分子遗传学第五章基因表达的调控

1、第五章第五章 基因表达的调控基因表达的调控 基因表达调控可在几个不同水平上进行。基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，人类人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其决眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其决不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，各种特各种特定细胞能阻遏不同类别基因的表达。定细胞能阻遏不同类别基因的表达。 基因表达的调控对生物是极端重要的。基因

2、表达的调控对生物是极端重要的。 1真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。 2细菌具有阻遏基因表达的能力。 在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件：（1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；（）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；（2）对应该）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。第一节第一节 基本的调控路线基本的调控路线乳糖操纵子的调控一、原核生物的操纵子学说乳糖操纵子 乳糖代谢中的酶和基因乳糖代谢中的酶和基因（

3、1）透性酶permease：能使乳糖进入细胞（Y）（2）半乳糖苷酶galactosidase：水解乳糖为葡萄糖和半乳糖（Z）（3）转乙酰基酶transacetylase（A） 三种酶的基因转录成一条三种酶的基因转录成一条mRNA，称多，称多顺反子的顺反子的 mRNA（polycistronic）。）。 Repressor genePromoter Operator-galactosidase genePermeasegeneTransacetylase geneRegulatory regionStructure gene I P O lacZ lacY lacALac operon1961年

4、法国科学家年法国科学家Jacob和和Monod发现大肠杆菌在含发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会合成大量的有乳糖的培养基中会合成大量的-半乳糖苷酶，使乳半乳糖苷酶，使乳糖水解，在没有乳糖的环境中不产生糖水解，在没有乳糖的环境中不产生-半乳糖苷酶。半乳糖苷酶。从而提出了乳糖操纵子学说来解释从而提出了乳糖操纵子学说来解释-半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因表达调控的问题表达调控的问题The structural genes of the loc operon are transcribed into a single polycistronic mRNA ,which is traslated simu

5、lated simultaneously by several ribosmes into the three enzmes encoded by the operon. 乳糖操纵子乳糖操纵子 The components of the wild-type lac operon and the response in the absence and the presence of lactose, 1操纵基因（操纵基因（Operator，简称，简称O），），起到基因开关的作用。2启动基因（启动基因（Promoter，简称，简称P），），是RNA聚合酶结合的部位，能起动ZYA基因的表达，POZY

6、A在DNA上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子(operon)。3调节基因（调节基因（I基因），基因），能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶启动的转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因O区。使操纵子关闭。如何开启操纵子表达如何开启操纵子表达？当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与操纵基因O区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的RNA聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达，合成相应的三种酶。二、其它基因二、其它基因I基因：编码阻遏蛋白，能阻断ZYA基因

7、的表达。O操纵基因operator：是DNA上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化的转录起动。启动基因promoter* 操纵子操纵子operon：是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动基因，操纵基因和转录成一条动基因，操纵基因和转录成一条mRNA分子的几个相邻接的基分子的几个相邻接的基因组成的功能单位。因组成的功能单位。POZYA。三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能1能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；2能识别乳糖或乳糖类似物，当阻遏物与乳糖或类似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵

8、基因的亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。 对Lac系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。半乳糖苷酶(galactosidase)水解乳糖为葡萄糖和半乳糖The catabolic conversion of the disaccharide lactose into its monosaccharide units, galactose and glucose导致Lac基因表达的乳糖类似物诱导物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG) The gratuitous inducer isopropylthiogalactoside 第二节第二节 乳糖系

9、统的发现乳糖系统的发现负负调控调控50年代Jacob和Monod对E.coli乳糖代谢中的酶进行详细的遗传分析，这是基因表达调控研究的第一个重大突破。一、共同调控的基因 在染色上Z、Y、A三个基因是紧密连接的。这一组连续的基因产生的mRNA是一个多顺反子mRNA分子。多顺反子的mRNA的转录和它的转译是以同一方向进行的。 极性突变（极性突变（polar mutation）：）：不但能影响突变位不但能影响突变位点上的那个基因，而且会降底或消除下游更远一些基点上的那个基因，而且会降底或消除下游更远一些基因的表达。因的表达。如Lac多顺反子中Z基因的无义突变会降底Y、A基因的表达。二、I 基因 控制

10、Lac酶的可诱导性的区域。 I+ 的细胞只能在有一种诱导物存在时才能的细胞只能在有一种诱导物存在时才能正常合成正常合成Lac酶；酶； I 的细胞不管诱导物存在与否都能合成的细胞不管诱导物存在与否都能合成Lac酶，这种突变体称为组成型突变体（酶，这种突变体称为组成型突变体（constitutive mutant）。）。I 的细胞不管诱导物存在与否都能合成的细胞不管诱导物存在与否都能合成Lac酶，这种突变酶，这种突变体称为组成型突变体（体称为组成型突变体（constitutive mutant）三、阻遏物1E.coli的F因子带有Lac区。可以作互补试验：反式时，I+对I为显性。试验结果： 单倍体

11、和杂合性二倍体中半乳糖苷酶和透性酶的合成菌株基因型半乳糖苷酶透性酶非诱导 诱导 非诱导 诱导123456I+Z+Y+IZ+Y+I+ZY+ / FIZ+Y+IZY+ / FI+Z+YIZY+ / FIZ+Y+（I Z Y）/ FIZ+Y+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2Iocob发现另一种突变体 IS 能抑制乳糖或其类似物对Lac酶的诱导作用。这是因为IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点，从而破坏了与诱导物的结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。 IS反式时对I+和I都为显性。 IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点

12、，破坏了与诱导物的结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。The response of the lac operon in the presence of lactose in a cell bearing the Is mutation. 15-7基因型诱导半透性酶NoneI+Z+Y+IPTG+NoneISZ+Y+IPTGNoneISZ+Y+ / FI+IPTGNoneISZ+Y+ / FIIPTG野生型和I的不同等位基因的菌株中Lac酶的合成 四、操纵基因和操纵子 1阻遏物怎样阻断Lac酶的合成？ Jacob推测有一操纵基因，靠近它所调控的一串基因。*

13、在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成，这种突变称为操纵基因组成型突变酶照常合成，这种突变称为操纵基因组成型突变OC(constitutive）。）。 2Lac操纵子的表达是在Lac阻遏物的负调控下进行的。在没有诱导物时，Lac阻遏物通常抑制Lac酶的产生。*在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成。这种突变称为操纵基因组成型突变OC（constitutive）。15-6 b 半透 性 酶基 因 型None IPTGNone IPTGO+Z+Y+ + +O+Z+Y+ / FO+ZY+ + +OC Z+Y

14、+ + +O+Z+Y / FOCZ+Y+ + +O+Z+Y+ / FOCZY+ + +O+ZY+ / FOCZ+Y+ + +IS O+Z+Y+ / FI+OC Z+Y+ + +单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体Lac酶的合成情况 五、阻遏物和操纵基因的鉴定 1Lac阻遏物是具有两种识别位点的蛋白，一个位点识别诱导物分子，另一位点识别Lac操纵基因的DNA序列。阻遏物与诱导物结合，改变了阻遏蛋白的构型，从而改变了对操纵基因的亲合力。 2. Gilbert用用DNA酶处理已结合有阻遏物的酶处理已结合有阻遏物的DNA分子，结果分子，结果得到了没有被得到了没有被DNase降解的降解的DNA短片段短片段操

15、纵基因区。操纵基因区。操纵基因发生单个碱基的变化就会使阻遏物无法识别。5, T G G A A T T G T G A G C G G A T A A C A A T T 3,3, A C C T T AA C A C T C G C C T A T T G T T A A 5,* A T G T T A C T T A C A A T G ALac操纵基因的序列和8个OC突变体Oc mutations六、Lac系统中各种突变的综合分析 1Z、Y基因的突变为Lac表型，在二倍体试验中Z、Y为隐性，只要有一个Z+和Y+就能满足Lac+表型要求。 2使阻遏物失去功能的I基因突变为I，不论是否有诱导

16、物，I菌株都能正常合成Lac酶，所以称为组成型突变。在二倍体试验中，I为隐性，因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，lac表达受阻。 问：如果有诱导物，结果怎样？无活性阻遏物I+ P+ O+ Z+ Y+ P+ O+ Z+ Y+ I _ R在二倍体试验中，I为隐性，因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，lac表达受阻。活性阻遏物3另一种不同的I基因突变型是一种诱导无效的突变型，称超阻遏突变型IS。 IS产生的阻遏物上与诱导物结合的位点发生产生的阻遏物上与诱导物结合的位点发生了变化，使诱导物不能与阻遏物相结合。了变化，使诱导物

17、不能与阻遏物相结合。IS的的细胞表型为细胞表型为Lac，因为因为IS产生的阻遏物总是结产生的阻遏物总是结合到操纵基因上，即使有诱导物存在也无法结合到操纵基因上，即使有诱导物存在也无法结合到这种阻遏物上。合到这种阻遏物上。IS对对I+，I都为显性。都为显性。 RS P+ O+ Z+ Y+ I S I+ P+ O+ Z+ Y+ I诱导物不能与阻遏物相结合 R I在一个二倍细胞中，RS阻遏物能结合到两者的操纵基因上，即使有诱导物，IS / I+二倍体也为Lac。4操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性显性：对同一染色体上直接与其相邻接的那些基因呈显性。 如一个O

18、c和O+位于同一细胞中，那么阻遏物只能识别O+，并抑制与O+相邻接的ZY基因表达，但阻遏物不会识别Oc，即使无诱导物，与Oc相邻接的Z、Y基因也能表达。Oc的含义说明其总是激活状态，的含义说明其总是激活状态，总是总是Lac+表型，为组成型表达。表型，为组成型表达。 I+ P+ O+ Z+ Y+ I+ P+ OC Z+ Y+ R阻遏物不能识别Oc 表 达 受 阻 即使无诱导物也能表达操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性，Oc和的含义说明其总是激活状态，总是Lac表型，为组成型表达。 5启动基因突变( P )使RNA聚合酶无法识别，从而阻断转录起动，P为顺式显性(Cisdominant)。 6

19、负调控：凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能不能实现，而这一成分的消失或失活使这一功能得以实现。 正调控：凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现。第三节第三节 Lac操纵子操纵子的分解物阻遏的分解物阻遏_正调控正调控1细胞具有优先吸收和利用葡萄糖的特异性酶，如果同时存在乳糖和葡萄糖，只有葡萄糖利用完后才会有半乳糖苷酶的诱导合成。2葡萄糖的某些分解物能抑制Lac操纵子的激活，称为分解物阻遏作用（catabolite repression）。当葡萄糖浓度很高时，细胞内环AMP的浓度较低；随葡萄糖消耗，环AMP浓度增加；Lac操纵子的激活需要高浓度的c

20、AMP。3不能将AMP转化为环AMP的突变体不能被乳糖诱导产生半乳糖苷酶。另一种突变体虽然能产生cAMP，但不能激活Lac酶，因为它还缺少由crp基因产生的CAP蛋白（Catabolic activator protein）。Lac操纵子的激活需要操纵子的激活需要CAP和和cAMP形成的复合体：形成的复合体： 葡萄糖 ATP cAMP CAPcAMP crp 基因 CAP 复合体 突变 对Lac操纵子 激活是必需的 Lac操纵子的分解物阻遏调控当CAPcAMP形成复合体时，Lac操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制cAMP,Lac操纵子就不能正常表达。当CAPcAMP形成复合体时，Lac

21、操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制了cAMP或由于crp基因突变阻断了CAP的形成，Lac操纵子就不能正常表达。结论：Lac操纵子的表达需要CAPcAMP复合体，是一种正调控（凡是某一细胞成分的存在正调控（凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现或失活使这一功能不能实现）。）。 第四节第四节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控 1960年Jacob 和Monod发现E.coli的操纵子是人们认识基因表达调控的第一步。在真核细胞中也有在乳糖操纵子中发现的某些调控因子，但真核细胞具有更为复杂的基因调

22、控系统。在多细胞的真核生物中，基因表达的分化调节是细胞分化和行使功能的核心，其中心问题是：一个有机体是怎样在一中心问题是：一个有机体是怎样在一类细胞中表达一组基因，而在另一类细类细胞中表达一组基因，而在另一类细胞中又怎样表达不同的一组基因？胞中又怎样表达不同的一组基因？在细胞水平上，这种调节作用不能单靠消除无用的信息就能达到的。相反，往往要涉及到激活基因组的特定部位，并且遏制其他基因的表达。 激活和遏制特定部位的基因需要有激活和遏制特定部位的基因需要有机体提供精细的平衡作用，在错误机体提供精细的平衡作用，在错误的时间，错误的细胞类型中表达一的时间，错误的细胞类型中表达一种基因，即使基因本身是正

23、常基因，种基因，即使基因本身是正常基因，但表达量不正常都可导致另样的表但表达量不正常都可导致另样的表型或死亡。型或死亡。为什么在真核生物中的基因调控要比原核中来得复杂? 1. 真核细胞比原核细胞具有较多的遗传信息，它们的DNA与组蛋白和其他蛋白组成染色质。这些染色质的结构打开后（去凝结）会利于转录，凝结后又不利于转录，这在基因表达中是重要的因子。 2. 在真核细胞中，转录在时间和空间上与转译是分开的；转录发生在核中，转译发生在胞质中，因此，mRNA必须从核中运送到细胞质中才能进行蛋白质的合成。 3.在运送出细胞质之前，真核基因的转录本要进行加工并切割。 4.真核生物的mRNA的半衰期要比原核的

24、长，假如在原核中关闭转录，其mRNA会在几分钟内衰退，转译就会停止。真核不会。 5.大多数真核生物是具有分化大多数真核生物是具有分化类型的多细胞的有机体，这些不同类型的多细胞的有机体，这些不同类型的细胞虽然它们都会有完整的类型的细胞虽然它们都会有完整的基因组，但会特异性地利用不同的基因组，但会特异性地利用不同的重叠基因制造不同的蛋白。重叠基因制造不同的蛋白。由于上述原因，真核生物基因表达会受到许多不同方式的调控，如图。包括（1）转录；（2）pre-mRNA的加工和切割，即转录后调控；（3）运送 至 细 胞 质 ；（4）转译（5）转译后修饰。 一一. 调控元件调控元件 真核基因的内部结构包括几种

25、不同的控制转录的调控元件,主要的元件有：启动子和增强子（enhancer）。这些调控元件可邻接，位于之中或远离该基因，它们可以与许多类蛋白相互作用从而起到调节这些元件活性的作用，这些蛋白称为转录因子。下面将用通用的模型说明这些元件和因子在真核基因表达调控中的功能。 1. 启动子 细菌启动子含有顺式作用核苷酸序列，是RNA聚合酶结合的识别位点。因此它含有启动转录所必要的区域并紧挨它可调节的基因。 真核启动子是由真核启动子是由RNA聚合酶聚合酶II（将基因转录为（将基因转录为mRNA）识别的，它常含有一些短的典型的识别的，它常含有一些短的典型的DNA序列，其位于基因序列，其位于基因5上游上游100

26、bp区间内。启动子的核心区有位于转录起始位点上区间内。启动子的核心区有位于转录起始位点上游游25-30bp的的TATA框，在框，在8 bp的共有序列中仅有的共有序列中仅有T-A对，两对，两侧有富含侧有富含G-C的区域。的区域。 采用突变研究已证明了TATA框具有极重要作用：TATA框的突变会严重降低转录效率，两侧序列的突变不会影响基因表达。这种降低转录的现象是由于它失去了与反式作用转录因子结合的能力，这些转录因子具有激活转录的功能。珠蛋白基因启动子点突变效应(CAAT) 启动子核心区的上游邻近还有几个对转录作用有重要意义的元件，如CAAT框，它的保守序列为CAAT或CCAAT，常位于-70至-

27、80位。跟TATA框一样，在CAAT框中突变也会严重减弱转录，而两侧序列影响很小；另外还有一个元件为GC框，它的保守序列为GGGCGG，通常位于-110，以多拷贝存在，它的重要性也用突变得到证实。 2. 增强子增强子除了启动子区以外，大多数真核基因的转录受到另一种顺式作用顺式作用DNA序列即增强子序列即增强子的影响。象启动子一样，这些序列能与反式作用调控蛋这些序列能与反式作用调控蛋白相互作用，它能明显地增强转录白相互作用，它能明显地增强转录起始的效率，起始的效率， 增强子与启动子在某些特征上具有区别：增强子与启动子在某些特征上具有区别：1.增强子的位置无法固定，它可以位于基因的上游，增强子的位

28、置无法固定，它可以位于基因的上游， 下下 游或中间。游或中间。 2.增强子常常对相当远距离的靶基因行使作用，有增强子常常对相当远距离的靶基因行使作用，有时多达时多达50 kp。 3.增强子的方向可反向，对它的作用不会有大的影增强子的方向可反向，对它的作用不会有大的影响。响。 4.假如一个增强子在基因组移动到另一位置，或者假如一个增强子在基因组移动到另一位置，或者某一不相关基因插入到一增强子附近，那么该插入某一不相关基因插入到一增强子附近，那么该插入基因的转录受到正向调控。基因的转录受到正向调控。当增强子远离启动子或转录起始位点时，它们是怎样调控转录作用的？ 增强子可以被转录因子结合，改变增强子

29、可以被转录因子结合，改变染色质的构型（通过染色质的构型（通过DNA弯曲或环化），弯曲或环化），这样就可能使远距离的增强子和启动子这样就可能使远距离的增强子和启动子变得邻近，变得邻近，从而组成有活性的转录复合体，在这样一种新的构型中，转录活性就会高于基础水平，从而增加了RNA合成的总体效率。 二二. 转录因子转录因子 已鉴定已鉴定许多蛋白质对转录起始是必需的，但许多蛋白质对转录起始是必需的，但并不是并不是RNA聚合酶分子的一部分，这些蛋白质聚合酶分子的一部分，这些蛋白质称为转录因子。称为转录因子。它们能控制基因在何处，何时，它们能控制基因在何处，何时，以何种程度表达。这些蛋白是摸式的调节物，以何

30、种程度表达。这些蛋白是摸式的调节物，常含有两个功能域：常含有两个功能域：1. DNA结合结构域结合结构域: 能结合到能结合到DNA序列上，包序列上，包括启动子和增强子的调控区；括启动子和增强子的调控区；2. 反式激活结构域（反式激活结构域（trans-activating domain）：）：其通过蛋白与蛋白之间相互作用激活转录，其通过蛋白与蛋白之间相互作用激活转录， 由蛋白质因子参与的转录调控作用主要是正向调控。在讨论这些因子怎样调节基因表达之前，我们先来了解它们是怎样结合到核酸上的。转录因子的结构模式： 真核生物因子的DNA结合结构域有多种形式，它们具有不同的三维结构。有三种主要的结构模式

31、： （1）螺旋-转角-螺旋结构 （helix-turn-helix，HTH） 最早发现于原核生物激活蛋白和阻遏蛋白，X光衍射分析表明，在许多真核生物DNA结合蛋白有HTH结构，这类蛋白有两这类蛋白有两个邻近的个邻近的螺旋，其间由多个氨基酸组成的螺旋，其间由多个氨基酸组成的转角分开，这种结构使其能与转角分开，这种结构使其能与DNA结合。结合。 转录因子中的螺旋-转角-螺旋结构(a)以及与DNA的相互作用(b)羧基端螺旋为识别螺旋，其氨基酸残基直接与靶DNA大沟的残基专一性结合，另一螺旋中的氨基酸和DNA中的磷酸戊糖骨架发生非特异性结合。（2）锌指结构（Zine fingers） 锌指结构是真核生

32、物转录因子主要结构家族中的一种，它们从许多方面参与基因调控。该结构由一小群氨基酸与一个锌原子结合，在蛋白质中形成相对独立的一种结构域。 辛指结构的蛋白质：含有一串重复间含有一串重复间隔的隔的2个半胱氨酸（个半胱氨酸（Cys）和）和2个组氨酸个组氨酸（His），这些间隔的半胱胺酸和组氨酸），这些间隔的半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合，因此把氨基酸折残基与锌原子共价结合，因此把氨基酸折叠成环（形如指）。叠成环（形如指）。每个指大约由23个氨基酸，在半胱氨酸和组氨酸之间的环由12-14个氨基酸，每个环之间由7-8个氨基酸连接。环中的氨基酸能与特定的DNA序列结合，在一个锌指转录因子中常有2-13个指组成。半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合的锌指结构。锌锌指能与指能与DNA双螺旋的大沟结合并且环绕着双螺旋的大沟结合并且环绕着DNA，在大沟中，在大沟中，锌指能与锌指能与DNA的一组碱基结合并形成氢键，的一组碱基结合并形成氢键，（3）亮氨酸拉链结构（leucine zipper） 为转录因子与DNA结合区的一种结构模式。最早见于大鼠肝脏的一种蛋白，在肽链羧基端一段35个氨基酸残基中，由4个亮氨酸残基被7个氨基酸隔开，富含亮氨酸的区域形成一个螺旋，每个螺旋有一个亮氨酸残基突出