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第十四章基因表达的调控 每个细胞都含有整套遗传密码 只是这本密码在每个细胞中并不全部译出应用 而是不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译 为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间 才呈现活化状态 而在它不应该发挥作用的时间和细胞内 则处于不活化的状态呢 这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控 第一节基因的概念与发展一 经典遗传学 孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 1909年约翰生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 结构单位重组单位基因突变单位功能单位 二 现代遗传学基因是DNA分子上的一定区段 携带有特殊的遗传信息 可转录 翻译 可对其他基因起调节作用突变子 突变的最小单位基因重组子 交换的最小单位顺反子 作用子 功能单位 根据基因结构和功能将基因分为 1 结构基因 可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列 2 调控基因 其产物参与调控其他结构基因表达的基因 3 重叠基因 指同一段DNA的编码顺序 由于阅读框架 ORF 的不同或终止早晚的不同 同时编码两个或两个以上多肽链的现象 4 隔裂基因 指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序 如内含子所隔裂的现象 5 跳跃基因 可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列 有人将它作为转座子的同义词 6 假基因 同已知的基因相似 但位于不同位点 因缺失或突变而不能转录或翻译 是没有功能的基因 三 顺反测验及基因的微细结构互补作用与互补测验 顺反测验 假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2 具有类似的表型 如何判断它们是属于同一个基因的突变 还是分别属于两个基因的突变 即如何测知其是等位基因 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 顺反测验 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 图14 3突变噬菌体之间的互补测验 第二节原核生物的基因调控DNA元件 DNA上一段顺序 作为一种原位顺序具有特殊的功能 由于它只能作用同一条DNA 故称顺式作用元件 顺式作用位点通常总是在靶基因的上游反式作用因子 调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶上 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 5正调控和负调控 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 1946 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 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14 6乳糖操纵元模型 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 乳糖操纵元的正调控除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外 其他因子也能有效地抑制lacmRNA转录 这个因子的活性与葡萄糖有关 葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性 腺苷酸环化酶催化ATP前体 cAmp cAmp 代谢激活蛋白 CAP cAmp CAP复合物 作为操纵元的正调控因子 当cAmp CAP复合物二聚体插入到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 在葡萄糖存在时 不能形成cAmp 也就无操纵元的正调控因子cAmp CAP复合物 因此基因不表达 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 色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因 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 色氨酸供应不足时 发生转录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 因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 1 阻遏物trpR由相距较远的阻遏物基因编码 无辅基阻遏物 trp 活性无辅基阻遏物 色氨酸复合物 与操纵子结合 阻止转录2 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 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始衰减子与衰减作用 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 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mRNA5 端非翻译区 也包括启动子区域的Shine Dalgarno SD 序列 2 反义RNA调控反义RNA可与目的基因的5 UTR互补配对 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 第三节真核生物的基因调控真核生物基因调控比原核生物复杂 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 染色质水平调控1 异染色质化常染色质变成异染色质也是真核生物的一种表达调控的途经 2 组蛋白质修饰和非组蛋白的作用组蛋白 若被组蛋白覆盖的基因要表达 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 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 在基因表达调节 细胞分化控制以及生物的发育中起着很重要的作用 3 DNA酶的敏感区域超敏感区域 位点 具有转录活性基因周围的DNA区域有一个中心区域 对DNA聚合酶 高敏感这些位点或区域将首先受到DNA聚合酶 的剪切 DNA暴露区域 转录起始点附近 4 核基质蛋白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 二 DNA水平的调控1 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 2 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 但是一些基因调控的重要机制 图14 14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 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 V C 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 可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子 3 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 甲基化降低转录效率 三 转录水平的调控1 顺式作用元件 1 启动子与转录因子同原核生物一样 真核生物基因启动子包括所有顺式调控元件及RNA聚合酶识别位点 可以起始转录形成RNA 转录因子 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 图14 16真核生物5 端的顺式调控元件 2 增强子转录增强子 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 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 以便通用转录因子 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 18转录复合体 2 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 蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的修饰等 图14 19 螺旋 转角 螺旋 图14 20由Cys His与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型 a 模式图 b 与DNA结合 一个手指与DNA大沟结合 图14 21亮氨酸拉链二聚体 a 模式图 b 与DNA结合时的剪刀状构型 酵母菌半乳糖代谢的正调控酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac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 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植物的种子可以贮存很多年 一旦条件合适 即可发芽 1 mRNA运输 运输控制是对转录本从细胞核运送到细胞质中的