基因的表达与调控

第八章 基因的表达与调控 第一节 基因的概念 孟德尔称控制性状的因子为遗传因子； 1909年约翰森提出了基因这个名词，取代孟德尔 的遗传因子； 摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建 立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。 一、基因的概念及其发展 1、经典遗传学的基因概念： 基因能够自我复制，具有相对稳定性； 基因在染色体上占有一定的位置，是交 换的最小单位； 基因是突变的最小单位； 基因是一个功能单位。 v基因 结构单位 功能单位 重组单位 突变单位 2、分子遗传学的基因概念 基因是DNA分子上的一定区段,携带 有特殊的遗传信息，可转录为RNA （mRNA、tRNA、rRNA），或进 一步翻译成多肽链。 分子遗传学研究表明： F突变子 (muton)：性状突变时，产生突变的最小 单位。一个突变子可以小到一个核苷酸； F重组子 (recon)：性状重组时，可交换的最小单 位。一个交换子可以只包含一对核苷酸； F顺反子 (cistron)：是决定一条多肽链合成的功能 单位 。 v精细的微生物遗传分析表明，并不是不可分割的 最小单位；根据现代遗传学的概念，可分为突变单 位、重组单位和功能单位： &基因的概念： 可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多 肽链； 功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸 序列。 v假定有两个独立起源的隐性突变，如a1与a2，它 们具有类似的表型。 v如何判断它们是属于同 一个基因的突变，还是分 别属于两个基因的突变？ 即如何测知它们是否是等 位基因？ 二、基因的微细结构 1、互补作用与互补测验(顺反测验) 需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突 变间有无互补作用； 如果有互补作用，个体应表现为野生型，表明这 两个突变来自两个基因； 如果无互补作用，个体应表现为突变型，表明这 两个突变来自一个基因。 a1a1a2a2 4顺反测验：这种根据功能确定等位基因的测验称为 互补测验。 4杂合的双突变体有两种不同的排列形式：顺式排列 和反式排列。 2、顺式与反式调控 4 假设某一基因的表达受一种调控蛋白质控制， 只有在调控蛋白质与该基因的启动子位点结合时， 这个基因才能表达。 4 如果该基因的启动子或调控这个基因的调控蛋白 突变，则可以使该基因不能表达。 顺式调控: 如果该基因的启动子发生突变，使调 控蛋白不能识别这个位点，从而导致该基因不能 表达，这种突变称为顺式调控。 1 2 1 2 反式调控：如果是调控蛋白质发生突变，形成的 蛋白质不能与这个基因的启动子结合，从而导致 这些基因不能表达，这种突变称为反式调控。 1 2 1 2 3、基因的微细结构 20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列测 定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对 T4噬菌体r区基因的微细结构进行了详细分析。 F野生型T4噬菌体 F可侵染B株和K12株 F噬菌斑小而模糊 Fr突变型T4噬菌体 F只能侵染B株， 不能侵染K12株 F噬菌斑大而清晰 用两种的r区突变体对大 肠杆菌B菌株进行双重感染； 双重感染 重组值= r+r+rxry 噬菌体总数 100%= 2r+r+ 噬菌体总数 100% 形成噬菌斑后,收集溶菌液, 并接种在B菌株上，计算总噬 菌数； 同时将溶菌液接种在K12菌 株上，计算野生型重组体的数 目； 基因 三、基因的作用与性状的表达 结构蛋白 酶 人的镰刀形贫血症 豌豆皱粒表现型是由于缺少了 淀粉分支酶而导致的 作 用 子 A DNA GTA CAT CAT GTA CTT GAA ACT TGA CCT GGA GAA CTT GAA CTT AAA TTT mRNA 密码子 GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA 氨基酸 缬组亮苏脯谷谷赖 S DNA GTA CAT mRNA 密码子 GUA 氨基酸 缬 C DNA AAA TTT mMRNA 密码子 AAA 氨基酸 赖 v1941年，Beadle and Tatum 根据红色面包 霉的研究提出了“一个基因一个酶”的假说 。 v后来又被修改为“一个基因种多肽链”。 第二节 基因调控 v每个细胞都含有整套遗传密码，在不同的发 育阶段和不同的细胞中，只有各自需要的遗传 密码子被转录和翻译。 &这种控制特定基因产物合成的机制称为基因 调控。 原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。 一、原核生物的基因调控 当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。 当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。 1、转录水平的调控 v正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱 导物与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物， 与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。 v负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物 与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处 于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才 能起动，产生mRNA分子。 & 原核生物中基因表达以负调控为主。 真核生物中则主要是正调控机制。 转录水平的负调控与正调控 2、乳糖操纵元 Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养 基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没 有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成 停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元 模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制。 P: O: I: Z: Y: A: 抑制基因 启动子 操纵子 -半乳糖苷酶 渗透酶 乙酰转移酶 v乳糖操纵元模型 II- 4乳糖操纵元 的负调控 4两种组成型突变： 组成型表达 OOc 4乳糖操纵元模型是从分子间的互作来解释 结构基因的调控方式的： F当没有乳糖时，因不需要乳糖代谢酶，故转录终 止； F当有乳糖时，通过乳糖与阻遏蛋白结合，间接诱 导激活基因表达； F当乳糖被消耗殆尽时，没有乳糖与阻遏蛋白结合， 阻遏蛋白又可以与操纵子结合，阻止基因转录表达。 异丙基-D-硫代半乳糖 (isopropyl-D-thiogalactoside) IPTG 此结果说明，诱导过程并不涉及诱导物与酶 之间的作用。 4根据乳糖操纵元模型可知，-半乳糖苷酶 在乳糖代谢中的作用是降解乳糖形成葡萄糖 和半乳糖，半乳糖最终也将被转变成葡萄糖 加以利用； 4当细菌处于既有大量乳糖，又有葡萄糖存在 的情况下,-半乳糖苷酶的合成又将如何呢？ 4研究结果显示，只要有葡萄糖存在，细菌 细胞将不会产生-半乳糖苷酶； 4由此可以说明，除了阻遏蛋白能够抑制乳糖 操纵元的转录外，还有其他因子也能有效地 抑制乳糖mRNA的转录，而且，这个因子的活 性应该与葡萄糖有关。 当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区 域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的 构型，RNA聚合酶与这种DNA新构型的结合更加牢 固，因而转录效率更高。 4乳糖操纵元的正调控 cAmpATP 腺苷酸环化酶 CAP cAmp-CAP v在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就不能 形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。 v目前，通过遗传分析证明了lac操纵元的存在； 已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白 的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序 列结合的结构。 基因型 -半乳糖苷酶活性 有乳糖无乳糖 一 I+O+Z+- I+O+Z- I-O+Z+ I+OcZ+ 二 I-O+Z+/FI+- I+OcZ+/FO+ 三 I+O+Z+/FI-+- I+O+Z+/FOc+- 四 IsO+Z+- IsO+Z+/FI+- 乳糖操纵元的不同调控位点 a：CAP结合位点；b：RNA聚合酶结合位点；R：形成抑制环的 区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数 3、色氨酸操纵元 v大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。 v色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结 构基因TrpE、 TrpD 、 TrpC 、 TrpB 和 TrpA 。 色氨酸操纵元的组成 RNA聚合酶 无辅基 阻遏物 Trp 无辅基 阻遏物 Trp v阻遏物trpR由相距较远的阻遏物基因编码无辅 基阻遏物 + trp活性复合物，与操纵子结合，阻 止转录。 v色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发 生改变，不能与操纵子结合，进行转录。 弱化作用 无辅基 阻遏物 Trp 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构 当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的 转录同时受到抑制； &色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控 色氨酸mRNA的转录。可以被最终合成产物所阻 遏的操纵元叫做可阻遏操纵元。 在色氨酸供应不足时，发生转录。 &衰减作用的生物学意义 除trp操纵元外，许多负责氨基酸合成的操纵元 的表达均可受衰减作用的调控,如His操纵元、Phe 操纵元等。 trp操纵元中，阻遏作用与衰减作用一起协同控 制其基因的表达，显然比单一的阻遏负调控系统 更为有效、更为灵敏。 4、阿拉伯糖操纵元 &阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系 统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但 与前述两种操纵元系统的显著区别是： F它的同一种调控蛋白AraC调控蛋白既可起 正调控,也可起负调控作用。 R：调控基因araC 编码AraC蛋白； 4阿拉伯糖操纵元的组成 O：操纵子位点； I：诱导位点，具有CAP结合位点； B,A,D：结构基因。 F无ara时，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合，形成抑制环， 阻遏CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，从而抑制转录，表 现为负调控。 F有ara时，AraC与I位点结合，CAP-cAmp与CAP位点结合， 诱导表达结构基因，为正调控。 5、翻译水平的调控 反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋 白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA， 能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。 这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区，也包 括启动子区域的Shine-Dalgarno序列。 如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与 其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。 反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR互补 配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno 序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋 白质的合成。 真核生物中的应用： v将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延 长了蕃茄常温贮藏期。 科学家采用反义RNA技术封闭番茄细胞中上述两个酶编 码基因的表达，由此构建出的重组番茄的乙烯合成量分 别仅为野生植物的3%和0.5%，明显增长了番茄的保存期 。 S-腺苷甲硫氨酸 氨基环丙烷羧酸合成酶 乙烯合成酶EFE 抗病毒番茄 玫瑰花香番茄 二、真核生物的基因调控 真核生物具有精确的发育程序以及大量分化的 特殊细胞群体，它需要更为多样化的调控机制， 因此，真核生物的基因调控远比原核生物复杂： F高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大 得多； F染色质结构的变化可以调控基因表达； 基因组大小编码基因 大肠杆菌4.6106bp4288 啤酒酵母1.2107bp5885 拟南芥1.25108bp25498 水稻4.3108bp46022-55615 人3109bp3.5万 不同物种基因组比较 v调控发生在染色体水平、DNA水平、转录水平、转 录后修饰、翻译水平和翻译后修饰等多种层次。 F真核生物的转录和翻译存在时间和空间上的差异； F不同个体、不同细胞可能具有不同的调控机制； F在真核生物中，基因的差别表达是细胞分化和功 能的核心； (一)染色质的结构特性与转录 活性染色质：处于可及状态的染色质。 RNA聚合酶可识别活 性染色质DNA序列中的 结合位点，因而能进 行有效的转录。 研究表明,活性染色 质具有对DNase作 用超敏感位点,原因 是没有形成核小体单 位。 体外实验表明，在基因的启动子部位形成一个 核小体单位，就足以有效阻止转录的启动。 与此相反，一旦转录启动， 核小体核心便可以转录到底, 表明转录本的延长并没有被 核小体阻断。推测，发生了 核小体的解折叠作用。 （二）DNA水平的调控 v基因剂量与基因扩增 基因剂量可经基因扩增临时增加。如：蟾蜍 卵母细胞的rRNA基因可以扩增4000倍。 基因的多拷贝使其剂量增加。如：组蛋白。 基因的扩增与肿瘤的形成和细胞的衰老有关。 原发性成视网膜细胞瘤中，含myc癌基因的 DNA区段扩增了10-200倍； UV和羟基脲等致癌剂同样可诱导DNA的扩增。 vDNA重排 真核生物基因组中的DNA序 列可发生重排，这种重排是由 特定基因组的遗传信息所决定 的，是有些基因调控的重要机 制。 酵母交配型转换 4a这种交配型转换 的基础是遗传物质的重 排。控制交配型的MAT 基因位于酵母菌第三染 色体上，MATa和MAT 互为等位基因。 酵母菌交配型转换 动物抗体基因重排 正常的哺乳动物可以产 生108个抗体分子。 抗体基因重排中各个片 段之间的随机组合,可从 约300个抗体基因中产生 108个抗体分子。 重链( H ) 轻链( L ) 人类第14号染色体上抗体重链基因片段 变异区(VH) 多样区(D)链接区(J) 恒定区(C) 动物基因的异常无序重排 &哺乳动物基因组的许多重排事件都是同细胞 的病理变化相关联的，特别是肿瘤的发生过程。 慢性髓细胞白血病：细胞中具有费城染色体， 它是由9号染色体与22号染色体部分交换形成的。 伯基特淋巴瘤：涉及8号染色体与14(2)号染 色体部分交换。 vDNA甲基化 真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个 甲基取代，称为甲基化。 真核生物中，90%以上的甲基化作用发生在DNA的 CG双碱基序列处，而且，一经甲基化便可持续维持。 5-甲基 -CG- -GC- 5-甲基 半保留复制 5-甲基 -CG- -GC- 甲基化酶 -CG- -GC- 5-甲基 5-甲基 -CG- -GC- 5-甲基 研究表明，C-5上的甲基突出到DNA大沟内的 暴露部位，因此，它有可能影响到DNA与转录 激活因子之间的结合作用。 研究证实，DNA甲基化程度越低，基因的表达 活性也就越高；反之，基因表达活性越低。 v甲基化可降低转录效率。 如果将不会被甲基化的5-氮胞嘧啶掺入DNA 分子中时，可导致正常情况下不表达的基因进 行表达。 （二）转录水平的调控 1.真核生物的RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 存在于核仁，负 责转录rRNA基因 存在于核质，负 责转录前体mRNA 存在于核质，负 责转录tRNA，5S rRNA,snRNA等 2.真核基因的顺式作用元件 v顺式作用元件(cis-acting element)：DNA上 对基因表达具有调节活性的某些特定序列。 v顺式作用元件多位于基因旁侧或内含子中，不 编码蛋白质。 (1)启动子 &启动子：是在基因转录启始位点(+1)上游约 100bp左右的一段具有独立功能的序列，为多部 位结构，包含有TATA框、CAAT框及GC框等。 启动子的顺式调控元件 (A)真核生物 (B)原核生物 &TATA框(Hogness box)：其中心位置约在启始位 点上游-30bp处，富含A、T。它决定着聚合酶对转 录启始位点的选择，是控制转录的精确性序列。 框内任何一个碱基的替换都将导致强烈的下降突 变。 如：-珠蛋白。 &将兔的-珠蛋白基因的CAAT框变为GGCCAATCT,其 转录效率仅为原来的12%。 &CAAT框：此框因其共有序列GGC CAATCT 而得名。 位于-75bp附近。在决定启动子启始频率方面具有重 要作用。 C T &GC框：在-90bp附近的GGGCGG序列。它在启动子 中可以有多个拷贝，并以任何方向存在而不影响其 作用。 转录强化子：是真核生物基因转录中的另一种 顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp 处，离转录起始点较远。 (2)强化子 可通过启动子大幅度提高靶基因转录的频率； 对同源或异源基因同样有效； 位置多样，且其方向与功能无关； 可远距离调控转录启始。 v强化子的特性: v强化子主要有两个功能: 与转录激活子结合，改变染色质的构型。 使DNA弯曲形成环状结构，使强化子与启动 子直接接触,以便通用转录因子、转录激活子、 RNA聚合酶形成转录复合体，从而提高mRNA合 成效率。 DNA环化与转录活性 RNA 聚合酶 RNA 聚合酶 强化子竞争控制基因表达 (3)静止子 静止子：这是一种类似增强子但起负调控作用 的順式作用元件。 静止子可以不受距离和方向的限制，并且能够 调控异源基因的表达。 3.真核基因的反式作用因子 4反式作用因子(trans-acting factor)： 由不同染色体上基因编码的、能直接或间接识 别或结合順式作用元件核心序列，并参与调控 靶基因转录的结合蛋白。 v激活子 激活子：是一种与强化子结合的蛋白质，也属于 一种转录因子。 激活子 正激活子 负激活子 促进转录 抑制转录 激活子 真激活子 抗阻遏物激活子 v真激活子: 包括DNA结合区域(DNA-binding domain) 和调控激活区域(trans-activating domain) 两个功能区 域。 DNA结合域的构型 螺旋-转角-螺旋（HTH) 锌指（zinc finger) 碱性亮氨酸拉链（bZIP) -螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-Helix, HTH