

9、而且，这个因子的活性应该与葡萄糖有关。,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。,乳糖操纵元的正调控,cAmp,ATP,腺苷酸环化酶,CAP,cAmp-CAP,在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就不能 形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。,目前，通过遗传分析证明了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。,乳糖操纵元的不同调控位点 a：CAP结合位点；b：RNA聚

10、合酶结合位点；R：形成抑制环的 区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数,3、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。,色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结 构基因TrpE、 TrpD 、 TrpC 、 TrpB 和 TrpA 。,色氨酸操纵元的组成,RNA聚合酶,阻遏物trpR由相距较远的阻遏物基因编码无辅基阻遏物 + trp活性复合物，与操纵子结合，阻止转录。,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。,弱化作用,色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构,当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的 转录同时受到抑制；

11、,色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控 色氨酸mRNA的转录。可以被最终合成产物所阻 遏的操纵元叫做可阻遏操纵元。,在色氨酸供应不足时，发生转录。,衰减作用的生物学意义,除trp操纵元外，许多负责氨基酸合成的操纵元 的表达均可受衰减作用的调控,如His操纵元、Phe 操纵元等。,trp操纵元中，阻遏作用与衰减作用一起协同控 制其基因的表达，显然比单一的阻遏负调控系统 更为有效、更为灵敏。,4、阿拉伯糖操纵元,阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系 统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但 与前述两种操纵元系统的显著区别是：,它的同一种调控蛋白AraC调控蛋白既可起 正调控,也可起负调控作

12、用。,R：调控基因araC 编码AraC蛋白；,阿拉伯糖操纵元的组成,O：操纵子位点；,I：诱导位点，具有CAP结合位点；,B,A,D：结构基因。,无ara时，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合，形成抑制环， 阻遏CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，从而抑制转录，表 现为负调控。,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。,5、翻译水平的调控,反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋 白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA， 能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。,这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区，也

13、包 括启动子区域的Shine-Dalgarno序列。,如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与 其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。,反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR互补 配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno 序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋 白质的合成。,真核生物中的应用：,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。,科学家采用反义RNA技术封闭番茄细胞中上述两个酶编码基因的表达，由此构建出的重组番茄的乙烯合成量分别仅为野生植物的3%和0.5%，明显增长了番茄的保存期。,S-腺苷甲硫氨酸,氨基环丙烷羧酸合成

14、酶,乙烯合成酶EFE,二、真核生物的基因调控,真核生物具有精确的发育程序以及大量分化的特殊细胞群体，它需要更为多样化的调控机制，因此，真核生物的基因调控远比原核生物复杂：,高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大得多；,染色质结构的变化可以调控基因表达；,不同物种基因组比较,调控发生在染色体水平、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。,真核生物的转录和翻译存在时间和空间上的差异；,不同个体、不同细胞可能具有不同的调控机制；,在真核生物中，基因的差别表达是细胞分化和功能的核心；,(一)染色质的结构特性与转录,活性染色质：处于可及状态的染色质。,RNA聚合酶可识别活性染

15、色质DNA序列中的结合位点，因而能进行有效的转录。,研究表明,活性染色质具有对DNase作用超敏感位点,原因是没有形成核小体单位。,体外实验表明，在基因的启动子部位形成一个 核小体单位，就足以有效阻止转录的启动。,与此相反，一旦转录启动，核小体核心便可以转录到底,表明转录本的延长并没有被核小体阻断。推测，发生了核小体的解折叠作用。,（二）DNA水平的调控,基因剂量与基因扩增,基因剂量可经基因扩增临时增加。如：蟾蜍 卵母细胞的rRNA基因可以扩增4000倍。,基因的多拷贝使其剂量增加。如：组蛋白。,基因的扩增与肿瘤的形成和细胞的衰老有关。,原发性成视网膜细胞瘤中，含myc癌基因的 DNA区段扩增

16、了10-200倍；,UV和羟基脲等致癌剂同样可诱导DNA的扩增。,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,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。,酵母菌交配型转换, 动物抗体基因重排,正常的哺乳动物可以产 生108个抗体分子。,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108个抗体分子。,人类第14号染色体上抗体重链基因片段,变异区(VH),多样区(D),链接区(J),恒定区(C)

17、, 动物基因的异常无序重排,哺乳动物基因组的许多重排事件都是同细胞 的病理变化相关联的，特别是肿瘤的发生过程。,慢性髓细胞白血病：细胞中具有费城染色体， 它是由9号染色体与22号染色体部分交换形成的。,伯基特淋巴瘤：涉及8号染色体与14(2)号染 色体部分交换。,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，称为甲基化。,真核生物中，90%以上的甲基化作用发生在DNA的 CG双碱基序列处，而且，一经甲基化便可持续维持。,半保留复制,甲基化酶,研究表明，C-5上的甲基突出到DNA大沟内的 暴露部位，因此，它有可能影响到DNA与转录 激活因子之间的结合作用。,研究证实，DNA甲

18、基化程度越低，基因的表达 活性也就越高；反之，基因表达活性越低。,甲基化可降低转录效率。,如果将不会被甲基化的5-氮胞嘧啶掺入DNA 分子中时，可导致正常情况下不表达的基因进 行表达。,（二）转录水平的调控,1.真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,RNA聚合酶,存在于核仁，负责转录rRNA基因,存在于核质，负责转录前体mRNA,存在于核质，负责转录tRNA，5S rRNA,snRNA等,2.真核基因的顺式作用元件,顺式作用元件(cis-acting element)：DNA上 对基因表达具有调节活性的某些特定序列。,顺式作用元件多位于基因旁侧或内含子中，不 编码蛋

19、白质。,(1)启动子,启动子：是在基因转录启始位点(+1)上游约 100bp左右的一段具有独立功能的序列，为多部 位结构，包含有TATA框、CAAT框及GC框等。,启动子的顺式调控元件,(A)真核生物 (B)原核生物,TATA框(Hogness box)：其中心位置约在启始位 点上游-30bp处，富含A、T。它决定着聚合酶对转 录启始位点的选择，是控制转录的精确性序列。,框内任何一个碱基的替换都将导致强烈的下降突 变。 如：b-珠蛋白。,将兔的b-珠蛋白基因的CAAT框变为GGCCAATCT,其 转录效率仅为原来的12%。,GC框：在-90bp附近的GGGCGG序列。它在启动子中可以有多个拷贝

20、，并以任何方向存在而不影响其作用。,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。,(2)强化子,可通过启动子大幅度提高靶基因转录的频率；,对同源或异源基因同样有效；,位置多样，且其方向与功能无关；,可远距离调控转录启始。,强化子的特性:,强化子主要有两个功能:,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，使强化子与启动 子直接接触,以便通用转录因子、转录激活子、 RNA聚合酶形成转录复合体，从而提高mRNA合 成效率。,DNA环化与转录活性,RNA 聚合酶,RNA 聚合酶,强化子竞争控制基因表达,(3

21、)静止子,静止子：这是一种类似增强子但起负调控作用 的順式作用元件。,静止子可以不受距离和方向的限制，并且能够 调控异源基因的表达。,3.真核基因的反式作用因子,反式作用因子(trans-acting factor)： 由不同染色体上基因编码的、能直接或间接识别或结合順式作用元件核心序列，并参与调控靶基因转录的结合蛋白。,激活子,激活子：是一种与强化子结合的蛋白质，也属于 一种转录因子。,激活子,正激活子,负激活子,促进转录,抑制转录,激活子,真激活子,抗阻遏物激活子,真激活子: 包括DNA结合区域(DNA-binding domain) 和调控激活区域(trans-activating do

22、main) 两个功能区域。,DNA结合域的构型,螺旋-转角-螺旋（HTH),锌指（zinc finger),碱性亮氨酸拉链（bZIP),a-螺旋-转角-a-螺旋(Helix-turn-Helix, HTH),锌指（zinc finger),保守重复序列：Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His,碱性亮氨酸拉链(basic leucin zipper, bZIP),每隔7个氨基酸出现一个亮氨酸，在a-螺旋的 侧面，每两圈出现一个亮氨酸。,抗阻遏物激活子: 通过染色质的重建来 激活基因表达。,改变染色质 结构的方式,通过ATP水解酶-重建 复合体途径,通过组氨酸乙酰转移 酶修饰

23、组氨酸,3.酵母菌乳糖代谢的正调控,与细菌中的lac和ara操纵元相似：无半乳糖时， 基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速 增加1000倍。,4.选择性启动子,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。,5.选择性mRNA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。,6.激素的调控作用,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,果蝇不同发育阶段唾腺第III染色体上的疏松图式,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。,三、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。,其机制： （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,蛋白质折叠 蛋白酶切割 蛋白质的化学修饰 蛋白质内含子加工切除,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。,蛋白质内含子的切割及跳跃,