基因表达的调控(2)课件

1、第十四章 基因表达的调控 原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调控得以实现。 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控，一般以转录水平上的调控为主。DNADNA水平水平 基因丢失；基因丢失；基因扩增基因扩增基因重排；基因重排；甲基化修饰；甲基化修饰；染色质的结构状态染色质的结构状态RNARNA水平水平转录水平调控转录水平调控；RNARNA的转录后加工；的转录后加工；mRNAmRNA从核内向胞浆转运；从核内向胞浆转运；mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质水平蛋白质水平翻译过程；翻译过程；翻译后加工；翻译后

2、加工；蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性一、 转录水平的调控操纵子 原核生物的基因调控可以发生在转录和翻译等不同阶段，但也是以转录水平为主。 原核生物许多功能相关的结构基因，特别是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成簇排列，能受单一启动子的共同控制，结果是整簇基因或者都表达或者都不表达。第一节 原核生物的基因表达调控 1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达调控的模型操纵子学说，解释了原核生物的基因表达在转录水平上是如何调控的。 操纵子（operon）就是由操纵基因（operator）以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位。操纵子还包括一个结合RNA聚合酶的启动子。 操纵基因是位于操纵子前

3、端部分的顺式控制元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构基因的转录。阻遏蛋白是调节基因的表达产物，是参与操纵子调节的反式作用因子。 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个启动子开始转录成单个mRNA分子。1.反式作用因子与顺式作用元件 基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作用（trans-acting），此基因表达产物被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。 反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥作用。 顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发

4、挥DNA序列的作用，仅影响与其物理上相连的DNA序列的活性。 顺式作用元件（cis-acting factor）是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。l基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互作用而实现。2. 结构基因和调节基因 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码大量的功能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结构蛋白和酶等。 调节基因（regulator gene）仅指参与其他基因表达调控的RNA

5、和蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合而控制受调节基因的转录是基因表达调控的关键。3. 启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序列，称为启动子（promoter）和终止子（terminator）。两者都是典型的顺式作用元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合酶的识别。4.操纵基因和阻抑蛋白操纵基因（operator）是与启动子相邻的顺式作用位点，是阻遏蛋白的靶点。阻遏蛋白（repressor）是调节基因的产物，与操纵基因的结合可以阻止受调节基因的表达。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，就会阻止RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关闭。在无阻抑蛋白时，RNA聚

6、合酶可以识别受调节基因的启动子，使这种基因得到表达。5. 转录因子 转录因子（transcription factor ）是转录起始过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子是参与正调控的反式作用因子，在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。 转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。（一）、乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个结构基因成簇排列，编码参与-半乳糖苷（如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质：lacZ编码-半乳糖苷酶，lacY编码-半乳糖苷透性酶，lacA编码-半乳糖苷转乙酰基酶。 lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻，但它不

7、与结构基因属于同一转录单位，它有自己独立的转录单位，含有自己的启动子和终止子。 lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达产物属于反式作用因子。 lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白（lac repressor）。它的功能是阻止结构基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属于负调控。 阻遏蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基因（O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动子的转录起始而发挥作用。负调控负调控 negative regulationnegative regulation在没有调节蛋白质存在时基因是

8、表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统 。其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 两种类型：负控诱导和负控阻遏正调控正调控 positive regulationpositive regulation在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) )两种类型两种类型: :正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统诱导一些基因在特殊

9、的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化.可诱导调节可诱导调节可阻遏调节可阻遏调节一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时lCAPCAP的正调控的正调控ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMP对操纵子转录的激活作用对操纵子转录的激活作用 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌体内cAMP的

10、水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌体内cAMP的水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。cAMP对操纵子转录的激活作用 在细菌中，cAMP与CAP（catabolite activator protein，CAP）二聚体结合形成二元复合物共同发挥作用。只有cAMP存在时，CAP才有活性。 CAP是一个正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。cAMP下降，CAP就不能与控制区结合，RNA聚合酶就不能启动转录。CAP激活转录有两种方式： 第一种方式是直接作用于RNA聚合酶。CAP直接作用于RNA聚合酶的亚基，而且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。 另一种是作用于DNA改变其结构，以协助RNA聚合酶的结合。在CAP-DNA复合物中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对称的中心。CAP结合以后，DNA双螺旋结构有很大的变化。可诱导的负调控可诱导的正