分子遗传学基因表达的调控

分子遗传学基因表达的调控分子遗传学基因表达的调控第1页

基因表示调控可在几个不一样水平上进行。在高度复杂生物、细胞及其代谢过程中，基因表示是高度有序。如在高等生物中，特定细胞已分化成高度特化细胞，人类眼睛细胞只能合成眼色特有蛋白，其决不可能合成肝细胞中特有解毒酶，各种特定细胞能阻遏不一样类别基因表示。

分子遗传学基因表达的调控第2页

基因表示调控对生物是极端主要。1．真核生物：各种不一样类型细胞能阻遏不一样类型基因表示。2．细菌含有阻遏基因表示能力。在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须酶基因和激活那些在某一时间内显著必须酶基因。到达这一目标二个条件：（1）必须具备关闭或打开每种特定基因方法；（2）对应该激活一个特定基因或一组基因特定环境具备正确识别能力。分子遗传学基因表达的调控第3页第一节基础调控路线

乳糖操纵子调控分子遗传学基因表达的调控第4页一、原核生物操纵子学说——乳糖操纵子

□乳糖代谢中酶和基因（1）透性酶permease：能使乳糖进入细胞（Y）（2）β半乳糖苷酶β－galactosidase：水解乳糖为葡萄糖和半乳糖（Z）（3）转乙酰基酶transacetylase（A）

三种酶基因转录成一条mRNA，称多顺反子mRNA（polycistronic）。分子遗传学基因表达的调控第5页RepressorgenePromoterOperatorΒ-galactosidasegenePermeasegeneTransacetylasegeneRegulatoryregionStructuregeneIPOlacZ

lacY

lacALacoperon1961年法国科学家Jacob和Monod发觉大肠杆菌在含有乳糖培养基中会合成大量β-半乳糖苷酶，使乳糖水解，在没有乳糖环境中不产生β-半乳糖苷酶。从而提出了乳糖操纵子学说来解释β-半乳糖苷酶基因表示调控问题分子遗传学基因表达的调控第6页ThestructuralgenesofthelocoperonaretranscribedintoasinglepolycistronicmRNA,whichistraslatedsimulatedsimultaneouslybyseveralribosmesintothethreeenzmesencodedbytheoperon.分子遗传学基因表达的调控第7页□乳糖操纵子

Thecomponentsofthewild-type

lacoperonandtheresponseintheabsenceandthepresenceoflactose,分子遗传学基因表达的调控第8页

1．操纵基因（Operator，简称O），起到基因开关作用。2．开启基因（Promoter，简称P），是RNA聚合酶结合部位，能起动ZYA基因表示，POZYA在DNA上几个相邻接基因共同组成一个功效单位称操纵子(operon)。3．调整基因（I基因），能编码产生一个阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶开启转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，普通情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因O区。使操纵子关闭。怎样开启操纵子表示？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，结合到开启子上RNA聚合酶能顺利开启ZYA基因表示，合成对应三种酶。分子遗传学基因表达的调控第9页二、其它基因I基因：编码阻遏蛋白，能阻断ZYA基因表示。O操纵基因operator：是DNA上与阻遏物结合特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化转录起动。开启基因promoter*操纵子operon：是几个基因协同表示遗传功效单位。由开启基因，操纵基因和转录成一条mRNA分子几个相邻接基因组成功效单位。POZYA。分子遗传学基因表达的调控第10页三、乳糖操纵子阻遏物含有两种识别功效1．能识别操纵子上特定操纵基因序列；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，阻遏物分子构型将发生改变，从而使阻遏物失去了对操纵基因亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。

对Lac系统阻遏作用解除称为诱导，能使阻遏物失活并造成Lac基因表示乳糖类似物称为诱导物。分子遗传学基因表达的调控第11页β半乳糖苷酶(β－galactosidase)水解乳糖为葡萄糖和半乳糖Thecatabolicconversionofthedisaccharidelactoseintoitsmonosaccharideunits,galactoseandglucose分子遗传学基因表达的调控第12页造成Lac基因表示乳糖类似物诱导物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG)

Thegratuitousinducerisopropylthiogalactoside

分子遗传学基因表达的调控第13页第二节乳糖系统发觉——负调控

50年代Jacob和Monod对E.coli乳糖代谢中酶进行详细遗传分析，这是基因表示调控研究第一个重大突破。分子遗传学基因表达的调控第14页一、共同调控基因

在染色上Z、Y、A三个基因是紧密连接。这一组连续基因产生mRNA是一个多顺反子mRNA分子。多顺反子mRNA转录和它转译是以同一方向进行。

极性突变（polarmutation）：不但能影响突变位点上那个基因，而且会降底或消除下游更远一些基因表示。如Lac多顺反子中Z基因无义突变会降底Y、A基因表示。分子遗传学基因表达的调控第15页二、I基因

控制Lac酶可诱导性区域。

I+细胞只能在有一个诱导物存在时才能正常合成Lac酶；

I－细胞不论诱导物存在是否都能合成Lac酶，这种突变体称为组成型突变体（constitutivemutant）。分子遗传学基因表达的调控第16页I－细胞不论诱导物存在是否都能合成Lac酶，这种突变体称为组成型突变体（constitutivemutant）分子遗传学基因表达的调控第17页三、阻遏物1．E.coliF’因子带有Lac区。能够作互补试验：反式时，I+对I—为显性。试验结果：单倍体和杂合性二倍体中β半乳糖苷酶和透性酶合成菌株基因型β半乳糖苷酶透性酶非诱导诱导

非诱导诱导123456I+Z+Y+I—Z+Y+I+Z—Y+/FI—Z+Y+I—Z—Y+/FI+Z+Y—I—Z—Y+/FI—Z+Y+

△（IZY）/FI—Z+Y+

–+–+++++–+–+

–+–+++++

++++分子遗传学基因表达的调控第18页

2．Iocob发觉另一个突变体IS

能抑制乳糖或其类似物对Lac酶诱导作用。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结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生阻遏物分子仍能抑制Lac酶合成。

IS反式时对I+和I—都为显性。

分子遗传学基因表达的调控第19页IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点，破坏了与诱导物结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生阻遏物分子仍能抑制Lac酶合成。TheresponseofthelacoperoninthepresenceoflactoseinacellbearingtheIsmutation.15-7分子遗传学基因表达的调控第20页野生型和I不一样等位基因菌株中Lac酶合成分子遗传学基因表达的调控第21页

四、操纵基因和操纵子

1．阻遏物怎样阻断Lac酶合成？

Jacob推测有一操纵基因，靠近它所调控一串基因。*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）。

2．Lac操纵子表示是在Lac阻遏物负调控下进行。在没有诱导物时，Lac阻遏物通常抑制Lac酶产生。分子遗传学基因表达的调控第22页*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）。15-6b分子遗传学基因表达的调控第23页单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体Lac酶合成情况分子遗传学基因表达的调控第24页

五、阻遏物和操纵基因判定

1．Lac阻遏物是含有两种识别位点蛋白，一个位点识别诱导物分子，另一位点识别Lac操纵基因DNA序列。阻遏物与诱导物结合，改变了阻遏蛋白构型，从而改变了对操纵基因亲协力。

2.Gilbert用DNA酶处理已结合有阻遏物DNA分子，结果得到了没有被DNase降解DNA短片段——操纵基因区。操纵基因发生单个碱基改变就会使阻遏物无法识别。分子遗传学基因表达的调控第25页5,TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT3,3,ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA5,*ATGTTACTTACAATGALac操纵基因序列和8个OC突变体Ocmutations分子遗传学基因表达的调控第26页六、Lac系统中各种突变综合分析

1．Z、Y基因突变为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．使阻遏物失去功效I基因突变为I—，不论是否有诱导物，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要求，如无诱导物，lac表示受阻。问：假如有诱导物，结果怎样？分子遗传学基因表达的调控第27页无活性阻遏物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要求，如无诱导物，lac表示受阻。活性阻遏物分子遗传学基因表达的调控第28页3．另一个不一样I基因突变型是一个诱导无效突变型，称超阻遏突变型IS。

IS产生阻遏物上与诱导物结合位点发生了改变，使诱导物不能与阻遏物相结合。IS细胞表型为Lac–，因为IS产生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这种阻遏物上。IS对I+，I—都为显性。分子遗传学基因表达的调控第29页

RSP+O+Z+Y+ISI+P+O+Z+Y+I诱导物不能与阻遏物相结合RI在一个二倍细胞中，RS阻遏物能结合到二者操纵基因上，即使有诱导物，IS/I+二倍体也为Lac—。分子遗传学基因表达的调控第30页4．操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性：对同一染色体上直接与其相邻接那些基因呈显性。

如一个Oc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ZY基因表示，但阻遏物不会识别Oc，即使无诱导物，与Oc相邻接Z、Y基因也能表示。Oc含义说明其总是激活状态，总是Lac+表型，为组成型表示。分子遗传学基因表达的调控第31页I+P+O+Z+Y+I+P+OCZ+Y+R阻遏物不能识别Oc

表达受阻

即使无诱导物也能表示操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性，Oc和含义说明其总是激活状态，总是Lac＋表型，为组成型表示。分子遗传学基因表达的调控第32页

5．开启基因突变(P—)使RNA聚合酶无法识别，从而阻断转录起动，P—为顺式显性(Cis－dominant)。

6．负调控：凡是某一细胞成份存在使某种细胞功效不能实现，而这一成份消失或失活使这一功效得以实现。

正调控：凡是某一细胞成份存在使某种细胞功效能够实现，而这一成份消失或失活使这一功效不能实现。分子遗传学基因表达的调控第33页第三节Lac操纵子

分解物阻遏

_______正调控

分子遗传学基因表达的调控第34页1．细胞含有优先吸收和利用葡萄糖特异性酶，假如同时存在乳糖和葡萄糖，只有葡萄糖利用完后才会有β－半乳糖苷酶诱导合成。2．葡萄糖一些分解物能抑制Lac操纵子激活，称为分解物阻遏作用（cataboliterepression）。当葡萄糖浓度很高时，细胞内环AMP浓度较低；随葡萄糖消耗，环AMP浓度增加；Lac操纵子激活需要高浓度cAMP。分子遗传学基因表达的调控第35页3．不能将AMP转化为环AMP突变体不能被乳糖诱导产生β－半乳糖苷酶。另一个突变体即使能产生cAMP，但不能激活Lac酶，因为它还缺乏由crp基因产生CAP蛋白（Catabolicactivatorprotein）。Lac操纵子激活需要CAP和cAMP形成复合体：葡萄糖

ATPcAMPCAP－cAMPcrp基因CAP复合体突变

对Lac操纵子激活是必需

Lac操纵子分解物阻遏调控分子遗传学基因表达的调控第36页当CAP－cAMP形成复合体时，Lac操纵子可由乳糖诱导表示，假如葡萄糖存在抑制cAMP,Lac操纵子就不能正常表示。分子遗传学基因表达的调控第37页当CAP－cAMP形成复合体时，Lac操纵子可由乳糖诱导表示，假如葡萄糖存在抑制了cAMP或因为crp基因突变阻断了CAP形成，Lac操纵子就不能正常表示。结论：Lac操纵子表示需要CAP－cAMP复合体，是一个正调控（凡是某一细胞成份存在使某种细胞功效能够实现，而这一成份消失或失活使这一功效不能实现）。分子遗传学基因表达的调控第38页

第四节真核生物基因表示调控

1960年Jacob和Monod发觉E.coli操纵子是大家认识基因表示调控第一步。在真核细胞中也有在乳糖操纵子中发觉一些调控因子，但真核细胞含有更为复杂基因调控系统。分子遗传学基因表达的调控第39页在多细胞真核生物中，基因表示分化调整是细胞分化和行使功效关键，其中心问题是：一个有机体是怎样在一类细胞中表示一组基因，而在另一类细胞中又怎样表示不一样一组基因？在细胞水平上，这种调整作用不能单靠消除无用信息就能到达。相反，往往要包括到激活基因组特定部位，而且遏制其它基因表示。

分子遗传学基因表达的调控第40页激活和遏制特定部位基因需要有机体提供精细平衡作用，在错误时间，错误细胞类型中表示一个基因，即使基因本身是正常基因，但表示量不正常都可造成另样表型或死亡。分子遗传学基因表达的调控第41页为何在真核生物中基因调控要比原核中来得复杂?1.真核细胞比原核细胞含有较多遗传信息，它们DNA与组蛋白和其它蛋白组成染色质。这些染色质结构打开后（去凝结）会利于转录，凝结后又不利于转录，这在基因表示中是主要因子。分子遗传学基因表达的调控第42页

2.在真核细胞中，转录在时间和空间上与转译是分开；转录发生在核中，转译发生在胞质中，所以，mRNA必须从核中运输到细胞质中才能进行蛋白质合成。分子遗传学基因表达的调控第43页

3.在运输出细胞质之前，真核基因转录本要进行加工并切割。

4.真核生物mRNA半衰期要比原核长，假如在原核中关闭转录，其mRNA会在几分钟内衰退，转译就会停顿。真核不会。分子遗传学基因表达的调控第44页

5.大多数真核生物是含有分化类型多细胞有机体，这些不一样类型细胞即使它们都会有完整基因组，但会特异性地利用不一样重合基因制造不一样蛋白。分子遗传学基因表达的调控第45页因为上述原因，真核生物基因表示会受到许多不一样方式调控，如图。包含（1）转录；（2）pre-mRNA加工和切割，即转录后调控；（3）运输至细胞质；（4）转译（5）转译后修饰。分子遗传学基因表达的调控第46页

一.调控元件

真核基因内部结构包含几个不一样控制转录调控元件,主要元件有：开启子和增强子（enhancer）。这些调控元件可邻接，位于之中或远离该基因，它们能够与许多类蛋白相互作用从而起到调整这些元件活性作用，这些蛋白称为转录因子。下面将用通用模型说明这些元件和因子在真核基因表示调控中功效。分子遗传学基因表达的调控第47页

1.开启子细菌开启子含有顺式作用核苷酸序列，是RNA聚合酶结合识别位点。所以它含有开启转录所必要区域并紧挨它可调整基因。

真核开启子是由RNA聚合酶II（将基因转录为mRNA）识别，它常含有一些短经典DNA序列，其位于基因5’上游100bp区间内。开启子关键区有位于转录起始位点上游25-30bpTATA框，在8bp共有序列中仅有T-A对，两侧有富含G-C区域。分子遗传学基因表达的调控第48页采取突变研究已证实了TATA框含有极主要作用：TATA框突变会严重降低转录效率，两侧序列突变不会影响基因表示。这种降低转录现象是因为它失去了与反式作用转录因子结合能力，这些转录因子含有激活转录功效。

珠蛋白基因开启子点突变效应(CAAT)分子遗传学基因表达的调控第49页

开启子关键区上游邻近还有几个对转录作用有主要意义元件，如CAAT框，它保守序列为CAAT或CCAAT，常位于-70至-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，它保守序列为GGGCGG，通常位于-110，，以多拷贝存在，它主要性也用突变得到证实。分子遗传学基因表达的调控第50页

2.增强子除了开启子区以外，大多数真核基因转录受到另一个顺式作用DNA序列即增强子影响。象开启子一样，这些序列能与反式作用调控蛋白相互作用，它能显著地增强转录起始效率，

分子遗传学基因表达的调控第51页增强子与开启子在一些特征上含有区分：1.增强子位置无法固定，它能够位于基因上游，下游或中间。

2.增强子经常对相当远距离靶基因行使作用，有时多达50kp。

3.增强子方向可反向，对它作用不会有大影响。

4.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，那么该插入基因转录受到正向调控。分子遗传学基因表达的调控第52页当增强子远离开启子或转录起始位点时，它们是怎样调控转录作用？增强子能够被转录因子结合，改变染色质构型（经过DNA弯曲或环化），这么就可能使远距离增强子和开启子变得邻近，从而组成有活性转录复合体，在这么一个新构型中，转录活性就会高于基础水平，从而增加了RNA合成总体效率。分子遗传学基因表达的调控第53页

二.转录因子

已判定许多蛋白质对转录起始是必需，但并不是RNA聚合酶分子一个别，这些蛋白质称为转录因子。它们能控制基因在何处，何时，以何种程度表示。这些蛋白是摸式调整物，常含有两个功效域：1.DNA结合结构域:能结合到DNA序列上，包含开启子和增强子调控区；2.反式激活结构域（trans-activatingdomain）：其经过蛋白与蛋白之间相互作用激活转录，分子遗传学基因表达的调控第54页

由蛋白质因子参加转录调控作用主要是正向调控。在讨论这些因子怎样调整基因表示之前，咱们先来了解它们是怎样结合到核酸上。转录因子结构模式：

真核生物因子DNA结合结构域有各种形式，它们含有不一样三维结构。有三种主要结构模式：

分子遗传学基因表达的调控第55页（1）螺旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix，HTH）最早发觉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，这类蛋白有两个邻近α螺旋，其间由多个氨基酸组成转角分开，这种结构使其能与DNA结合。

分子遗传学基因表达的调控第56页转录因子中螺旋-转角-螺旋结构(a)以及与DNA相互作用(b)羧基端α螺旋为识别螺旋，其氨基酸残基直接与靶DNA大沟残基专一性结合，另一α螺旋中氨基酸和DNA中磷酸戊糖骨架发生非特异性结合。分子遗传学基因表达的调控第57页（2）锌指结构（Zinefingers）锌指结构是真核生物转录因子主要结构家族中一个，它们从许多方面参加基因调控。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一个结构域。分子遗传学基因表达的调控第58页

辛指结构蛋白质：含有一串重复间隔2个半胱氨酸（Cys）和2个组氨酸（His），这些间隔半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合，所以把氨基酸折叠成环（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环由12-14个氨基酸，每个环之间由7-8个氨基酸连接。环中氨基酸能与特定DNA序列结合，在一个锌指转录因子中常有2-13个指组成。分子遗传学基因表达的调控第59页半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合锌指结构。锌指能与DNA双螺旋大沟结合而且围绕着DNA，在大沟中，锌指能与DNA一组碱基结合并形成氢键，分子遗传学基因表达的调控第60页（3）亮氨酸拉链结构（leucinezipper）

为转录因子与DNA结合区一个结构模式。