第九章 基因表达的调控

第9章基因表达的调控

RegulationofGeneExpression基因的概念原核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控

基因gene基因是遗传信息的功能单位。基因表达就是将基因所携带的遗传信息释放出来指导生物体性状表达的过程。基因表达的过程是十分复杂的，具有不同的形式和精确的调控。§1基因的概念基因的概念是不断发展的。Mendel遗传因子inheritedfactor1909丹麦人Johnson用gene取代了Mendel的inheritedfactor，一直应用至今。经典遗传学关于基因的概念1、基因是不连续的颗粒状因子，在Chr上有固定的位置，呈直线排列，具有相对的稳定性。2、基因作为一个功能单位控制性状的表达。经典遗传学关于基因的概念3、基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过减数分裂和受精作用有规律地传递。突变单位交换单位基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。倒底基因是什么物质构成的，基因的本质是什么，经典遗传学无法回答这个问题。结构单位分子遗传学关于基因的概念

1、一个基因就是DNA分子上的一段序列2、每一个基因都携带有特殊的遗传信息，这些遗传信息：mRNA多肽链；rRNA或tRNA；对其他基因的活动起调控作用。3、基因在结构上还可以划分为若干个小单位。①突变单位（突变子muton）：

发生突变的最小单位。最小的突变子是一个bp。②重组单位（重组子recon）：

可交换的最小单位。最小的重组单位也可以只是一个bp。③功能单位（顺反子cistron，又叫作用子）：

基因中指导一条多肽链的合成DNA序列，平均大小约为500-1500bp。现代概念与经典概念的比较基因是功能单位，不是结构单位一个基因内包含了大量的突变单位和重组单位共同点：基因是遗传功能的最小单位基因的作用与性状的表达

在生物体内，大部分遗传性状都是直接或间接通过蛋白质表现出来的。

DNA→RNA→protein

豌豆株高高茎豌豆（TT）×矮茎豌豆（tt）↓F1为高（Tt）高茎豌豆中有赤霉素，而矮茎豌豆中没有。赤霉素能促进细胞伸长，表现为高茎。赤霉素的合成需要一种酶T基因就编码合成赤霉素的酶等位基因t的核苷酸序列与T不同，不能编码合成赤霉素所需要的那种酶。一个基因→一个mRNA→一条多肽链仍然显得太简单。基因不仅可以作为mRNA转录的模板，也可以作为rRNA和tRNA转录的模板。有些基因只对其它基因的作用进行调控。多肽链的合成与停止更主要的是受制于基因作用的调控系统。§2原核生物基因表达的调控

一个个体的各类细胞都是按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并不断地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。决定哪些基因表达、哪些基因不表达、表达速率的过程就是基因表达的调控。一、转录水平的调控单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，可以迅速调节各种基因的表达水平，以适应不断变化的环境条件。原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。当需要某种基因产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种基因产物时就抑制这种mRNA的转录，就是让相应的基因不表达。通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。基因表达完全关闭的情况使极为少见的。顺式调控元件和反式作用因子在基因转录水平上的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列相互作用的结果。起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件。与这些DNA序列相互作用的蛋白质称为反式作用因子。反式作用因子也是基因产物。所以，基因表达调控是非等位基因之间相互作用的结果。启动子和终止子与RNA转录起始相关的顺式调控元件称为启动子与转录终止有关的顺式调控元件称为终止子。原核生物的启动子结构

转录起始是基因表达的关键阶段。与转录密切相关的顺式调控元件称为启动子(promoter)。启动子是位于结构基因上游的DNA序列，100bp到200bp不等。是转录起始阶段RNA聚合酶识别、结合的特异序列，其本身并不被转录。

原核生物中基因的组织形式几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。这样的一个整体称为一个操纵元(operon)。

合成调节与降解调节基因表达产物有的用于降解代谢途径，有的用于合成代谢途径。这两种代谢途径的调控方式是不同的。在降解代谢途径中，反应底物（被降解的物质）决定参与降解反应的酶是否需要合成。在合成代谢途径中，由合成反应的终产物调节合成酶基因的表达。正调控（positiveregulation）如果调节蛋白不与启动子DNA序列（顺式调控元件）结合时，基因是关闭的，当调节蛋白与启动子结合时基因开始表达，这种调控系统称为正调控。正调控系统中的调节蛋白称为诱导蛋白（inducer）。诱导蛋白与基因启动子DNA序列结合，激活基因启动转录。负调控（negativeregulation）在调节蛋白不与启动子（顺式调控元件）结合时，基因是表达的；当调节蛋白与启动子结合时，基因的表达被关闭，这样的调控机制称为负调控。负调控系统中的调节蛋白称为阻遏蛋白（repressor）。阻遏蛋白分子与启动子结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态翻译水平的调控

基因表达的调控可以调控转录环节，也可以调控翻译环节。

E.coli核糖体蛋白质合成的反馈调控机制(feedbackregulation)。E.coli有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。每一种操纵元转录的mRNA都能够被同一操纵元编码的蛋白质识别，并能够与其结合。如果某种核糖体蛋白质在细胞中过量积累，它们将与其自身的mRNA结合，阻止这些mRNA进一步翻译成蛋白质。§3真核生物基因表达的调控真核生物和原核生物的比较一、高等真核生物基因组远比原核生物基因组大

E.coli4.6×106bp，4288个基因，平均每个基因约1100bp。真核生物啤酒酵母1.2×107bp，5885个基因，平均每个基因约2000bp

拟南芥1×108bp水稻3.89×108bp

人3.3×109bp

小麦1.6×1010bp真核生物和原核生物的比较二、真核生物有复杂的染色体结构DNA与组蛋白等结合形成染色质，染色质结构的变化可以调控基因表达

基因组分散在多个染色体上真核生物和原核生物的比较三、在真核生物中，不同组织的细胞在功能上是高度分化的在动物胰脏细胞中不会产生视网膜色素，而在视网膜细胞中也会不产生胰岛素。真核细胞具有选择性激活和抑制基因表达的机制。真核生物可以在多个层次上对