第5章 分子水平上的基因功能(下).ppt

1、5.8 基因表达的调控,5.8.1 基因表达调控的多水平性 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质,5.8.2原核类基因的表达调控,一、操纵子与操纵子模型 操纵子学说/操纵子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生理学奖) 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P）组成。 转录、翻译、合成蛋白

2、结合调节蛋白 结合RNA聚合酶,操纵子(operon)模型,调控蛋白的作用机制,注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer) 负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor),二、正调控与负调控 调节基因 RNA 调节蛋白 正调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达 基因失活，结构基因不表达 （正控制/正调节 ） 负调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达 基因失活，结构基因组成型表达 （负控制/负调节 ）,根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分： 隐性的组成型表达负控制系统 结构基因处

3、于不可诱导状态正控制系统 根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏,操纵子调控系统的基本类型,可诱导负控制系统 可诱导正控制系统 可阻遏负控制系统 可阻遏正控制系统,正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。,如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加: . -半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖 . 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和

4、半乳糖 . 转乙酰酶：-半乳糖转变成乙酰半乳糖 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加. 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.,5.8.2.1乳糖操纵子,1 调控位点 (1) Operator 操纵基因 (2) CAP(catabolite gene activation protein) or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3) Promotor 2 诱导物为乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,Jacob和Monod构建了局部二倍体（merodiploid），携带着野生型和组成型的等位基因。野生型等位基因证明是显性

5、的。野生型细胞可以产生某种物质使lac基因关闭。这种物质也可以使组成型基因表达关闭，从而局部二倍体也是诱导型的。这种物质他们命名为repressor。组成型菌株的repressor基因有缺陷性突变，即lacI-。,5.8.2.2 色氨酸操纵子,1.结构 2.特点: (1) trpR(89)和trpABCDE(25)不连锁； (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator) (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导顺序(Leader)所隔开,trp 操纵子的结构,3.调节,(1) Trp作为辅阻遏物(corepressor) (2)阻遏物和 RNA pol 在P,O重

6、叠区产生竞争性抑制； (3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千； (4) trpO调节合成代谢，存在衰减作用。,5.8.3真核生物基因表达的调控,在真核生物中基因表达的调节其特点是 （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,5.8.3.1DNA结构与基因的表达调控,DNA分子的核苷酸序列不仅带有编码信息，也带有构象信息。DNA的结构与功能是紧密相关的，实验证实，某一基因表达与否及表达效率的高低既与DNA的一级结构有关，也与DNA的高级结构有关。,1、染色质的结构与基因的表达调控 在真核生物中，DNA包装成染色质的高度有序核蛋白复合物(图7-13)，它的

7、结构在有潜在转录活性的形式和转录抑制的凝聚状态之间转换。染色质结构对基因活性的调节使大部分基因完全被抑制或激活，这对含有庞大基因组的生物可能是有利的。,图7-13组蛋白DNA复合物,组蛋白与非组蛋白对基因转录的调控模型,2.DNA超螺旋结构的影响 双链DNA分子的两条链绕轴卷曲成双螺旋（二级结构），然后双螺旋再卷曲成超螺旋（三级结构），超螺旋还可以卷曲成更高级的结构。体外实验表明，只有把DNA卷曲成超螺旋才可能进行复制和转录。其中复制受超螺旋程度的影响不大，复制酶不管模板的超螺旋松紧度如何都可进行正常复制，而转录却不同，转录极易受到超螺旋松紧程度的影响。,3.DNA甲基化对基因表达的影响 甲基

8、化(methylation)是在甲基化酶(methylase)的作用下，将一个甲基添加到DNA分子中的碱基上，最常见的是胞嘧啶甲基化形成5-甲基胞嘧啶，用mC表示。真核生物DNA中大约20-70%的胞嘧啶存在着甲基化修饰。甲基化多发生在CG二核苷酸对上，分半甲基化5mCpG3/3GpC5，和完全甲基化5mCpG3/3GpCm5两种。使用某些II型限制性内切酶可以研究DNA序列的甲基化状况，如HpaII识别并切割未甲基化的CCGG(CCGG)，而MspI识别无论是否甲基化的CCGG，切割后的片段分别进行电泳，即可鉴定这些CCGG序列是否甲基化。,用限制性内切酶鉴定CCGG序列是否甲基化。数字为酶

9、切后的DNA片段编号,5.8.3.2调控序列和调控蛋白对基因表达调控的影响,真核细胞的一个基因调控区(gene control region)包括启动子及对其调控的所有的调控序列(regulatory sequence)。这些调控序列距离启动子或远或近，多数在基因的上游，也有的在下游。在高等真核细胞中一个基因的调控序列往往扩展达50kb之长，其中常间以不被调控蛋白所识别的空档区(spacer) 。,5.8.3.3一个基因可以编码多个蛋白,在真核生物中，一个编码区包括多个内含子和外显子，一般情况下，在断裂基因初级转录本的剪接中，总是把所有的内含子剪掉，然后将外显子依次地连接起来。因此，一种断裂基

10、因只能产生一种成熟的mRNA，合成一种多肽。但后来发现许多断裂基因在其转录本剪接中，通过不同的剪接方式从一个基因产生多种不同的多肽或蛋白质。生物体通过这种选择性剪接(alternative splicing)来调控基因的表达，产生不同的蛋白质以适应不同的环境需要。,小鼠淀粉酶在不同组织中mRNA的选择性剪接,真核基因中内含子的发现使中心法则的共线性原则发生动摇，上面我们也谈到通过RNA的选择性剪接从一个基因可以产生不同的蛋白产物，但这些都并没有改变基因(DNA)直接产物RNA的序列。1986年生物学家在锥虫(Trypanosome,一种人和昆虫的寄生虫)的线粒体内发现了一种能改变编码蛋白质RN

11、A转录本的新的分子机制，这种机制叫RNA编辑（RNA editing）。这是在生成mRNA分子后，通过在选择的转录本区域内添加、去掉或置换核苷酸，从而改变来自DNA模板的遗传信息，翻译生成不同于模板DNA所规定的氨基酸序列。这过程是由叫编辑体(editosome)的酶复合体催化的。RNA编辑同基因的选择性剪接一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质。,不同生物中的RNA编辑的情况,5.8.3.5反义RNA,反义RNA(antisense RNA)(图7-20)是指与mRNA互补的RNA分子，它能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工和翻译，是原核细胞中基因表达调控的一

12、种方式。1984年Adelman等发现大鼠的促性腺激素释放激素(GnRH)的基因两条链都能转录，首次在真核中也发现了反义RNA。后来的许多实验证明在真核细胞中亦有不少反义RNA的存在。,antisense RNA,5.8.3.6mRNA的稳定性与基因表达调控,在真核生物中，由于细胞处于一个相对稳定的环境中，其mRNA较为稳定，mRNA的寿命长达数小时而不是几分钟，当然也有些真核mRNA的寿命较短，只有30分钟或更短。寿命极长的mRNA可以长时期积累，经过一个静止期后，当需要的时候，它们就能被激活，例如种子萌发时，甚而在没有RNA合成时，也能形成多聚核糖体，及开始蛋白质合成，所以种子内一定贮存有稳定的mRNA模板，莲子在1700年以后仍能萌发，可见其mRNA可存活相当长的时间。,5.8.3.7翻译后的蛋白质修饰在基因表达调控中的作用,生物体内的某些成熟的蛋白质和直接从mRNA翻译出来的蛋白质的结构并不完全一样。例如某些蛋白质以前体形式合成，然后经蛋白酶水解成为长