基因表达调控

1、第二十二章,基因表达调控,概 述 一、基因（gene) (一)概念 基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列.,（二）分类 基因可以分为结构基因和调节基因。 结构基因（structural gene） 指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。,三、基因表达调控的要点（了解）,(一)调控的细胞学基础,（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。 （六）调控模式 原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。 病毒基因表达调控 各种病

2、毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。,（七）基因表达的时间性和空间性 （1）时间特异性：按功能需要，某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。 （2）空间特异性：在个体生过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。,（八）基因表达的方式 （1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的，一些基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有细胞或组织中几乎是不

3、变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类，它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（house keeping gene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基因表达或基本性的表达（constitute expression）。 （2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化而变化，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基因称为可诱导基因（inducible genes），反过来有些基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏，这类基因称作可阻遏基因。例

4、如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。, 原核生物基因表达的调控 从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。 从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。,如果每个基因等同翻译，每一个多肽应有相同的拷贝数。 结论是否定的，基因的表达是被控制的。有些蛋白质的数目相当固定，另一些则变化很大。 一种是组成性、固定的：50种核糖体蛋白数量十分稳定。糖酵解体系的酶数目也极恒定。DNA聚合酶、RNA聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质（组成型合成蛋白）的合成速率不受环境变化或代谢状态的影响。 而另一种类型则被称为适应型或调节型(adaptive or

5、regulated)，这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。例如，一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每个细胞中这个酶的量可高达几万个分子。其他参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。,一、 原核基因表达调控总论,细菌中的基本调控机制有如下规律:一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的，即通过调节mRNA的合成来实现的。 一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞合成12个mRNA分子和极少量

6、的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。,原核基因表达调控的基本类型： 1、转录水平的调控 起始阶段-主要 延伸阶段-通常不受调控 终止阶段-可能受到调控 2、翻译水平的调控 主要发生在起始和终止阶段,二、操纵子(operon) 1961年 Jacob and Monod -乳糖操纵子模型 细菌转录调控的最初概念 （一） 概念： 在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。,（二）类型与结构 不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它

7、们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。,（三）操纵子(operon)的基本组成 结构基因、调节基因、操纵元件（操纵基因）、 启动子、终止子,三、乳糖操纵子,（一）组成：5种元件 由1个调节基因，3个结构基因、操纵基因（控制元件）、启动子和终止子组成。,1、结构基因 （1）lacZ：编码b 半乳糖苷酶 （使乳糖水解） （2）lacY：编码b 半乳糖苷透过酶 （使b 半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内） （3）lacA：编码b 半乳糖苷乙酰转移酶 （将乙酰基转移到b 半乳糖苷上） 2、启动子： Plac：控制 lacZ, lacY, lacA；多顺反子的mRNA 3、终止子,4、调节基因

8、lacI：编码阻遏蛋白（repressive protein）亚基 四聚体存在时具有活性，与 Olac具有 很强的亲和力,5、控制元件 操纵基因Olac （1）28bp的回文结构，可形成十字形结构 （2）这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏 蛋白相匹配。,Plac / RNA polymerase,Olac / repressor,-50,-30,-10,10,1,30,-20,-40,20,mRNA,startpoint,（二）乳糖操纵子的负调控 培养基不含乳糖 lacZ、 lacY 、 lacA低表达,（二）乳糖操纵子的负调控 1、阻遏蛋白与操纵基因结合 2、阻碍了RNA聚合酶与启动子P

9、lac的结合 3、转录不能进行 4、lacZ， lacY 、lacA低表达,分解lactose,（三）乳糖操纵子与负控诱导系统,培养基含乳糖 -lacZ 等高表达,（三）乳糖操纵子与负控诱导系统 1、阻遏蛋白与异构乳糖结合 2、阻遏蛋白构象变化，不能与操纵子序列结合 3、RNA聚合酶与lac启动子结合 4、lacZ， lacY ， lacA的转录可顺利进行,本底水平的组成性表达 无诱导物存在时仍有少量lac mRNA合成,五、色氨酸操纵子（了解）,调节基因,（一）组成 1、结构基因 （1）基因E、D、C、B、A （2）编码色氨酸合成所需要酶类 （3）头尾相接串连排列组成结构基因群 （4）组成一

10、个转录单元 （5）多顺反子mRNA,2、调节基因trpR （1）位置:远离P-结构基因群 （2）编码调控蛋白R （3）R没有与操纵元件结合的活性 （4）当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化 （5）R与特异性结合，抑制结构基因的转录,3、操纵元件 （1）18bp的回文结构 （2）与色氨酸启动子Ptrp序列在21 and +3 碱基之间重叠 （3）与Trp-R特异性结合，阻遏结构基因的转录,现象： 培养基中 Trp 浓度较低时- 基因E、D、C、B、A高表达 Trp 浓度较高时- 基因E、D、C、B、A低表达,（二）色氨酸操纵子与转录调控,Trp操纵元与 负控阻遏系统,1

11、、Trp操纵子与负控阻遏系统（一） （1）培养基中Trp 浓度较低 （2）调控蛋白R不能被活化 （3）未活化的调控蛋白R不能与操纵元件结合 （4）基因E、D、C、B、A高表达,Trp操纵元与 负控阻遏系统,Trp,2、Trp操纵子与负控阻遏系统（二） （1）培养基中Trp 浓度较高 （2）调控蛋白R与Trp结合 （3）Trp-R复合物与操纵子结合 （4）基因E、D、C、B、A低表达,（三）色氨酸操纵元总结 1、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏物）作用时则阻遏关闭转录。 2、负性调控的、可阻遏的操纵子 3、色氨酸可以作为共阻抑物起作用，并通过终产物抑制自身的合成（负反馈调节）。 4、细菌

12、不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。,实验观察表明： 当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。 这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构-衰减子有关。,一、特点 1、多层次 2、无操纵子和衰减子 3、个体发育复杂 4、受环境影响较小,激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，,其调控最大特点是遗传程序调控。, 真核生物基因表达的调控,二、真核生物基因表达调控的层次： 1、DNA水平调节 2、 转录水平调节 3、转录后水平的调节 4、翻译水平调节

13、5、翻译后加工的调节,DNA,转录初产物RNA,mRNA,蛋白质前体,mRNA降解物,活性蛋白质,DNA水平调节,转录水平调节,转录后水平的调节,翻译调节,mRNA降解的调节,翻译后加工的调节,核,细胞质,调控主要水平是转录水平。其次为转录后水平、DNA水平、翻译及翻译后水平等。,第二十三章,重组DNA技术,一、重组DNA（ 基因克隆、分子克隆） 通过体外重组技术,将一段目的DNA经切割、连接插入适当载体，并导入受体细胞，扩增形成大量子代分子的过程。 基因克隆的核心-体外重组(Recombination) 人工将一段目的DNA插入一个载体的过程。,载体DNA （vector）,目的DNA （target fragment）,重组DNA （recombinant DNA ）,宿主（host）,筛选、扩增,克隆（clone）,二、DNA克隆的路线,DNA 重组,转化,重组DNA操作一般步骤：,（1）获得目的基因； （2）与克隆载体连接，形成新的重组DNA分子； （3）用重组DNA分子转化受体细胞，并能在受体细胞中复制和遗传； （4）对转化子筛选和鉴定； （5）对获得外源基因的细胞或生物体通过培养，获得所需的遗传性状或表达出所需要的产物。,获得需要的目的基因常用的方法： 1、直接从生物体中提取总DNA，构建基因文库(gene library)，从中调