乳糖操纵子PPT学习教案

1、会计学1 乳糖操纵子乳糖操纵子 2021-7-16 2 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖 、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基 中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖 ，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间 的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁 殖增长。 第1页/共134页 2021-7-16 3 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖 苷酶( -galactosidase)。 第2页/共134页 2021-7-16 4 在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时 ，大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶

2、量极少，加入乳 糖2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶， 其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源 时，菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋 白量的3%。 在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前 ，也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高 的过程。 第3页/共134页 2021-7-16 5 这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极 好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象 ，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学 和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子 （lac operon）学说。 第4页/共134页 2021-7-16 6 乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对

3、其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。 下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵 子的最基本的组成元件（elements）。 第5页/共134页 2021-7-16 7 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可 称为结构基因(structural gene, SG)。一个 操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达 十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅 读框(open reading frame), 5端有起始密 码ATG，3端有终止密码TAA、TGA或TAG。各 结

4、构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基 因群。 第6页/共134页 2021-7-16 8 至少在第一个结构基因5侧具有核糖体 结合位点(ribosome binding site, RBS)， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。 第7页/共134页 2021-7-16 9 乳糖操纵子含有、和3个结构基因 。 基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、 分子量为135

5、,000的多肽，以四聚体形式组成 有活性的-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别 乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄 糖； 第8页/共134页 2021-7-16 10 第9页/共134页 2021-7-16 11 基因5侧具有大肠杆菌核糖体识别结合 位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列 ，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合 在转录产生的mRNA上。 由于、三个基因头尾相接，上 一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的 第10页/共134页 2021-7-16 12 第11页/共134页 2021-7-16 13 第12页/共134页 2021-7-16 14

6、 启动子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶 识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构 基因5侧上游，控制整个结构基因群的转录 。 用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合， 再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解 ，由此可以测出启动子的范围及其序列。 第13页/共134页 2021-7-16 15 操纵区（operator）是指能被调控蛋白 特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近 或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操 纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱 。 第14页/共134页

7、 2021-7-16 16 以前将操纵区称为操纵基因（operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编 码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白 质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作 用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动 子一样，操纵序列就可称为操纵区。operon 译为操纵子，即基因表达操纵的单元之意。 第15页/共134页 2021-7-16 17 以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区 （o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之 间，部分序列与启动子序列重叠。 仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具 有回文（palindrome）样的对称性一级结构， 能形成十字形的茎环

8、（stem loop）构造。不 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。 第16页/共134页 2021-7-16 18 阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后 -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。 最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的 序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中 第17页/共134页 2021-7-16 19 第18页/共134页 2021-7-16 20 调控基因(regulatory gene)是编码能与 操纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有 ： 阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵

9、 区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其 介 导 的 调 控 方 式 为 负 调 控 ( n e g a t i v e regulation)； 第19页/共134页 2021-7-16 21 第20页/共134页 2021-7-16 22 某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调 控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基 因转录的影响，这些特定物质可称为效应物（ effector）。有两种： 诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分 子； 阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能 导致阻遏发生的分子。 第21页/共134页 2021-7-16 23 例如在乳糖操纵子中，调控基因l

10、ac I位 于Plac邻近，有其自身的启动子和终止子，转 录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产 生由347个氨基酸组成的调控蛋白R。 在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分 子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操 纵区紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基 因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白； 第22页/共134页 2021-7-16 24 当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合 ，使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体， 失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解 除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录 合成利用乳糖的酶类。 在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起 到去阻遏作用(dere

11、pression)，诱导了利用乳 糖的酶类基因转录开放。 第23页/共134页 2021-7-16 25 许多调控蛋白都是变构蛋白（allosteric protein），通过与上述类似的方式与效应物结合改 变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达 的作用。 第24页/共134页 2021-7-16 26 终止子（terminator，T）是给予RNA聚 合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子 中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一 个终止子。 第25页/共134页 2021-7-16 27 它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA 链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传 学实

12、验上称为顺式作用（cis-action），启动 子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件（ cis-acting element）。 调控基因可以在结构基因群附近、也可以 远离结构基因，它是通过其基因产物调控 蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同 一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而 且 第26页/共134页 2021-7-16 28 能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗 传学实验上称为反式作用（trans-action）， 调控基因就属于反式作用元件（trans-acting element），其编码产生的调控蛋白称为反式调 控因子（trans-acting factor）。

13、由此也可窥测到基因表达调控机理的关键 在蛋白质与核酸的相互作用上。 第27页/共134页 2021-7-16 29 第28页/共134页 2021-7-16 30 第29页/共134页 2021-7-16 31 第30页/共134页 2021-7-16 32 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时， lac操纵子处于阻遏状态。此基因在其自身的 启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻 遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏 蛋白。R以四聚体形式与操纵子结合，阻碍了 RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的 转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与 第31页/共134页 2021-7-

14、16 33 偶尔解离，使细胞中还有极低水平的半乳糖 苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时，乳糖受 半乳糖苷酶的催 化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四 聚体解聚成单体，失去与的亲和力，与解 离，基因转录开放，使 半乳糖苷酶在细胞 内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对lac操纵 子的诱导作用。 第32页/共134页 2021-7-16 34 箭牌洁具箭牌卫浴银镜AYJ351C-A 箭牌卫浴银镜AYJ203带镜灯 箭牌洁具箭牌卫浴台上盆AP3181A单孔 箭牌洁具箭牌卫浴台上盆AP446-1 第33页/共134页 2021-7-16 35 一些化学合成的乳糖类似物，不受 半 乳糖苷酶的催

15、化分解，却也能与R特异性结合使 R构象变化，诱导lac操纵子的开放。例如异丙 基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside ，IPTG)就是很强的诱导剂；不被细菌代谢而十 分稳定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖 苷）也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被 半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以 用作 半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X- gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工 作中。 第34页/共134页 2021-7-16 36 第35页/共134页 2021-7-16 37 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有 关，当细菌利用葡萄糖分解产生能量

16、时，cAMP 生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境 中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细 菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白 CRP(cAMP receptor protein)，当CRP未与cAMP 结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时， CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化， 称为CAP(CRP-cAMP activated protein)，能以 二聚体的方式与特定的DNA序列结合。 第36页/共134页 2021-7-16 38 在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序 列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合， 称为CAP结合位

17、点（CAP binding site）。CAP 与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活 性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供 分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化， lac操纵子的结构基因表达下降。 第37页/共134页 2021-7-16 39 第38页/共134页 2021-7-16 40 第39页/共134页 2021-7-16 41 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发 生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌 很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性 ，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。lac操纵 子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡 萄糖可供利

18、用。通过这机制，细菌是优先利用 环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时 ，细菌才去充分利用乳糖。 第40页/共134页 2021-7-16 42 细菌对葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖 、半乳糖、麦芽糖等）的利用上也有类似对乳 糖利用的情况，在含有编码利用阿拉伯糖的酶 类基因群的阿拉伯糖操纵子（ara operon）、 半乳糖操纵子（gal operon）中也有CAP结合位 点，CAP也起类似的正性调控作用。所以CAP的 通用名称是分解代谢基因激活蛋白（catabolic gene activator protein）。 第41页/共134页 2021-7-16 43 不难看出：CAP结合位点

19、就是一种起正性调 控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的 调控蛋白激活蛋白，编码CRP的基因也是一 个调控基因，不过它并不在lac操纵子的附近， CAP可以对几个操纵子都起作用。 从上所述，乳糖操纵子属于可诱导操纵子 （inducible operon），这类操纵子通常使是 关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这 类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地 利用环境能提供的能源底物。 第42页/共134页 2021-7-16 44 乳糖操纵子的诱导乳糖操纵子的诱导 第43页/共134页 2021-7-16 45 图例说明： 一些基因调控蛋白可以控制基因转录的开启和 关闭，大肠杆菌的乳糖操

20、纵子就是这样一个双重控 制的例子。葡萄糖和半乳糖的水平控制着乳糖操纵 子转录的起始，决定操纵子是“开”还是“关”。 1.培养大肠杆菌时，如果不加入半乳糖，一个 抑制蛋白就会结合到操纵子上，阻止RNA聚合酶转录 操纵子基因。此时操纵子就处于关闭状态; 2.当加入诱导物半乳糖后，半乳糖就会和抑制 蛋白结合，并改变抑制蛋白的构象使得它不能结合 到操纵子上。只要没有抑制蛋白的结合，RNA聚合酶 就可以识别启动子并转录操纵子的结构基因，得到 mRNA。此时操纵子是开启的。 第44页/共134页 2021-7-16 46 第45页/共134页 2021-7-16 47 色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境

21、 难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁 殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但 是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分 利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸， 以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因 为有色氨酸操纵子（trp operon）的调控。 第46页/共134页 2021-7-16 48 第47页/共134页 2021-7-16 49 合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B 、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其 上游的启动子Ptrp和操纵子的调控，调控基因 trpR的位置远离P-结构基因群，在其自身的 启动子作用下，以组成性方式低水平表达其编 码分子量为47000的

22、调控蛋白R，R并没有与结 合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时 ，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与 特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。 第48页/共134页 2021-7-16 50 因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、 可阻遏的操纵子（repressible operon），即 这操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨 酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不 少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其 调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状 态。 第49页/共134页 2021-7-16 51 实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、 但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度

23、时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低， 而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细 研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的 结构有关。 第50页/共134页 2021-7-16 52 在色氨酸操纵子Ptrp-与第一个结构基因 trpE之间有162bp的一段先导序列（leading sequence，L），实验证明当色氨酸有一定浓度 时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。 这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的 短肽的开放阅读框，其序列中有2个色氨酸相连 ，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点（ RBS）序列，提示这段短开放阅读框在转录后是 能被翻译的。 第51页/共134页 2021-7-16

24、 53 第52页/共134页 2021-7-16 54 图图9-10 色氨酸操纵子的转录与翻译调控色氨酸操纵子的转录与翻译调控 第53页/共134页 2021-7-16 55 第54页/共134页 2021-7-16 56 第55页/共134页 2021-7-16 57 成时，核糖体才进行到1区（或 停留在两个相邻的色 第56页/共134页 2021-7-16 58 。 第57页/共134页 2021-7-16 59 依赖于前导肽翻译中核糖体所 处的位置，而细胞中色氨 第58页/共134页 2021-7-16 60 续进行下去。 第59页/共134页 2021-7-16 61 衰减子作用 第6

25、0页/共134页 2021-7-16 62 第61页/共134页 2021-7-16 63 第62页/共134页 2021-7-16 64 原核基因表达转录水平调控的基本方式： 1. 通过特殊的代谢物调控基因的活性 可诱导调节方式 负调控：阻遏蛋白的调节 正调节：激活蛋白的调节 可阻遏调节方式 第63页/共134页 2021-7-16 65 2.通过衰减方式进行调节； 3.通过异化抑制作用进行调节； 4.应急调节 第64页/共134页 2021-7-16 66 通过异化抑制作用进行调节： 当细菌在含有葡萄糖和其它糖的培养基中生长 时，通常优先利用葡萄糖，而不利用其它糖 。只有当葡萄糖耗尽后，细

26、菌经过一段停滞 期，不久在其它糖的诱导下，合成利用其它 糖的酶类，这种现象称为葡萄糖效应，或叫 异化抑制作用。这种作用也是在转录水平上 进行的。不过葡萄糖对转录的作用并不是直 接的，而是由于葡萄糖降解物抑制了腺苷酸 环化酶活性或活化磷酸二酯酶，使cAMP浓度 降低，造成cAMPCAP浓度不够，使许多分 解代谢酶的基因不能转录。 第65页/共134页 2021-7-16 67 通过异化抑制作用进行调节： 受cAMPCAP系统调节的操纵子，即对葡萄糖降 解物敏感的操纵子，包括许多负责糖分解代 谢的可诱导操纵子，如乳糖、半乳糖、阿拉 伯糖、麦芽糖等的操纵子，以及负责氨基酸 合成代谢的阻遏操纵子，如异

27、亮氨酸、缬氨 酸操纵子。 这一调节机制是积极的，开源式的，有很重要 的意义。 第66页/共134页 2021-7-16 68 应急调节： 当细菌处于十分危急的状态时，比如食物全面 匮乏，这时必须紧缩开支，减少消耗，借以 渡过艰难时期，等待培养条件的改善。为此 必须一下子关闭几乎所有的基因，合成维持 生命最低限度需要的物质基因除外，这种现 象称为严紧控制。 严紧控制造成稳定RNA(rRNA和tRNA）的合成显 著下降。mRNA合成的降低程度较小，而且只 有某些种类的mRNA合成才有降低现象。 第67页/共134页 2021-7-16 69 应急调节： 任何一种氨基酸的缺乏，或突变导致任何一种 氨

28、基酰tRNA合成酶的失活都将引起严紧控 制生长代谢的反应。其调节物质是鸟苷四磷 酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp），它 们是由空载的tRNA诱导活化焦磷酸转移酶而 合成出来的。关于它的作用机制有一些说法 ，这个调节因子可以调节许多基因，是一个 超级的调控因子，其中有两个突出的效应， 一是抑制rRNA操纵子启动子的转录起始作用 ；另一是增加RNA聚合酶在转录过程中的暂 停，因而放慢延长相。 第68页/共134页 2021-7-16 70 第69页/共134页 2021-7-16 71 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆 菌基因组约4106bp，哺乳类基因组在109bp数 量级，比细菌

29、大千倍；大肠杆菌约有4000个基 因，人则约有35万个基因。 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成 染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分 （如线粒体DNA等），这就增加了基因表达调控 的层次和复杂性。 第70页/共134页 2021-7-16 72 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真 核基因组是二倍体。 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串 排列，组成操纵子的基因表达调控的单元，共 同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron) 的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成 一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron), 基本上没有操纵子的结构，而真核细胞的许多

30、活性蛋白是由相同和不同的多肽链形成的亚基 构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题 ，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得 多。 第71页/共134页 2021-7-16 73 原核基因组的大部分序列都为基因编码， 而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组的中仅 约10%的序列是编码蛋白质或rRNA、tRNA等的基 因，其余约90%的序列功能至今还不清楚。 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大 多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码的基 因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和 内含子(intron)，在转录后经剪接(splicing) 去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这 就增加了基因表

31、达调控的环节。 第72页/共134页 2021-7-16 74 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷 贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组中则存 在大量重复序列(repetitive sequences)。用 复性动力学等实验表明有三类重复序列： 高度重复序列(high repetitive sequences),这类序列一般较短，长10-300bp， 在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组 DNA序列总量的10-60%，人的基因组中这类序列 约占20%，功能还不明了。 第73页/共134页 2021-7-16 75 中度重复序列(moderate repetitive sequen

32、ces)，这类序列序列多数长100-500bp， 重复101-105次，占基因组10-40%。例如哺乳类 中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp ，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复 3-5105次，在人的基因组中约占7%，功能也 还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因 重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因 重复1300次，5种组蛋白的基因串连成族重复 30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围 。 第74页/共134页 2021-7-16 76 单拷贝序列(single copy sequences)。 这类序列基本上不重复，占哺乳类基因

33、组的50- 80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生 物生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中 都不重复，是单拷贝的基因。 第75页/共134页 2021-7-16 77 从上述可见真核基因组比原核基因组复杂 得多，至今人类对真核基因组的认识还很有限 ，即使现在国际上制订的人基因组研究计划（ human gene project）完成，绘出人全部基因 的染色体定位图、测出人基因组3109bp全部 DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相 互关系、特别是要明了基因表达调控的全部规 律，还需要经历很长期艰巨的研究过程。 第76页/共134页 2021-7-16 78 第77页/共134页

34、 2021-7-16 79 真核生物和原核生物基因表达的对比真核生物和原核生物基因表达的对比 第78页/共134页 2021-7-16 80 如前所述：基因表达是基因经过转录、翻 译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。同 原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达 调控的主要环节。但真核基因转录发生在细胞 核（线粒体基因的转录在线粒体内），翻译则 多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增 加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有 了更多的分量。 第79页/共134页 2021-7-16 81 真核细胞在分化过程中会发生基因重排（ gene rearrangement），即胚原性基因组中某 些基因

35、会再组合变化形成第二级基因。例如编 码完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育 过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基 因经选择、组合、变化、与恒定区基因一起构 成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表 达的基因。这种基因重排使细胞可能利用几百 个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达 109种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表 达调控机理。 第80页/共134页 2021-7-16 82 此外，真核细胞中还会发生基因扩增（ gene amplification），即基因组中的特定段 落在某些情况下会复制产生许多拷贝。最早发 现的是蛙的成熟卵细胞在受精后的发育程中其 rRNA基因（可称为rD

36、NA）可扩增2000倍，以后 发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这很 显然适合了受精卵其后迅速发育分裂要合成大 量蛋白质要求有大量核糖体的需要。 第81页/共134页 2021-7-16 83 真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组 蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质 中DNA和组蛋白的结构状态都影响转录。 第82页/共134页 2021-7-16 84 染色质结构影响基因转录 细胞分裂时染 色体的大部分到间期时松开分散在核内，称为 常染色质（euchromatin），松散的染色质中的 基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期 后不像其他部分解旋松开，仍保持紧凑折叠的 结构，在间期核

37、中可以看到其浓集的斑块，称 为异染色质（hetrochromatin），其中从未见 有基因转录表达；原本在常染色质中表达的基 因如移到异染色质内也会停止表达；哺乳类雌 体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质 者，这条X染色体上的基因就全部失活。可见紧 密的染色质结构阻止基因表达。 第83页/共134页 2021-7-16 85 第84页/共134页 2021-7-16 86 第二类遗传信息的。 第85页/共134页 2021-7-16 87 在真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低， 基本上不能独靠其自身来起始转录，而是需要 依赖多种激活蛋白的协同作用。真核基因调控 中虽然也发现有负性调控元

38、件，但其存在并不 普遍；真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻 遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以 激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有 调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要 有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基 因表达以正调控为主导。 第86页/共134页 2021-7-16 88 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。 第87页/共134页 2021-7-16 89 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(pr

39、omoter)、增强子(enhancer)；近年又 发 现 起 负 调 控 作 用 的 元 件 沉 默 子 (silencer)。 第88页/共134页 2021-7-16 90 与原核启动子的含义相同，是指RNA聚合酶 结合并起动转录的DNA序列，但真核不同启动子 间不像原核那样有明显共同一致的序列，而且 单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录，而是 需要多种蛋白质因子的相互协调作用，不同蛋 白质因子又能与不同DNA序列相互作用，不同基 因转录起始及其调控所需的蛋白因子也完全相 同，因而不同启动子序列也很不相同，要比原 核更复杂、序列也更长。 第89页/共134页 2021-7-16 91

40、 真核启动子一般包括转录起始点及其上游 约100-200bp序列，包含有若干具有独立功能的 DNA序列元件，每个元件约长7-30bp。最常见的 哺乳类RNA聚合酶启动子中的元件序列见下表 。 第90页/共134页 2021-7-16 92 表 哺乳类RNA聚合酶启动子中常见的元件 元件名称元件名称共同序列共同序列 结合的蛋白因子名称结合的蛋白因子名称 分子量分子量 结合结合DNA长度长度 TATA boxTATAAAA TBP 30,000 10bp GC box GGGCGG SP-1 105,000 20bp C A A T box GGCCAATCT CTF/NF1 60,000 22b

41、p 第91页/共134页 2021-7-16 93 启动子中的元件可以分为两种: 核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小 的DNA序列，包括转录起始点及其上游-25/- 30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能 确定转录起始位点和产生基础水平的转录。 第92页/共134页 2021-7-16 94 上游启动子元件(upstream promoter elements) 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和 GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这 些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转 录效率。不同基因具有不同的上游启动

42、子元件 组成，其位置也不相同，就使得不同的基因表 达分别有不同的调控。 第93页/共134页 2021-7-16 95 ) ) 是一种能够提高转录效率的顺式调控元件 ，最早是在SV40病毒中发现长约200bp的一段 DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在 多种真核生物、甚至在原核生物中都发现了增 强子。增强子通常占100-200bp长度，也和启动 子一样由若干组件构成，其基本核心组件常为 8-12bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。 增强子的作用有以下特点： 第94页/共134页 2021-7-16 96 增强子提高同一条DNA链上基因转录效率 ，可以远距离起作用，通常可距离1-4k

43、b、个别 情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用， 而且在基因的上游或下游都能起作用。 增强子的作用与其序列的正反方向无关 ，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动 子倒置就不能起作用，可见增强子与启动子是 很不相同的。 第95页/共134页 2021-7-16 97 增强子要有启动子才能发挥作用，没有 启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子 对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以 影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强 子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时，可 能够增强整合区附近宿主某些基因的转录；当 增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移 到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因

44、转 录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。 第96页/共134页 2021-7-16 98 增强子的作用机理虽然还不明确，但与 其他顺式调控元件一样，必须与特定的蛋白质 因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子 一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在 某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或 组织中具有特异性蛋白质因子所决定的。 第97页/共134页 2021-7-16 99 最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的T 抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控 顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低 或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有 的例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的 影响，也能

45、远距离发挥作用，并可对异源基因 的表达起作用。 第98页/共134页 2021-7-16 100 以反式作用影响转录的因子可统称为转录 因子（transcription factors，TF）。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。 第99页/共134页 2021-7-16 101 表 RNA聚合酶的基本转录因子 转录因子转录因子分子量分子量(kD)功能功能 TBP30与与TATA盒结合盒结合 TF-B33介导介导RNA聚合酶聚合酶的

46、结合的结合 TF-F30,74解旋酶解旋酶 TF-E34,37ATP酶酶 TF-H62,89解旋酶解旋酶 TF-A12,19,35稳定稳定TF-D的结合的结合 TF-I120促进促进TF-D的结合的结合 第100页/共134页 2021-7-16 102 以前认为与TATA盒结合的蛋白因子是TF- D，后来发现TF-D实际包括两类成分：与TATA 盒结合的蛋白是TBP（TATAbox binding protein），是唯一能识别TATA盒并与其结合的 转录因子，是三种RNA聚合酶转录时都需要的； 其他称为TBP相关因子TAF（TBP-associated factors），至少包括8种能与T

47、BP紧密结合的因 子。 第101页/共134页 2021-7-16 103 作为蛋白质的转录因子从功能上分析其结 构可包含有不同区域：DNA结合域（DNA binding domain），多由60-100个氨基酸残基 组 成 的 几 个 亚 区 组 成 ； 转 录 激 活 域 （ activating domain），常由30-100氨基酸残基 组成，这结构域有富含酸性氨基酸、富含谷氨 酰胺、富含脯氨酸等不同种类；连接区，即 连接上两个结构域的部分。 第102页/共134页 2021-7-16 104 与DNA结合的转录因子大多以二聚体形式 起作用，与DNA结合的功能域结构常见有以几种 ：螺旋

48、-转角-螺旋（helix-turn-helix ，HTH）及 螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix ，HLH） 这类结构至少有两个螺旋其间由短 肽段形成的转角或环连接，两个这样的motif结 构以二聚体形式相连，距离正好相当于DNA一个 螺距（3.4nm）,两个螺旋刚好分别嵌入DNA的 深沟。 第103页/共134页 2021-7-16 105 图 HTH结构及其与DNA的结合 第104页/共134页 2021-7-16 106 锌指（zinc finger） 其结构如下图 所 示，每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸 残基，锌以4个配价键与4个半胱氨酸、或2个半 胱氨酸和2个组

49、氨酸相结合。整个蛋白质分子可 有2-9个这样的锌指重复单位。每一个单位可以 其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸 。例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的 3个锌指重复结构。 第105页/共134页 2021-7-16 107 图 蛋白质的锌指结构 第106页/共134页 2021-7-16 108 碱性-亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP） 这结构的特点是蛋白质分子的 肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结 果就导致这些亮氨酸残基都在螺旋的同一个 方向出现。两个相同的结构的两排亮氨酸残基 就能以疏水键结合成二聚体，这二聚体的另一 端的肽段富含碱性

50、氨基酸残基，借其正电荷与 DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。 第107页/共134页 2021-7-16 109 第108页/共134页 2021-7-16 110 从上述可见：转录调控的实质在于蛋白质 与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用，构象 的变化正是蛋白质和核酸“活”的表现。但对 生物大分子间的辨认、相互作用、结构上的变 化及其在生命活动中的意义，人们的认识和研 究还只在起步阶段，其中许多内容甚至重要的 规律我们可能至今还一无所知，有待于努力探 索。 第109页/共134页 2021-7-16 111 真核生物基因组中只有10%的基因是工作的 ，而且，真核细胞有高度的分化，各个

51、细胞并 不表达全部的基因。因此，在基因表达之前， 真核基因组要进行一系列的调整，即通过改变 DNA序列和染色质结构从而影响基因表达，使该 表达的基因进入工作状态，而不该表达的基因 则被很好地安置，以免干扰了整个机体的代谢 ，这就是转录前的调节，包括五个方面： 第110页/共134页 2021-7-16 112 这是一种用激烈手段来处理掉不转录基因 的方法。在胚胎发生时，已决定了一些细胞将 要发育为种细胞，为了保持物种在遗传上的稳 定性，而保留完整的基因组，不会被削减掉。 但对于发育成体细胞的来说，它们只需保存生 活必须的基因，其它无关基因可以削减去除。 第111页/共134页 2021-7-1

52、6 113 第112页/共134页 2021-7-16 114 为了得到大量的专一的基因产物，一是调 节基因的工作量，使一个基因能产生出许多的 基因产物来，这也叫蛋白质合成的放大。另一 种方式是增加这个基因的拷贝数，即基因的扩 增。 第113页/共134页 2021-7-16 115 某些脊椎动物和昆虫的卵母细胞，在分裂 时要合成大量的蛋白质，这需要大量的核糖体 。尽管作为核糖体主要成分的rRNA的基因是中 度重复顺序，但此时仍嫌不够，于是rDNA基因 必须扩增。例如非洲爪蟾的二倍体卵母细胞发 育到四倍体时，rDNA扩增了二千多倍。这时细 胞核的核仁数目也由4个变成6001000个。由 于rD

53、NA的扩增，使每个卵母细胞迅速蓄积起105 个核糖体。如果没有基因的放大，要在一个细 胞中积累105个核糖体，就需要500年的时间。 第114页/共134页 2021-7-16 116 rDNA扩增的机制被认为带有rDNA的核小体 从染色体上掉下来，然后rDNA与组蛋白分离， rDNA再以原核生物DNA复制的方式滚动环复 制大量复制自己。当然rDNA扩增只发生在 卵生成时，一旦细胞分裂完成，rDNA就不再扩 增，扩增的便逐渐消失，而以正常的状态工作 。 另外有些体细胞（如癌细胞）基因，在某 种选择压力下也会被迫扩增。有些基因在进化 过程中就已经扩增了许多倍。 第115页/共134页 2021-

54、7-16 117 基因重排是基因表达调节控制的重要方式 之一。 基因重排会导致基因的活化。比如，许多 原致癌基因在它们处于原先的染色体时，是不 活化的。一旦发生基因重排，这些基因由一个 染色体转座到另一个染色体时，就被激活，而 最终导致细胞的癌变。如cmyc基因在人第八 号染色体上面时，是无活性的。但当它转座到 第14号染色体时就活化了，产生cmyc蛋白， 第116页/共134页 2021-7-16 118 第117页/共134页 2021-7-16 119 抗体分子由两条轻链（L）和两条重链（H）所 组成，它们分别由三个独立的基因族所编码， 分别位于不同染色体上。轻链包括可变区、恒 定区以及

55、二者之间的连接区。每个区域都由位 于同一染色体不同位置的DNA片段编码，在形成 活性基因前，一个可变区基因和一个恒定区基 因及其上游的某一个连接区通过染色体内重组 而连到一起。 第118页/共134页 2021-7-16 120 对于重链，除上述三区外，还包括一个介 于可变区和连接区之间的歧化区，歧化区由同 一染色体上另一DNA片段中几个患联的D编码， 重链活性基因的形成涉及到将这些区通过染色 体内重组而连接起来。除可变区外，歧化区和 连接区也是增加特异性抗体数目的因素，因此 淋巴细胞可根据抗原的不同情况，连接不同的 可变区、歧化区和连接区使细胞产生各种不同 的特异抗体，也使淋巴细胞发生了分化。 第119页/共134页 2021-7-16 121 真核生物的DNA是与蛋白质结