遗传学-基因的表达与调控【PPT课件】

1、基因的表达与调控,目录基因概念的发展基因表达调控的基本概念与原理原核生物基因转录调控真核生物基因表达调控,基因是一个特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,一、基因的概念及其发展:,第一节基因的概念,从遗传学史的角度看，基因概念的发展大致分以下几个发展阶段：孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因阶段；顺反子阶段和现代基因阶段。,1、孟德尔的遗传因子阶段：,生物的某种性状是由“遗传因子”负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。孟德尔所说的“遗传因子”是代表决定某个性状遗传的抽象符号。,孟德尔在阐明遗传因子

2、在世代传递规律是，就已经认识到基因的两个基本属性：基因是世代相传的；基因决定遗传性的表达。基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位，这就是孟德尔的基因观。,1909年，丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen）创造了“基因（gene）”这一术语。,2、摩尔根的基因阶段：,1926年，摩尔根（T.H.Morgan）的巨著基因论出版。将代表性状的特定基因与某一条特定染色体上的特定位置联系起来。基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，赋予基因以物质的内涵。,首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段

3、的互换而交换，它不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。,基因到底是何物?其物质结构和化学组成怎样?它是怎样决定遗传性状的?,经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。,1941年比德尔（G.W.Beadle1903）和塔特姆（E.L.Tatum19091975）提出一个基因一个酶学说；1949年鲍林（L.C.Pauling1901）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序；1944年艾弗里（O.T.Avery18771955）、麦卡蒂（M.McCarty1911）等人发表了关

4、于“转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体；1952年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.M.Chase1927）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质；1953年美国分子生物学家沃森（J.D.Watson）和英国分子生物学家克里克（F.H.C.Crick）提出了著名的DNA双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。,基因本质的确定为分子遗传学发展拉开了序幕。,3、顺反子阶段：,1957年，本泽尔（SeymourBenzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念。顺反子是1个遗

5、传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。1个顺反子可以包含一系列突变单位突变子。突变子是DNA中1个或若干个核苷酸构成。重组子代表1个空间单位，有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。,总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序-顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。重组子：不能由重组分开的基本单位。,4、现代基因阶段：,1961年法国雅各布（F.Jacob）和莫诺（J.

6、L.Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。,1）操纵子：,2）现代分子遗传学关于基因的概念,基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段；基因由重组子、突变子序列构成；重组子是DNA重组的最小可交换单位突变子是基因突变的最小单位重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)基因决定某一性状表现。可以包含多个功能单位(顺反子),（1）现代基因概念,(2)基因的功能类型,根据基因的原初功能可以将基因分为

7、：编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因没有翻译产物，不产生蛋白质的基因转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA不转录的DNA区段如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位,结构基因(structuralgene)：,指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。,(3)基因的几种特殊形式,指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,调控基因(regulatorgene)：,lac调控基因,指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。因此

8、基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部。,重叠基因(overlappinggene)：,指在染色体组上存在多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。,重复基因：,指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。,隔裂基因(splitgene)：,卵清蛋白基因,即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够转移位置的DNA片断。功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动，引起

9、插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变），通过表现型变异得到鉴别。,跳跃基因(jumpinggene)：,同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。,假基因(pseudogene):,血红蛋白分子的四条多肽链,基因与DNA,一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样

10、就必须同时测定某一段DNA的核苷酸序列和相应产物的序列。,二、基因的微细结构：,（一）互补测验,互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。,对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于同一基因(功能单位)还是两个基因突变产生的呢？根据两突变反式双杂合体的表现，就可以解决上述问题。,双突变杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式(trans)。,顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上），其表现型永远是野生型。实质上是进行反式测验（反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上）。,1、顺反测验与顺反子

11、,根据两突变反式双杂合体的表现：突变型无互补作用为同一功能单位的突变野生型有互补作用为不同功能单位的突变互补测验，也称顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)顺反子内发生的突变间不能互补,表型有无功能互补结论A+B反式:AB+A+B反式:AB+,突变型属同一顺反子,野生型属不同顺反子,互补试验的原理:,SeymourBenzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究发现：T4野生型在E.Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑；T4突变品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.ColiB上产

12、生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.ColiK()上不能生长。,2、rII顺反测验,rII区段突变的性质：rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因(功能单位)。Benzer通过顺反测验表明：3000多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够互补，而组内的突变型间不能互补。与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端：|A|B|,r47与r106r106与r51,两个突变位点若可以互补，即顺式和反式排列都有功能，那么这两个突变位点不在同一个顺反子内；若两个突变位点不能互补，即顺式有功能，反式没有功能，说明这两个突变位点在同一个顺反子内。,rII

13、的两个顺反子,经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位)；基因也很可能不是遗传的最小功能单位；有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子；在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。,(二)基因的微细结构:,试验方法：最初得到8个不同的r突变型品系，8个突变基因均定位于T4DNA的一个区段内(rII区段)将8种突变型两两组合混和感染E.ColiB菌株(双重感染,doubleinfection)从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染E.coliK()试验结果：在菌苔上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑,Benzer的重组实验:,重

14、组值计算：rxry的数量与r+r+相同，计算时r+r+噬菌体数2。,此种测定方法称为重组测验（recombinationtest)，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，它的精确度可达十万分之一，即0.001，也就是0.001个图距单位。故称为基因的精细作图。,结论：这些基因是rII区段(一个基因)突变形成的复等位基因；野生型产生于基因内重组，基因是由更小的重组单位构成，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。,根据Benzer的分析，在r区的A、B两个顺反子中约有400个左右的突变位点，每个突变位点都可以作为一个重组单位。,顺反子概念的具体化：,顺反子为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息

15、，是决定一条多肽链的完整的功能单位。但它又是可分的，一个顺反子可以包含一些列突变单位-突变子，突变子是构成基因的DNA中的一个或若干个核苷酸；顺反子中的核苷酸也可以独自发生重组-重组子。,生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。,第二节基因表达调控的概念及原理,基因表达调控是现阶段分子生物学研

16、究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。,基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。,一、基因表达调控是生命的必需,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(ce

17、llortissuespecificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。,从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。,组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）,三、基因表达的方式,1、组成性表达：,指较少受环境变动而变化的一类基因表达。,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(houseke

18、epinggene)。,2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。,改变基因表达的情况以适应环境，在

19、原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。基因表达调控是生物适应环境生存的必需。,原核生物中，营养状况（nutritionalstatus）和环境因素（environmentalfactor）对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormonelevel）和发育阶段（developmentalstage）是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。,因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupledtranscriptionan

20、dtranslation）。,真核生物中，转录产物（primarytranscript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。,四、基因转录激活调节的基本要素：,在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,（1）原核生物的特异DNA序列原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。操纵子：是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。,1、DNA的结构,操纵子调节序列启动序列操纵序列编码序列表达转录,I,CAP,P,O,Z,Y,A

21、,阻遏蛋白结合部位,RNA聚合酶结合部位,编码序列：规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子mRNA：由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个mRNA,翻译生成多个蛋白质,称此为多顺反子mRNA。,多顺反子mRNA,阻遏蛋白,1)启动序列（启动子）：是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,RNA聚合酶识别部位RNA聚合酶结合部位决定转录起始点,在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即+1)。由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)。其核苷酸则依次以负号表示。紧接起始

22、点左侧的核苷酸为-1。,-35序列-10序列,TGTTGACA,11-15bp,TATAAT,转录起始位点,普遍模式,5-8bp,细菌启动子有4（可能有5个）个保守的序列特征：,起始转录点：起始点通常（大于90%）是嘌啉碱基。-10区：在起始点上游，几乎都存在一个6bp区域。六联体（hexamer）的中心通常靠近起始点上游10bp。它的共有序列为TATAAT，可被总结为如下形式：T80A95T45A60A50T96下标表示碱基出现最大频率的百分数。,-35区：此六联体是以起始点上游35bp为中心。其共有序列为TTGACA，详细形式为：T82T84G78A65C54A45-10区和-35区之间的

23、间隔：90%的启动子中，-10区和-35区之间的间隔在16-18bp之间。尽管间隔区的真实序列并不重要，但其距离大小对帮助即核对成的RNA聚合酶结合到一定间隔的两个DNA位点很重要。,在较远的上游，一些启动子有一段富含AT的序列，称作UP元件（UPelement）。它和RNA聚合酶的亚基相互作用。典型的例子出现在一些高表达基因的启动子。,2)操纵序列（operator）：是阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,编码序列,3)其他调节序列：有的特异DNA序列可结合激活蛋白，增强RNA聚合酶活性，使转录

24、激活。,（2）真核生物的特异DNA序列真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异DNA序列，称为顺式作用元件。顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。启动子顺式作用元件又分为增强子沉默子,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是顺式作用元件的核心序列，也是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2、调节蛋白,（1）原核生物的调节蛋白（3类）特异因子决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白与启动子上游D

25、NA序列结合，促进RNA聚合酶与启动序列结合，促进基因转录。（CAP分解代谢激活蛋白）,真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子(transcriptionfactors,TF)其调节作用分为:反式调节（主要）和顺式调节,（）真核生物基因调节蛋白,某些真核转录因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达，称顺式作用（cis-acting）。,绝大多数真核转录因子与特异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录，故称为反式作用因子（trans-actingfactors）。,顺-反式作用元件与顺-反式作用,DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。

26、通常是非共价结合，被调节蛋白识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,3、DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用,绝大多数调节蛋白在结合DNA前，需要通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。还有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质一蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录。也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程。,（1）启动子与RNA聚合酶活性启动序列/启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。启动子核苷酸序列影响与RNA聚合酶的亲和力，亲和力大小直接影响转录起始频率。所以启动子有强弱之分。另外，由于真核启动子与RNA-p

27、ol的结合需要转录因子的参与，所以真核的RNA-pol活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关,4、RNA聚合酶,（2）调节蛋白与RNA聚合酶的活性启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。,五、基因表达的多级调控,基因结构活化转录水平转录起始转录后加工转录后水平转录产物的转运翻译调控翻译水平翻译后加工,第三节原核基因表达调控RegulationofProkaryoticGeneExpression,1、DNA水平的调节

28、2、转录水平上的调控（transcriptionalregulation）：是最主要的调控方式。3、转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）,阻遏1、负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质降低)促进2、正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质增加),一、原核基因调控机制的类型与特点：,（一）原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为：,在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），其与DNA上特异位点相结合，起着阻止结构基因转录的作用。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（act

29、ivator），其不是阻止起始，而是帮助起始。,无论是正调控还是负调控都是通过利用调节蛋白与小分子诱导物或辅阻遏物（corepressor）之间的相互作用来完成诱导和阻遏的。每一个诱导物使阻遏物失活或活化激活蛋白时产生诱导；当辅阻遏物活化阻碍蛋白或使激活蛋白失活时产生阻遏。,原核生物结构基因的4种表达调控类型,（二）原核基因转录调节特点,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,2、主要通过操纵子模式进行调节,3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,核心酶,全酶,在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子

30、指导RNA聚合酶与各种启动子结合。可变因子改变了细菌RNA聚合酶的特异性，使得它可以识别不同基因的启动子。,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合，诱导产生大量的热休克蛋白，适应环境需要。,枯草芽孢杆菌芽孢形成有序的因子的替换，RNA聚合酶识别不同基因的启动子，使芽孢形成有关的基因有序地表达。,参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，共存在六种因子，其中70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的54以外，其它5种因子在结构上具有同源性，所以统称70家族。,与上述因子特异性

31、结合DNA上的-35区和-10区不同，54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。在与启动子结合的顺序上，70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。,存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。所谓操纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。,2、主要通过操纵子模式进行调节,3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控

32、作用,在很多原核操纵子（元）系统，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。,二、操纵子学说,法国巴斯德研究院的FrancoisJacob与JacquesMonod于1960年在法国科学院院报(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因为-半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactosidepermease)。在此文中他们首

33、先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念，他们的操纵子学说(theoryofoperon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。,I,P,O,Z,Y,a,控制位点结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,1、乳糖操纵子（lactoseopron）结构,RNA聚合酶结合位点,调控基因,大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。这些酶受乳糖操纵子的控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，启动基因P，操纵基因O和结构

34、基因Z、Y、A组成。P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。平时I基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。,乳糖操纵子结构基因表达产物,Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,2、乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：,Z、Y、A基因的产物由同一条多

35、顺反子的mRNA分子所编码。这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。操纵基因是DNA上的一小段序列（仅26bp），是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。,3、阻遏蛋白的负性调节作用,I,阻遏蛋白,无乳糖存在时，结构基因受阻遏,有乳糖存在时，结构基因表达,阻遏蛋白的负性调节：可诱导调控1)无乳糖存在时

36、，阻遏物可以结合在操纵基因上阻止转录过程基因关闭；2）有乳糖存在时，乳糖半乳糖与阻遏物结合阻遏物变构阻遏物不能结合操纵基因转录进行基因开放。,2,CAP,CAP位点,-G,-Lac,阻遏蛋白,操纵序列,-G,+Lac,RNA聚合酶,无葡萄糖，无乳糖无葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，有乳糖,启动序列,cAMP,mRNA5,4、CAP的正性调节作用,G,-Lac+G,+Lac,I,P,O,Z,Y,a,调控基因控制位点结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactoseopron）结构,RNA聚合酶结合位点,有

37、葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为分解代谢物阻抑（cataboliterepression）。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖腺苷酸环化酶活性降低ATP无法转变成cAMP不能形成CAP-cAMP复合蛋白RNA酶无法结合在DNA上结构基因不表达。,5、协调调节,lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作：当lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。,2,CAP,CAP

38、位点,-G,-Lac,阻遏蛋白,操纵序列,-G,+Lac,RNA聚合酶,无葡萄糖，无乳糖无葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，有乳糖,启动序列,cAMP,mRNA5,G,-Lac+G,+Lac,当培养基中葡萄糖浓度升高而乳糖浓度降低时,细胞中cAMP浓度降低,缺乏乳糖与阻遏蛋白结合,CAP失活,阻抑蛋白与操纵基因结合,CAP及RNA聚合酶不能与启动基因结合,基因转录被阻遏,阻遏蛋白的负性调节,当培养基中葡萄糖浓度降低而乳糖浓度升高时,细胞中cAMP浓度升高,乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合,cAMP与CAP结合并使之激合,促使阻抑蛋白与操纵基因分离,CAP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动

39、基因结合,基因转录激活,CAP的正性调节,lac操纵子调节的解释：若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,三、色氨酸操纵子与弱化作用,色氨酸操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它不同于lac操纵子，色氨酸阻遏物只有与色氨酸结合才具有活性，结合到操纵基因上，阻遏转录，这种类型控制途径是在酶活性水平上来调节的。这种调节叫反馈抑制（feedbackinhibition）。,1、trp操纵子的结构和功能,阻遏物基因trpR和结构基因（t

40、rpE,D,C,B,A）不紧密连锁；操纵基因在启动子区域内；启动子、操纵基因不直接与结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；弱化结构，在合成代谢的操纵子的前导区内，存在类似终止子结构的一段DNA顺序，成为弱化子，该顺序可以辅助阻遏作用进行转录调控。,Thetrpoperon,P=promoterT=terminatorO=operator,trpR,trpA,PO,P,T,T,PolycistronicmRNA(encodes5proteins),mRNA,TrpR(repressor),5separateproteinsthatweresynthesizedfromonemRNA,trpB,tr

41、pC,trpD,trpE,Attenuator,TrpR,2、调节：,TrpR不能单独与操纵基因结合，只有与色氨酸结合后，构象发生改变，成为活性的阻遏物与操纵基因结合，使RNApol不能和启动子结合而抑制转录。色氨酸就称为辅阻遏物（corepressor）。,ThetrpoperonisnegativelyregulatedbytheTrprepressor,TrprepressorbindsitstargetDNAsequenceonlywhenititselfisboundbyitsco-repressor,tryptophan.,3、弱化作用：,色氨酸操纵子采用一种称为弱化作用的方式来精

42、确调控基因表达水平。色氨酸启动子和第一个色氨酸基因之间的被转录的mRNA序列可以形成两个发夹结构。在某个时间内只能由其中之一存在。,问题：弱化子如何进行调控？前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构，从而决定弱化子是否可形成终止信号。,当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置阻碍了2,3配对使3,4区段配对形成发夹结构终止子RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。,如

43、缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置，位于区段1使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。,AttenuationInadequateTrp,1,2,3,4,mRNA,Trpcodons,2,3,1,4,RibosomestallsduetolowTrp,Thislargestemloopof2+3doesNOTactasaterminator.Transcriptioncontinues!,RNApolymerase,AttenuationAdequateTrp,1,2,3,

44、4,4,3,1,RibosomemovesRapidlyalongmRNA,mRNAsectionsbasepairswith4toformaterminationsite,suchthatRNApolymeraseprematurelyfallsoffthemRNAandabortsfurthertranscription.,mRNA,一些操纵子，如色氨酸和和苯丙氨酸操纵子同时被阻抑物和弱化作用调控；而另一些操纵子，如组氨酸、亮氨酸和苏氨酸操纵子则仅依赖于弱化作用。,第四节真核生物基因表达的调控(ControlofEukaryoticGeneExpression),DNA水平的调控转录水平的

45、调控(transcriptionalregulation)转录后水平的调控(posttranscriptionalregulation)翻译水平的调控(translationalregulation)翻译后水平的调控(proteinmaturation),一、真核生物基因组特点：,1、基因组结构庞大人类的单倍体基因组由3.3109的核苷酸组成，含有大约34万个基因。2、形成染色体结构真核生物的基因组是以DNA和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。,3、单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子。单顺反子一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。4、重复序列真核生物基因普

46、遍存在重复序列。根据重复频率不同，分为以下4类：,高度重复序列(106)重复数百万次，序列简单序列，不到10bp，称为卫星DNA；中度重复序列(103-104)重复上千次，序列由几百个bp构成；单拷贝序列只出现1次或几次。真核生物极大多数为单一基因；反向重复序列是指在DNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：“CGTACC-/-CCATGC-”,又称“回文结构”。,5、断裂基因,外显子具有实际编码意义的结构基因序列；内含子不具有编码意义的碱基序列，又称插入序列。6、大多数为非编码区（95左右）,二真核基因表达调控的特点：,1真核基因表达调控的环节更多,2、DNA、染色体水平的变化特点：,（

47、1）对核酸酶极度敏感,(2)DNA拓朴结构变化天然双链DNA几乎均以负性超螺旋构象存在。(3)DNA甲基化DNA甲基化程度与基因表达呈反比。5-mC、N6-mA、7-mG,(4)染色体结构的变化组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因转录；核小体结构影响基因转录。,3、正性调节占主导真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节不经济,4、转录和翻译过程分开进行转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞浆），可分别进行调控。5、转录后加工真核基因大多为断裂基因，内

48、含子和外显子一起被转录。转录后产物（hnRNA）经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的mRNA。,三、真核基因转录调控元件及调控机制,1、顺式作用元件：是真核生物DNA调控元件，包括启动子、增强子和沉默子。,1）启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,核心启动子(corepromoter),是指保证RNA聚合酶转录正常起始所必需的、最少的DNA序列。包括转录起始位点及转录起始位点上游-25-30bp处的TATA盒。核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。,上游启动子元件(upstream

49、promoterelement，UPE),包括通常位于-70-110bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，能通过TFD复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,2）增强子(enhancer)是指远离转录起始点、增强启动子转录活性的DNA序列，并决定组织特异性表达。增强子通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为812bp，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：,增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离14kb、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

50、子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。,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。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的特异性蛋白质因子所决定的。,能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。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：静止子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。,3）沉默子(silencer),2、反式作用因子（分子间作用因子）由不同染色体基因座位编码的、能直接或间接地识别或结