基因的表達與調控課件

第十四章基因的表達與調控第十四章基因的表達與調控1第一節(jié)基因的概念一、基因的概念及其發(fā)展

1、經(jīng)典遺傳學→孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子

→1909年約翰生提出了基因這個名詞，取代孟德爾的遺傳因子→摩爾根等人對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學

第一節(jié)基因的概念2經(jīng)典遺傳學關于基因的概念有如下幾個要點：1、基因是不連續(xù)的顆粒狀因子，在染色體上有固定的位置，并且呈直線排列，具有相對的穩(wěn)定性。

2、基因作為一個功能單位控制有機體的性狀表達。

3、基因以整體進行突變，是突變的最小單位。

4、基因在交換中不再被分割，是重組的最小單位，。

5、基因能自我復制，在有機體內通過有絲分裂有規(guī)律地傳遞，在上下代之間能通過減數(shù)分裂和受精作用有規(guī)律地傳遞。

經(jīng)典遺傳學關于基因的概念有如下幾個要點：3結構單位重組單位基因突變單位功能單位2、分子遺傳學基因是DNA分子上的一定區(qū)段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉錄、翻譯，可對其他基因起調節(jié)作用

結構單位重組單位4

突變子：突變的最小單位基因重組子：交換的最小單位順反子（作用子）：功能單位（基因）基因可進一步分為不同類型：(1)結構基因：可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列

(2)調控基因：其產物參與調控其他結構基因表達的基因

突變子：突變的最小單位5(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時編碼兩個或兩個以上多肽鏈的現(xiàn)象(4)隔裂基因：指一個結構基因內部為一個或更多的不翻譯的編碼順序，如內含子所隔裂的現(xiàn)象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉座因子移動的DNA序列，有人將它作為轉座因子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序6二、基因的微細結構

1、互補作用與互補測驗(順反測驗)假定有兩個獨立起源的隱性突變如a1與a2，它們具有類似的表型，如何判斷它們是屬于同一個基因的突變，還是分別屬于兩個基因的突變？即如何測知它們是等位基因？二、基因的微細結構7需要建立一個雙突變雜合二倍體，測定這兩個突變間有無互補作用需要建立一個雙突變雜合二倍體，測定這兩個突變間有無互補作用8圖8－2順反測驗第十四章基因的表達與調控課件92、順式與反式調控→假設某一基因的表達受一種調控蛋白質控制，只有在調控蛋白質與該基因的啟動子位點結合時，這個基因才能表達?！绻@個基因的啟動子位點發(fā)生突變，調控蛋白不能識別這個位點，也就不能轉錄形成RNA，基因就不能表達。

2、順式與反式調控10順式調控：突變只影響到與其鄰近的編碼序列，即基因本身不能表達，并不影響其它等位基因。這種突變稱為順式調控反式調控：如果是調控蛋白質發(fā)生突變，形成的蛋白質不能與這個基因的啟動子結合，這將會影響到與這個蛋白質結合的所有等位基因位點，導致這些基因不能表達，這種突變稱為反式調控

順式調控：突變只影響到與其鄰近11圖8－3順式調控與反式調控P為啟動子，R為調控蛋白，兩個正常的等位基因表達產生RNA。2.啟動子突變(P-)后，調控蛋白不能與其結合，順式調控突變的基因不表達，另一個等位基因正常表達。3.調控蛋白突變(R-)后，不能與啟動子結合，這種反式調控蛋白質突變，使受其控制的所有基因不表達。圖8－3順式調控與反式調控123、基因的微細結構20世紀50年代的生化技術還無法進行DNA的序列測定，本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術，對T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細結構進行了詳細分析3、基因的微細結構13圖8－6突變座位與互補圖解圖8－6突變座位與互補圖解14三、基因的作用與性狀的表達

結構蛋白/功能蛋白→直接性狀表達。人類的鐮形紅血球貧血癥：正常血紅蛋白基因(A)的基因兩個不同的突變(S或C)，即A→S或A→C導致鐮形紅血球

酶→間接地影響生物性狀的表達三、基因的作用與性狀的表達15

作用子ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密碼子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸纈組亮蘇脯谷谷賴SDNA

GTACAT

mRNA密碼子

GUA

氨基酸

纈

CDNA

AAATTT

mMRNA密碼子

AAA

氨基酸

賴

作用子ASDNA16第二節(jié)基因調控每個細胞都含有整套遺傳密碼，只是這本密碼在每個細胞中并不全部譯出應用，而是不同細胞選用其中各自需要的密碼子加以轉錄和翻譯。為什么基因只有在它應該發(fā)揮作用的細胞內和應該發(fā)揮作用的時間，才呈現(xiàn)活化狀態(tài)，而在它不應該發(fā)揮作用的時間和細胞內，則處于不活化的狀態(tài)呢？這種控制特定基因產物合成的機制稱為基因調控。

第二節(jié)基因調控17一、原核生物的基因調控1、轉錄水平的調控

→原核生物基因表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平→當需要某一特定基因產物時，合成這種mRNA。當不需要這種產物時，mRNA轉錄受到抑制

一、原核生物的基因調控18正調控：是經(jīng)誘導物誘導轉錄的調控機制，即誘導物與另一蛋白質結合形成一種激活子復合物，與基因啟動子DNA序列結合，激活基因起始轉錄負調控：阻遏物阻止轉錄過程的調控，即阻遏物與DNA分子結合，阻礙RNA聚合酶轉錄，使基因處于關閉狀態(tài)。只有當阻遏物被除去之后，轉錄才能起動，產生mRNA分子

原核生物中基因表達以負調控為主。真核生物中則主要是正調控機制。正調控：是經(jīng)誘導物誘導轉錄的調控機制，即誘導物與另一蛋白質結19圖8－8轉錄水平的負調控與正調控

圖8－8轉錄水平的負調控與正調控202、乳糖操縱元大腸桿菌的乳糖降解代謝途徑：Monod等發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌生長在含有乳糖的培養(yǎng)基上時，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖代謝基因不表達，乳糖代謝酶合成停止。為此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達的調控機制

2、乳糖操縱元21圖8－9乳糖操縱元模型及對有無乳糖的反應兩種組成型突變：I→I—，O→Oc,在有無誘導物時均可大量組成型表達

乳糖操縱元模型乳糖操縱元的負調控圖8－9乳糖操縱元模型及對有無乳糖的反應兩種組成型突變22乳糖操縱元的正調控

除了阻遏蛋白能抑制lac操縱元轉錄外，其它因子也能有效地抑制lacmRNA轉錄，這個因子的活性與葡萄糖有關：→葡萄糖抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性→腺苷酸環(huán)化酶催化ATP前體→cAmp→cAmp+代謝激活蛋白(CAP)→cAmp-CAP復合物，作為操縱元的

正調控因子

乳糖操縱元的正調控23→當cAmp-CAP復合物的二聚體插入到lac啟動子區(qū)域特異核苷酸序列時，使啟動子DNA彎曲形成新的構型，RNA聚合酶與這種DNA新構型的結合更加牢固，因而轉錄效率更高?！谟衅咸烟谴嬖跁r，不能形成cAmp，也就沒有操縱元的正調控因子cAmp-CAP復合物，因此基因不表達。

→當cAmp-CAP復合物的二聚體插入到lac啟動子區(qū)域特異24乳糖操縱元的正調控乳糖操縱元的正調控25目前，通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白，并成功地測定了阻遏蛋白的結晶結構，以及阻遏蛋白與誘導物及操縱子序列結合的結構

目前，通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白26圖8－14乳糖操縱元的不同調控位點a：CAP結合位點；b：RNA聚合酶結合位點；R：形成抑制環(huán)的區(qū)域，下面的數(shù)字表示轉錄起始點上下游的堿基數(shù)圖8－14乳糖操縱元的不同調控位點273、色氨酸操縱元大腸桿菌色氨酸操縱元是合成代謝途徑中基因調控的典型例子：色氨酸操縱元包括色氨酸合成中5種酶的結構基因。當培養(yǎng)基中有色氨酸時，色氨酸操縱元5種酶的轉錄同時受到抑制；在色氨酸供應不足時，發(fā)生轉錄。色氨酸直接作為阻遏物而不是誘導物參與調控色氨酸mRNA的轉錄。因此trp操縱元是一個典型的可阻遏操縱元

3、色氨酸操縱元28圖8－15色氨酸操縱元的組成

圖8－15色氨酸操縱元的組成291）阻遏物trpR由相距較遠的阻遏物基因編碼→無輔基阻遏物+trp→活性無輔基阻遏物—色氨酸復合物，與操縱子結合，阻止轉錄2）色氨酸不足時，無輔基阻遏物的三維空間結構發(fā)生改變，不能與操縱子結合，進行轉錄

活性的阻遏物與操縱子結合并不足以抑制轉錄的起始。（弱化子）1）阻遏物trpR由相距較遠的阻遏物基因編碼→無輔基阻遏物303）弱化作用：在高濃度色氨酸存在時，轉錄的前導序列mRNA只含有140個核苷酸，其中有一段28bp的弱化子區(qū)域，它在轉錄后可迅速形成發(fā)夾環(huán)結構，RNA聚合酶轉錄時不能通過這種發(fā)夾環(huán)結構。所以弱化子是一種內部終止子。4）無色氨酸時，由于前導肽中色氨酸密碼子的作用，使弱化子不能形成發(fā)夾結構而成為單鏈。RNA聚合酶則通過弱化子，繼續(xù)向前轉錄結構基因。

3）弱化作用：在高濃度色氨酸存在時，轉錄的前導序列mRNA只31圖8－16色氨酸前導序列經(jīng)堿基配對形成幾種二級結構

圖8－16色氨酸前導序列經(jīng)堿基配對形成幾種二級結構324、阿拉伯糖操縱元

阿拉伯糖操縱元也是解釋代謝途徑的調控系統(tǒng)，它具有一些與lac操縱元相似的特點，但與前述兩種操縱元系統(tǒng)的顯著區(qū)別是它的同一種調控蛋白--AraC調控蛋白既可起正調控,也可起負調控作用

4、阿拉伯糖操縱元33A、阿拉伯糖操縱元的組成。R：調控基因araC編碼AraC蛋白；O：操縱子位點；I：誘導位點，具有CAP結合位點。B、有ara時，AraC與I位點結合，CAP-cAmp與CAP位點結合，誘導表達結構基因，為正調控。C、無ara時，沒有CAP-cAmp復合體與CAP位點結合，AraC二聚體(D)與I及O2同時結合，形成抑制環(huán)，抑制轉錄，表現(xiàn)為負調控。

A、阿拉伯糖操縱元的組成。R：調控基因araC編碼AraC蛋345、翻譯水平的調控反饋調控機制：大腸桿菌有7個操縱元與核糖體蛋白質合成有關。從這些操縱元轉錄的每一種mRNA，能夠被同一操縱元編碼的核糖體蛋白質識別與結合。如果其中有一種核糖體蛋白質過量積累，都將與其自身的mRNA結合，阻止進一步翻譯。這種結合位點通常包括mRNA5’端非翻譯區(qū)，也包括啟動子區(qū)域的Shine-Dalgarno序列。

5、翻譯水平的調控35反義RNA調控：反義RNA可與目的基因的5’UTR互補配對，配對的區(qū)域通常也包括啟動子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能與核糖體有效結合，從而阻止蛋白質的合成。反義RNA基因已被導入真核細胞，控制真核生物基因表達。例如，將乙烯形成酶基因的反義RNA導入蕃茄，大大延長了蕃茄常溫貯藏期。

反義RNA調控：反義RNA可與目的基因的5’UTR互補配對，36二、真核生物的基因調控真核生物基因調控遠比原核生物復雜：1）高等真核生物的基因組遠比細菌的基因組大得多2）很多重復序列與調控作用有關3）染色質結構的變化可以調控基因表達4）存在同一染色體上不同基因間的調控，也存在不同染色體之間的基因調控調控發(fā)生在DNA水平，轉錄水平，轉錄后修飾，翻譯水平和翻譯后修飾等多種層次。多數(shù)基因表達調控發(fā)生在轉錄水平二、真核生物的基因調控371、DNA的改變（1）基因劑量與基因擴增組蛋白基因是基因劑量效應的一個典型例子。為了合成大量組蛋白用于形成染色質，多數(shù)細胞含有數(shù)百個組蛋白基因拷貝

基因劑量可經(jīng)基因擴增臨時增加。人類癌細胞中的許多致癌基因，經(jīng)大量擴增后高效表達，導致細胞生長失控。有些致癌基因擴增的速度與病癥的發(fā)展及癌細胞擴散程度高度相關。

1、DNA的改變38（2）DNA重排真核生物基因組中的DNA序列可發(fā)生重排，這種重排是由特定基因組的遺傳信息所決定的，是有些基因調控的重要機制。

（2）DNA重排39①酵母交配型轉換

→a這種交配型轉換的基礎是遺傳物質的重排?？刂平慌湫偷腗AT基因位于酵母菌第三染色體上，MATa和MAT互為等位基因

①酵母交配型轉換40圖8－19酵母菌交配型轉換的遺傳基礎圖8－19酵母菌交配型轉換的遺傳基礎41圖8－20抗體分子的基本結構一個抗體分子包括兩條重鏈(H)和兩條輕(L)。氨基端(N)是變異區(qū)(V)，羧基端(C)是恒定區(qū)(C)

②動物抗體基因重排圖8－20抗體分子的基本結構②動物抗體基因重排42圖8－21人類第14號染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗體重鏈基因的構建(B)抗體基因重排中各個片段之間的隨機組合，可從約300個抗體基因中產生108個抗體分子圖8－21人類第14號染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗43（3）DNA甲基化真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5碳上的氫被一個甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA復制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG雙核苷酸序列中發(fā)生頻率最高。許多真核生物基因5’端未翻譯區(qū)富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低轉錄效率。（3）DNA甲基化442、轉錄水平的調控(1)啟動子與轉錄因子

→同原核生物一樣，真核生物基因啟動子包括所有順式調控元件及RNA聚合酶識別位點，可以起始轉錄形成RNA→轉錄因子是激活真核生物基因轉錄的蛋白質→真核生物基因轉錄與原核生物的一個重要區(qū)別是：真核生物基因的啟動子必須與一系列轉錄因子結合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉錄

2、轉錄水平的調控45圖8－23真核生物基因(A)與原核生物基因(B)在5端啟動子的順式調控元件 轉錄方向用箭頭表示，轉錄起始點用+1表示

圖8－23真核生物基因(A)與原核生物基因(B)在5端46(2)強化子

轉錄強化子是真核生物基因轉錄中的另一種順式調控元件，通常位于啟動子上游700-1000bp處，離轉錄起始點較遠

(2)強化子47強化子主要有兩個功能:①與轉錄激活子結合，改變染色質的構型②使DNA彎曲形成環(huán)狀結構，使強化子與啟動子直接接觸，以便通用轉錄因子、轉錄激活子、RNA聚合酶一起形成轉錄復合體，從而提高mRNA合成效率

強化子主要有兩個功能:48圖8－25DNA環(huán)化與轉錄活性

圖8－25DNA環(huán)化與轉錄活性49圖8－26強化子競爭控制基因表達

圖8－26強化子競爭控制基因表達50(3)激活子激活子是一種與強化子結合的蛋白質，也屬于一種轉錄因子

正激活子真激活子（促進轉錄）抗阻遏物激活子激活子負激活子：抑制轉錄(3)激活子51圖8－28由Cys-His與鋅離子形成的具有三個手指的鋅指構型(a)模式圖(b)與DNA結合，一個手指與DNA大溝結合

圖8－28由Cys-His與鋅離子形成的具有三個手指的鋅52圖8－29二聚體形成的拉鏈(a)模式圖(b)與DNA結合時的剪刀狀構型圖8－29二聚體形成的拉鏈53(4)酵母菌乳糖代謝的正調控酵母菌半乳糖酶基因的作用方式與細菌中的lac和ara操縱元相似：無半乳糖時，基因不表達；加入半乳糖后，mRNA濃度迅速增加1000倍。(4)酵母菌乳糖代謝的正調控54(5)選擇性啟動子有些真核生物基因具有兩個或兩個以上的啟動子，用于在不同細胞中表達。果蠅的乙醇脫氫酶基因，在幼蟲和成蟲期分別利用不同啟動子進行轉錄(5)選擇性啟動子55(6)選擇性mRNA切割同一初級轉錄產物在不同細胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻譯成的蛋白質在含量或組成上都可能不同(6)選擇性mRNA切割56(7)激素的調控作用果蠅中，蛻皮激素引起唾腺染色體74區(qū)EF段、75區(qū)B段和78區(qū)D段都有疏松出現(xiàn)，說明蛻皮激素引起該部位基因的活性

(7)激素的調控作用57圖8－35果蠅不同發(fā)育階段唾腺第III染色體上的疏松圖式圖8－35果蠅不同發(fā)育階段唾腺第III染色體上的疏松圖式58在組織培養(yǎng)中，通過調節(jié)培養(yǎng)基中的激素種類和濃度，可使細胞脫分化和再分化在組織培養(yǎng)中，通過調節(jié)培養(yǎng)基中的激素種類和濃度，可使細胞脫分59三、翻譯水平的調控

真核生物中，如果翻譯過程被抑制，則已經(jīng)轉錄的mRNA也不能翻譯成多肽，被迫以失活的狀態(tài)貯存起來。例如，植物的種子可以貯存很多年，一旦條件合適，即可發(fā)芽。

其機制：（1）mRNA尾短→加尾→翻譯（2）阻遏蛋白與特異mRNA序列結合，導致蛋白質翻譯受阻

三、翻譯水平的調控60翻譯形成的線狀多肽鏈沒有功能，需要經(jīng)過加工修飾后才具有活性。加工過程中涉及到一系列調控機制蛋白質折疊

蛋白酶切割蛋白質的化學修飾蛋白質內含子（加工切除）

翻譯形成的線狀多肽鏈沒有功能，需要經(jīng)過加工修飾后才具有活性。61圖8－37蛋白質內含子的切割及跳躍。1.具有內含子的基因(A+Int)轉錄翻譯形成蛋白質；2.蛋白質內含子從多肽鏈上切割下來；3.切下來的內含子作為內切酶將不含內含子的等位基因(B-Int)切開；4.A+Int基因中的內含子序列插入到B-Int中形成B+Int基因

圖8－37蛋白質內含子的切割及跳躍。62第十四章基因的表達與調控第十四章基因的表達與調控63第一節(jié)基因的概念一、基因的概念及其發(fā)展

1、經(jīng)典遺傳學→孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子

→1909年約翰生提出了基因這個名詞，取代孟德爾的遺傳因子→摩爾根等人對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學

第一節(jié)基因的概念64經(jīng)典遺傳學關于基因的概念有如下幾個要點：1、基因是不連續(xù)的顆粒狀因子，在染色體上有固定的位置，并且呈直線排列，具有相對的穩(wěn)定性。

2、基因作為一個功能單位控制有機體的性狀表達。

3、基因以整體進行突變，是突變的最小單位。

4、基因在交換中不再被分割，是重組的最小單位，。

5、基因能自我復制，在有機體內通過有絲分裂有規(guī)律地傳遞，在上下代之間能通過減數(shù)分裂和受精作用有規(guī)律地傳遞。

經(jīng)典遺傳學關于基因的概念有如下幾個要點：65結構單位重組單位基因突變單位功能單位2、分子遺傳學基因是DNA分子上的一定區(qū)段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉錄、翻譯，可對其他基因起調節(jié)作用

結構單位重組單位66

突變子：突變的最小單位基因重組子：交換的最小單位順反子（作用子）：功能單位（基因）基因可進一步分為不同類型：(1)結構基因：可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列

(2)調控基因：其產物參與調控其他結構基因表達的基因

突變子：突變的最小單位67(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時編碼兩個或兩個以上多肽鏈的現(xiàn)象(4)隔裂基因：指一個結構基因內部為一個或更多的不翻譯的編碼順序，如內含子所隔裂的現(xiàn)象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉座因子移動的DNA序列，有人將它作為轉座因子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序68二、基因的微細結構

1、互補作用與互補測驗(順反測驗)假定有兩個獨立起源的隱性突變如a1與a2，它們具有類似的表型，如何判斷它們是屬于同一個基因的突變，還是分別屬于兩個基因的突變？即如何測知它們是等位基因？二、基因的微細結構69需要建立一個雙突變雜合二倍體，測定這兩個突變間有無互補作用需要建立一個雙突變雜合二倍體，測定這兩個突變間有無互補作用70圖8－2順反測驗第十四章基因的表達與調控課件712、順式與反式調控→假設某一基因的表達受一種調控蛋白質控制，只有在調控蛋白質與該基因的啟動子位點結合時，這個基因才能表達?！绻@個基因的啟動子位點發(fā)生突變，調控蛋白不能識別這個位點，也就不能轉錄形成RNA，基因就不能表達。

2、順式與反式調控72順式調控：突變只影響到與其鄰近的編碼序列，即基因本身不能表達，并不影響其它等位基因。這種突變稱為順式調控反式調控：如果是調控蛋白質發(fā)生突變，形成的蛋白質不能與這個基因的啟動子結合，這將會影響到與這個蛋白質結合的所有等位基因位點，導致這些基因不能表達，這種突變稱為反式調控

順式調控：突變只影響到與其鄰近73圖8－3順式調控與反式調控P為啟動子，R為調控蛋白，兩個正常的等位基因表達產生RNA。2.啟動子突變(P-)后，調控蛋白不能與其結合，順式調控突變的基因不表達，另一個等位基因正常表達。3.調控蛋白突變(R-)后，不能與啟動子結合，這種反式調控蛋白質突變，使受其控制的所有基因不表達。圖8－3順式調控與反式調控743、基因的微細結構20世紀50年代的生化技術還無法進行DNA的序列測定，本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術，對T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細結構進行了詳細分析3、基因的微細結構75圖8－6突變座位與互補圖解圖8－6突變座位與互補圖解76三、基因的作用與性狀的表達

結構蛋白/功能蛋白→直接性狀表達。人類的鐮形紅血球貧血癥：正常血紅蛋白基因(A)的基因兩個不同的突變(S或C)，即A→S或A→C導致鐮形紅血球

酶→間接地影響生物性狀的表達三、基因的作用與性狀的表達77

作用子ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密碼子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸纈組亮蘇脯谷谷賴SDNA

GTACAT

mRNA密碼子

GUA

氨基酸

纈

CDNA

AAATTT

mMRNA密碼子

AAA

氨基酸

賴

作用子ASDNA78第二節(jié)基因調控每個細胞都含有整套遺傳密碼，只是這本密碼在每個細胞中并不全部譯出應用，而是不同細胞選用其中各自需要的密碼子加以轉錄和翻譯。為什么基因只有在它應該發(fā)揮作用的細胞內和應該發(fā)揮作用的時間，才呈現(xiàn)活化狀態(tài)，而在它不應該發(fā)揮作用的時間和細胞內，則處于不活化的狀態(tài)呢？這種控制特定基因產物合成的機制稱為基因調控。

第二節(jié)基因調控79一、原核生物的基因調控1、轉錄水平的調控

→原核生物基因表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平→當需要某一特定基因產物時，合成這種mRNA。當不需要這種產物時，mRNA轉錄受到抑制

一、原核生物的基因調控80正調控：是經(jīng)誘導物誘導轉錄的調控機制，即誘導物與另一蛋白質結合形成一種激活子復合物，與基因啟動子DNA序列結合，激活基因起始轉錄負調控：阻遏物阻止轉錄過程的調控，即阻遏物與DNA分子結合，阻礙RNA聚合酶轉錄，使基因處于關閉狀態(tài)。只有當阻遏物被除去之后，轉錄才能起動，產生mRNA分子

原核生物中基因表達以負調控為主。真核生物中則主要是正調控機制。正調控：是經(jīng)誘導物誘導轉錄的調控機制，即誘導物與另一蛋白質結81圖8－8轉錄水平的負調控與正調控

圖8－8轉錄水平的負調控與正調控822、乳糖操縱元大腸桿菌的乳糖降解代謝途徑：Monod等發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌生長在含有乳糖的培養(yǎng)基上時，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖代謝基因不表達，乳糖代謝酶合成停止。為此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達的調控機制

2、乳糖操縱元83圖8－9乳糖操縱元模型及對有無乳糖的反應兩種組成型突變：I→I—，O→Oc,在有無誘導物時均可大量組成型表達

乳糖操縱元模型乳糖操縱元的負調控圖8－9乳糖操縱元模型及對有無乳糖的反應兩種組成型突變84乳糖操縱元的正調控

除了阻遏蛋白能抑制lac操縱元轉錄外，其它因子也能有效地抑制lacmRNA轉錄，這個因子的活性與葡萄糖有關：→葡萄糖抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性→腺苷酸環(huán)化酶催化ATP前體→cAmp→cAmp+代謝激活蛋白(CAP)→cAmp-CAP復合物，作為操縱元的

正調控因子

乳糖操縱元的正調控85→當cAmp-CAP復合物的二聚體插入到lac啟動子區(qū)域特異核苷酸序列時，使啟動子DNA彎曲形成新的構型，RNA聚合酶與這種DNA新構型的結合更加牢固，因而轉錄效率更高。→在有葡萄糖存在時，不能形成cAmp，也就沒有操縱元的正調控因子cAmp-CAP復合物，因此基因不表達。

→當cAmp-CAP復合物的二聚體插入到lac啟動子區(qū)域特異86乳糖操縱元的正調控乳糖操縱元的正調控87目前，通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白，并成功地測定了阻遏蛋白的結晶結構，以及阻遏蛋白與誘導物及操縱子序列結合的結構

目前，通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白88圖8－14乳糖操縱元的不同調控位點a：CAP結合位點；b：RNA聚合酶結合位點；R：形成抑制環(huán)的區(qū)域，下面的數(shù)字表示轉錄起始點上下游的堿基數(shù)圖8－14乳糖操縱元的不同調控位點893、色氨酸操縱元大腸桿菌色氨酸操縱元是合成代謝途徑中基因調控的典型例子：色氨酸操縱元包括色氨酸合成中5種酶的結構基因。當培養(yǎng)基中有色氨酸時，色氨酸操縱元5種酶的轉錄同時受到抑制；在色氨酸供應不足時，發(fā)生轉錄。色氨酸直接作為阻遏物而不是誘導物參與調控色氨酸mRNA的轉錄。因此trp操縱元是一個典型的可阻遏操縱元

3、色氨酸操縱元90圖8－15色氨酸操縱元的組成

圖8－15色氨酸操縱元的組成911）阻遏物trpR由相距較遠的阻遏物基因編碼→無輔基阻遏物+trp→活性無輔基阻遏物—色氨酸復合物，與操縱子結合，阻止轉錄2）色氨酸不足時，無輔基阻遏物的三維空間結構發(fā)生改變，不能與操縱子結合，進行轉錄

活性的阻遏物與操縱子結合并不足以抑制轉錄的起始。（弱化子）1）阻遏物trpR由相距較遠的阻遏物基因編碼→無輔基阻遏物923）弱化作用：在高濃度色氨酸存在時，轉錄的前導序列mRNA只含有140個核苷酸，其中有一段28bp的弱化子區(qū)域，它在轉錄后可迅速形成發(fā)夾環(huán)結構，RNA聚合酶轉錄時不能通過這種發(fā)夾環(huán)結構。所以弱化子是一種內部終止子。4）無色氨酸時，由于前導肽中色氨酸密碼子的作用，使弱化子不能形成發(fā)夾結構而成為單鏈。RNA聚合酶則通過弱化子，繼續(xù)向前轉錄結構基因。

3）弱化作用：在高濃度色氨酸存在時，轉錄的前導序列mRNA只93圖8－16色氨酸前導序列經(jīng)堿基配對形成幾種二級結構

圖8－16色氨酸前導序列經(jīng)堿基配對形成幾種二級結構944、阿拉伯糖操縱元

阿拉伯糖操縱元也是解釋代謝途徑的調控系統(tǒng)，它具有一些與lac操縱元相似的特點，但與前述兩種操縱元系統(tǒng)的顯著區(qū)別是它的同一種調控蛋白--AraC調控蛋白既可起正調控,也可起負調控作用

4、阿拉伯糖操縱元95A、阿拉伯糖操縱元的組成。R：調控基因araC編碼AraC蛋白；O：操縱子位點；I：誘導位點，具有CAP結合位點。B、有ara時，AraC與I位點結合，CAP-cAmp與CAP位點結合，誘導表達結構基因，為正調控。C、無ara時，沒有CAP-cAmp復合體與CAP位點結合，AraC二聚體(D)與I及O2同時結合，形成抑制環(huán)，抑制轉錄，表現(xiàn)為負調控。

A、阿拉伯糖操縱元的組成。R：調控基因araC編碼AraC蛋965、翻譯水平的調控反饋調控機制：大腸桿菌有7個操縱元與核糖體蛋白質合成有關。從這些操縱元轉錄的每一種mRNA，能夠被同一操縱元編碼的核糖體蛋白質識別與結合。如果其中有一種核糖體蛋白質過量積累，都將與其自身的mRNA結合，阻止進一步翻譯。這種結合位點通常包括mRNA5’端非翻譯區(qū)，也包括啟動子區(qū)域的Shine-Dalgarno序列。

5、翻譯水平的調控97反義RNA調控：反義RNA可與目的基因的5’UTR互補配對，配對的區(qū)域通常也包括啟動子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能與核糖體有效結合，從而阻止蛋白質的合成。反義RNA基因已被導入真核細胞，控制真核生物基因表達。例如，將乙烯形成酶基因的反義RNA導入蕃茄，大大延長了蕃茄常溫貯藏期。

反義RNA調控：反義RNA可與目的基因的5’UTR互補配對，98二、真核生物的基因調控真核生物基因調控遠比原核生物復雜：1）高等真核生物的基因組遠比細菌的基因組大得多2）很多重復序列與調控作用有關3）染色質結構的變化可以調控基因表達4）存在同一染色體上不同基因間的調控，也存在不同染色體之間的基因調控調控發(fā)生在DNA水平，轉錄水平，轉錄后修飾，翻譯水平和翻譯后修飾等多種層次。多數(shù)基因表達調控發(fā)生在轉錄水平二、真核生物的基因調控991、DNA的改變（1）基因劑量與基因擴增組蛋白基因是基因劑量效應的一個典型例子。為了合成大量組蛋白用于形成染色質，多數(shù)細胞含有數(shù)百個組蛋白基因拷貝

基因劑量可經(jīng)基因擴增臨時增加。人類癌細胞中的許多致癌基因，經(jīng)大量擴增后高效表達，導致細胞生長失控。有些致癌基因擴增的速度與病癥的發(fā)展及癌細胞擴散程度高度相關。

1、DNA的改變100（2）DNA重排真核生物基因組中的DNA序列可發(fā)生重排，這種重排是由特定基因組的遺傳信息所決定的，是有些基因調控的重要機制。

（2）DNA重排101①酵母交配型轉換

→a這種交配型轉換的基礎是遺傳物質的重排?？刂平慌湫偷腗AT基因位于酵母菌第三染色體上，MATa和MAT互為等位基因

①酵母交配型轉換102圖8－19酵母菌交配型轉換的遺傳基礎圖8－19酵母菌交配型轉換的遺傳基礎103圖8－20抗體分子的基本結構一個抗體分子包括兩條重鏈(H)和兩條輕(L)。氨基端(N)是變異區(qū)(V)，羧基端(C)是恒定區(qū)(C)

②動物抗體基因重排圖8－20抗體分子的基本結構②動物抗體基因重排104圖8－21人類第14號染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗體重鏈基因的構建(B)抗體基因重排中各個片段之間的隨機組合，可從約300個抗體基因中產生108個抗體分子圖8－21人類第14號染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗105（3）DNA甲基化真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5碳上的氫被一個甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA復制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG雙核苷酸序列中發(fā)生頻率最高。許多真核生物基因5’端未翻譯區(qū)富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低轉錄效率。（3）DNA甲基化1062、轉錄水平的調控(1)啟動子與轉錄因子

→同原核生物一樣，真核生物基因啟動子包括所有順式調控元件及RNA聚合酶識別位點，可以起始轉錄形成RNA→轉錄因子是激活真核生物基因轉錄的蛋白質→真核生物基因轉錄與原核生物的一個重要區(qū)別是：真核生物基因的啟動子必須與一系列轉錄因子結合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉錄

2、轉錄水平的調控107圖8－23真核生物基因(A)與原核生物基因(B)在5