ZX第5章_基因的调控

1、分子遗传学分子遗传学 Molecular Genetics第第5 5章章 基因的调控基因的调控1第第5 5章章 基因的调控基因的调控5.1 基因调控的基本模型基因调控的基本模型5.2 调控序列与调控蛋白调控序列与调控蛋白5.3 基因的分子调控基因的分子调控5.4 原核生物操纵子的特点原核生物操纵子的特点5.5 因子级联调控模型因子级联调控模型5.6 真核基因的分子调控真核基因的分子调控多因子调控多因子调控5.7 真核基因的染色质调控真核基因的染色质调控5.8 转录后的基因调控转录后的基因调控5.9 真核基因的调控模型真核基因的调控模型Davidson-Britten模型模型5.10 真核基因的

2、多位点协同调控真核基因的多位点协同调控 随着人类及相关生物的基因组计划的完成随着人类及相关生物的基因组计划的完成,人人类将进入一个对数以万计的基因进行结构功能的类将进入一个对数以万计的基因进行结构功能的研究时代。研究时代。 人类基因组仅仅含人类基因组仅仅含2.53万个基因万个基因，对真核基因，对真核基因的调控机制进行分析并确定基因如何行使它们的的调控机制进行分析并确定基因如何行使它们的功能，将是十分迫切而艰巨的任务。人类的发育功能，将是十分迫切而艰巨的任务。人类的发育、克隆、癌症的治疗、衰老与长寿等重大问题的、克隆、癌症的治疗、衰老与长寿等重大问题的探索与解决都说明，探索与解决都说明，今后的基

3、因调控的研究，将今后的基因调控的研究，将以真核细胞的基因调控为主。以真核细胞的基因调控为主。研究基因表达调控的重要意义研究基因表达调控的重要意义1997-2003 籍贯：苏格兰籍贯：苏格兰3 S.H.E 组合组合Life cycle of human being Alcohol metabolismEthanol 乙醇乙醇ADHAcetaldehyde乙醛乙醛Acetate乙酸乙酸ALDHADH1B.1: CaucasianADH1B.2: ChineseADH1B.3: IndianALDH1 (cytoplasm)ALDH2 (Mitochondria)50% of Chinese, Ja

4、panese do not have ALDH2 activity基因的表达是受到严格调控的基因的表达是受到严格调控的 （一）时间特异性（一）时间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称应，又称阶段特异性阶段特异性。（二）空间特异性（二）空间特异性 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为又称为细胞特异性细胞特异性或或组织特异性组织特异性。迎面桃花次第开迎面桃花次第开基因表达的方式基因表达的方式 （一）组成性表达（一）组成性表达 管家基因管家基因 （housekeepinghousekeepi

5、ng genes)genes) 在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。的几乎所有细胞中持续表达的基因。 组成性基因表达组成性基因表达 管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达 在特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，在特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加。表达产物增加。阻遏表达阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表在

6、特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少。达产物减少。（三）协调表达（三）协调表达 在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。调一致，共同表达。12- - 基因表达调控可在几个不同水平上进行。基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，人人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其绝不可能

7、合成肝细胞中特有的解毒酶，其绝不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，各种特定细胞能阻遏不同类别的基因的表各种特定细胞能阻遏不同类别的基因的表达。达。 基因表达的调控对生物是极端重要的。基因表达的调控对生物是极端重要的。 真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。的表达。 细菌具有阻遏基因表达的能力。细菌具有阻遏基因表达的能力。 在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件：的

8、酶的基因。达到这一目的的二个条件： 1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；1. 2）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。备正确识别的能力。Three levels controlThree levels controlGene regulation very complex in eukaryotes cells !5.1 5.1 基因调控的基本模型基因调控的基本模型 5.1.1 5.1.1 原核基因调控基本模型原核基因调控基本模型 1961 1961年，提出年，提出乳糖操纵子模

9、型乳糖操纵子模型，19881988探明，探明，除了启动子邻近下游的操纵区外，还在除了启动子邻近下游的操纵区外，还在-93-93位、位、+402+402位有两个操纵区。位有两个操纵区。 1990 1990年得到调节蛋白年得到调节蛋白LacILacI的结晶，并清楚的结晶，并清楚LacILacI以四聚体形式结合于以四聚体形式结合于21bp21bp的操作区。如，异丙基的操作区。如，异丙基硫代半乳糖苷（硫代半乳糖苷（IPTGIPTG）与）与LacILacI结合，结合，LacILacI的四聚的四聚体变构而脱离操作区。体变构而脱离操作区。乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型20 阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白原核

10、生物的表达调控原核生物的表达调控21经典：乳糖操纵子经典：乳糖操纵子(lactose operon)(lactose operon)Jacob and Monod22u细菌对乳糖的利用及其相关的细菌对乳糖的利用及其相关的酶酶:乳糖乳糖 (在通透酶作用下进入细菌）在通透酶作用下进入细菌） 半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖半乳糖苷酶半乳糖苷酶 （细菌中少量存在）（细菌中少量存在）转乙酰基酶转乙酰基酶-功能未详功能未详23IPOZYa控制位点控制位点结构基因结构基因u乳糖操纵子（乳糖操纵子（La

11、ctose operon） 结构结构调控基因调控基因IOO诱导剂诱导剂u乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控 操纵基因（操纵基因（Operator,简称简称O），），起到基因开关的作用。起到基因开关的作用。 启动基因（启动基因（Promoter，简称，简称P），），是是RNA聚合酶结合的部聚合酶结合的部位，能起动位，能起动ZYA基因的表达，基因的表达，POZYA在在DNA上几个相邻接上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子。的基因共同组成一个功能单位称操纵子。 调节基因（调节基因（I基因），基因），能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并

12、能阻止识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶启动的转聚合酶启动的转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因总是结合在操纵基因O区，使操纵子关闭。区，使操纵子关闭。 如何开启操纵子表达？如何开启操纵子表达？ 当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与操纵基因操纵基因O区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的子上的

13、RNA聚合酶能顺利启动聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达，合成相应基因的表达，合成相应的三种酶。的三种酶。二、其他基因二、其他基因I基因：基因：编码阻遏蛋白，能阻断编码阻遏蛋白，能阻断ZYA基因的表达。基因的表达。O操纵基因：操纵基因：是是DNA上与阻遏物结合的特异性位置。上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻止由基因上，就能阻止由RNA聚聚合酶催化的转录起动。合酶催化的转录起动。启动基因启动基因操纵子：操纵子：是几个基因协同表达的遗传功能单位。由是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动基因，操纵基因和转录成一条启动基因，操纵基因和转录成一条mRNA分子的分

14、子的几个相邻的基因组成的功能单位。几个相邻的基因组成的功能单位。三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能1. 能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；2. 能识别乳糖或乳糖类似物，能识别乳糖或乳糖类似物，当阻遏物与乳糖或类当阻遏物与乳糖或类似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从物将从DNA上脱落下来。上脱落下来。对对Lac系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻

15、遏物失活并导致失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。基因表达的乳糖类似物称为诱导物。5.1.2 5.1.2 真核基因调控基本模型真核基因调控基本模型 在真核生物中，在真核生物中，DNADNA被装配成核小体结构的染色被装配成核小体结构的染色质。质。染色质是真核细胞基因调控的主要结构染色质是真核细胞基因调控的主要结构。 真核细胞的调控过程中启用联合调控机制，细真核细胞的调控过程中启用联合调控机制，细胞中不同的特异的调控蛋白参与不同的调控机制胞中不同的特异的调控蛋白参与不同的调控机制，以启动和关闭基因表达。，以启动和关闭基因表达。 根据根据协同性和协同作用的原则协同性和协同作用的原则，一个

16、生物可以，一个生物可以通过启用通过启用少数少数调控蛋白完成调控蛋白完成多种多种调控作用。调控作用。 在一个基因的在一个基因的启动启动/ /关闭关闭的基本模型中，其上的基本模型中，其上游是一段核心启动子序列与基因相邻。游是一段核心启动子序列与基因相邻。 核心启动子：是结合核心启动子：是结合RNARNA聚合酶聚合酶及辅助因子及辅助因子，引导，引导polpol从正确的起始位点开始转录部位。从正确的起始位点开始转录部位。 仅靠仅靠核心启动子核心启动子的上游是一段的上游是一段调节启动子调节启动子，上，上游或下游的远处游或下游的远处是增强子序列是增强子序列（图（图5.25.2）。）。 激活因子与调节启动子

17、和增强子结合，并通过激活因子与调节启动子和增强子结合，并通过结合在核心启动子上的结合因子与溶液中的基本结合在核心启动子上的结合因子与溶液中的基本转录机构的相互作用，使基本转录机构集结到核转录机构的相互作用，使基本转录机构集结到核心启动子上，而激活基因转录。心启动子上，而激活基因转录。 有些激活因子在所有的细胞中表达，而一些仅在有些激活因子在所有的细胞中表达，而一些仅在某些特定的细胞中表达，调控细胞中某些特殊功能某些特定的细胞中表达，调控细胞中某些特殊功能的基因。的基因。基本转录因子复合体基本转录因子复合体5.2 5.2 调控序列与调控蛋白调控序列与调控蛋白 基因调控完全是一个基因调控完全是一个

18、DNADNA与蛋白质与蛋白质相互作用相互作用的过程。的过程。 一些特异的一些特异的DNADNA序列作为相应的基因的开关，序列作为相应的基因的开关，一些基因调控蛋白结合上去打开一些基因调控蛋白结合上去打开/ /关闭这些开关，关闭这些开关，称为称为: : 正调控（正调控（positive regulationpositive regulation） 或负调控（或负调控（negative regulation negative regulation ）。）。 相应的调控蛋白则称为相应的调控蛋白则称为: : 激活因子（激活因子（activaorsactivaors） 或抑制因子或抑制因子(repres

19、sors)(repressors)。5.2.1 DNA5.2.1 DNA双螺旋的表面可被调控蛋白识别双螺旋的表面可被调控蛋白识别 基因表达总是在基因表达总是在DNADNA双螺旋的一条链上进行，双螺旋的一条链上进行，想象中的调控蛋白要结合到调控序列上必须把想象中的调控蛋白要结合到调控序列上必须把DNADNA双螺旋打开，然后再结合上去。现在知道并不需双螺旋打开，然后再结合上去。现在知道并不需要如此。要如此。暴露在暴露在DNADNA双螺旋大、小沟表面的酶对碱双螺旋大、小沟表面的酶对碱基的外缘都提供了它的氢键供体、氢键受体以及基的外缘都提供了它的氢键供体、氢键受体以及疏水区的情况各异的型式，这些型式是

20、反映四种疏水区的情况各异的型式，这些型式是反映四种碱基的准确信息；碱基的准确信息；调控蛋白就是依靠它们的识别调控蛋白就是依靠它们的识别来与调控序列结合。但是，来与调控序列结合。但是，只有在大沟中才能反只有在大沟中才能反映出四个碱基对排列的完整信息映出四个碱基对排列的完整信息。调控蛋白一般调控蛋白一般都结合于大沟中。（图都结合于大沟中。（图5.45.4）5.2.2 5.2.2 调控蛋白可以识别调控蛋白可以识别DNADNA的几何构型的几何构型 DNA DNA双螺旋中，每两个相邻的核苷酸对准确地双螺旋中，每两个相邻的核苷酸对准确地弯曲弯曲36360 0，形成每十个核苷酸对一个螺旋的几何，形成每十个核

21、苷酸对一个螺旋的几何构型。后来发现多数核苷酸段都有不规则之处，构型。后来发现多数核苷酸段都有不规则之处，如核苷酸对的倾斜、螺旋弯曲度大于或小于如核苷酸对的倾斜、螺旋弯曲度大于或小于3636度度使双螺旋有轻度的弯曲，累积可使使双螺旋有轻度的弯曲，累积可使DNADNA出现明显出现明显的弯曲。另一个有关的特点是某些序列有可以变的弯曲。另一个有关的特点是某些序列有可以变形的倾向。这些都可被调控蛋白所识别。形的倾向。这些都可被调控蛋白所识别。 在识别过程中，在识别过程中，蛋白与蛋白与DNADNA紧密结合紧密结合，DNADNA做出一做出一定程度的变形。定程度的变形。5.2.3 5.2.3 调控蛋白含有识别

22、调控蛋白含有识别DNADNA序列的结构型式序列的结构型式 调控蛋白对调控蛋白对DNADNA的识别，归根结底是对的识别，归根结底是对DNADNA序列序列的识别。主要是蛋白质对一定区域的的识别。主要是蛋白质对一定区域的DNADNA双螺旋的双螺旋的特异表面的特异表面的强烈互补强烈互补。 调控蛋白都含有一种与调控蛋白都含有一种与DNADNA结合的结合的结构基序（结构基序（structural motifstructural motif）。）。这些型式的每一种都是以这些型式的每一种都是以螺旋及螺旋及 折叠与折叠与DNADNA大沟相结合大沟相结合。（图。（图5.65.6）大沟含有大沟含有DNADNA序列相

23、互识别的足够信息序列相互识别的足够信息 最简单、最常见的一种就是最简单、最常见的一种就是HTHHTH（helix-turn helix-turn helix motifhelix motif）型式。）型式。HTHHTH有两个有两个螺旋构成期间螺旋构成期间有一小段氨基酸连接，两个有一小段氨基酸连接，两个螺旋间的相互作用螺旋间的相互作用使之保持一定角度。使之保持一定角度。HTHHTH肽链的肽链的羧基端羧基端为识别螺旋为识别螺旋，与，与DNADNA大沟中的大沟中的DNADNA结合；结合；氨基端氨基端识别特异识别特异DNADNA序序列方面起作用。列方面起作用。螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(HTH) 最

24、早发现于噬菌体的阻抑蛋白中。一个最早发现于噬菌体的阻抑蛋白中。一个螺旋螺旋位于位于DNADNA宽沟中，另一个位于穿过宽沟中，另一个位于穿过DNADNA的角中。的角中。5.3 5.3 基因的分子调控基因的分子调控 基因的表达与抑制实际上是一个分子水平上的基因的表达与抑制实际上是一个分子水平上的开开/关机制，而板动这个开关的是细胞周围环境关机制，而板动这个开关的是细胞周围环境中的各种信号。这种开关机制普遍存在于原核及中的各种信号。这种开关机制普遍存在于原核及真核细胞之中，只不过有简单与复杂而己。真核细胞之中，只不过有简单与复杂而己。 5.3.1 5.3.1 单因子调控单因子调控-色氨酸操纵子色氨酸

25、操纵子 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（tryptophan operon）,5个相邻个相邻的的trp基因。基因。Trp作为一个作为一个辅阻遏物辅阻遏物，其活化特异，其活化特异的的抑制者抑制者与与trp 操纵基因结合阻止转录。操纵基因结合阻止转录。色氨酸抑色氨酸抑制者是一种制者是一种HTH型调控蛋白型调控蛋白，两个色氨酸分子与两个色氨酸分子与其结合后才能与其结合后才能与trp操纵子操纵子DNA大沟结合。大沟结合。 色氨酸抑制着色氨酸抑制着是色氨酸调控是色氨酸调控trptrp操纵子的唯一因操纵子的唯一因子，而子，而色氨酸色氨酸则是开关这个因子的单一信号。则是开关这个因子的单一信号。色氨酸阻抑蛋白（色

26、氨酸阻抑蛋白（HTHHTH）的两种状态）的两种状态 奇怪的是转录往往不能彻底完成，大部分奇怪的是转录往往不能彻底完成，大部分trp trp mRNAmRNA链的增长刚一开始，在第一个链的增长刚一开始，在第一个trptrp基因（基因（gene gene E E）开始转录前就停止了。）开始转录前就停止了。这种奇怪现象是因为在这种奇怪现象是因为在trpEtrpE与启动子与启动子-操纵子区域之间存在着一个操纵子区域之间存在着一个161bp161bp的先导区，在先导区内部有一个衰减区（的先导区，在先导区内部有一个衰减区（123 123 150bp 150bp）。）。RNARNA多聚酶往往不能通过这个衰多

27、聚酶往往不能通过这个衰减区只产生约减区只产生约140140个核苷酸的片段，其中包含一部个核苷酸的片段，其中包含一部分衰减区的序列。只有当一个特异的调控因子作分衰减区的序列。只有当一个特异的调控因子作用于衰减器的时候，用于衰减器的时候，RNARNA多聚酶才能通过衰减区。多聚酶才能通过衰减区。 色氨酸色氨酸的量即能直接影响的量即能直接影响trptrp阻抑蛋白，也能阻抑蛋白，也能间接影响衰减区域。间接影响衰减区域。5.3.2 5.3.2 双因子调控双因子调控-乳糖操纵子乳糖操纵子 乳糖操纵子的基因开关装置是由乳糖操纵子的基因开关装置是由正调控与负调正调控与负调控组成控组成。它的调控蛋白除了。它的调控

28、蛋白除了laclac抑制者抑制者外，还有一外，还有一个个正调控蛋白正调控蛋白-CAP-CAP（catabolit activator catabolit activator proteinprotein）, ,又称又称基因激活蛋白。基因激活蛋白。 葡萄糖与乳糖作为两个信号葡萄糖与乳糖作为两个信号，分别通过它们对分别通过它们对laclac抑制者与抑制者与CAPCAP的作用而板动基因开关。的作用而板动基因开关。 因此，乳糖操纵子是双因子调控，它的表达只因此，乳糖操纵子是双因子调控，它的表达只有当有当乳糖存在而葡萄糖缺乏乳糖存在而葡萄糖缺乏时才能实现。时才能实现。 （图（图5.105.10） Cap

29、 Cap结合于结合于DNADNA后，引起后，引起DNADNA弯曲而有利于基因的弯曲而有利于基因的打开。打开。LacLac抑制者是由同一肽链的四聚体构成，每一抑制者是由同一肽链的四聚体构成，每一肽链含有肽链含有247247个个aa,aa,分子量分子量37kDa37kDa。 所有抑制者都结合与所有抑制者都结合与DNADNA的特殊部位，阻止相应的特殊部位，阻止相应的的mRNAmRNA分子的转录。分子的转录。 DNADNA与抑制者结合的特异核苷酸序列，称为操纵与抑制者结合的特异核苷酸序列，称为操纵基因（基因（operatoroperator）。）。 一般说来，一个操纵基因至少有一般说来，一个操纵基因至

30、少有10121012个碱基个碱基与阻抑蛋白以氢键相结合。与阻抑蛋白以氢键相结合。LacLac阻抑蛋白一旦与阻抑蛋白一旦与DNADNA结合，便留在上面，直到下次与它的诱导物相结合，便留在上面，直到下次与它的诱导物相互作用。互作用。 对乳糖操纵基因，利用它与抑制者结合不被核酸对乳糖操纵基因，利用它与抑制者结合不被核酸酶消化的特点而得以测定。酶消化的特点而得以测定。整个区域为整个区域为2121个个bp ,bp ,并并以第以第1111为碱基为中心，两侧的碱基呈交叉对称。为碱基为中心，两侧的碱基呈交叉对称。 这种对称形式允许四聚体这种对称形式允许四聚体laclac抑制者的两个亚单抑制者的两个亚单位能同时

31、结合于操纵基因。位能同时结合于操纵基因。 在某些情况下，一种阻抑蛋白仅能控制一种蛋在某些情况下，一种阻抑蛋白仅能控制一种蛋白质的合成，但也有控制一个以上的蛋白质合成白质的合成，但也有控制一个以上的蛋白质合成的阻抑蛋白。如：的阻抑蛋白。如：E.coliE.coli一个阻抑蛋白控制三个一个阻抑蛋白控制三个酶的合成。酶的合成。 早期认为一个阻抑蛋白只用于一个操纵子。后早期认为一个阻抑蛋白只用于一个操纵子。后来发现一个特异的阻抑蛋白可以作用精氨酸合成来发现一个特异的阻抑蛋白可以作用精氨酸合成基因的基因的3 3个不连续的操纵子上。个不连续的操纵子上。抑制者可以特异抑制者可以特异地作用于地作用于2 2个操

32、纵子，其中一个在调节基因的左侧个操纵子，其中一个在调节基因的左侧，一个在右侧。，一个在右侧。 在负调控系统中，如果不被阻抑蛋白关闭，在负调控系统中，如果不被阻抑蛋白关闭，基因就能够表达。基因就能够表达。 任何干扰基因表达的作用都是负调控。其共同任何干扰基因表达的作用都是负调控。其共同特点是一个阻抑蛋白或与特点是一个阻抑蛋白或与DNA结合，阻止结合，阻止RNA聚聚合酶启动转录，或与合酶启动转录，或与mRNA结合阻止核糖体启动结合阻止核糖体启动翻译。翻译。 受正调控的基因，仅当活性调控蛋白存在时受正调控的基因，仅当活性调控蛋白存在时，才能表达。，才能表达。正调控中控制特定操纵子的机制正正调控中控制

33、特定操纵子的机制正好与负调控相对应。正调控与负调控不同，它不好与负调控相对应。正调控与负调控不同，它不妨碍起始，而调控蛋白对正调控来说，则必不可妨碍起始，而调控蛋白对正调控来说，则必不可少。少。 调节蛋白与调节蛋白与DNA及及RNA聚合酶相互作用，协助聚合酶相互作用，协助转录起始。正调节蛋白应答的小分子通常称为激转录起始。正调节蛋白应答的小分子通常称为激活物活物(activator)。 操纵子分为诱导型和阻抑型两类操纵子分为诱导型和阻抑型两类: 只有在小分子诱导物存在时，只有在小分子诱导物存在时，诱导型诱导型操纵子操纵子才能发挥作用才能发挥作用. 只有在小分子辅阻抑物不存在时，只有在小分子辅阻

34、抑物不存在时，阻抑型阻抑型操操纵子才能发挥作用纵子才能发挥作用.5.4 5.4 原核生物操纵子的特点原核生物操纵子的特点 （1 1）由被调节基因的产物所识别的由被调节基因的产物所识别的操纵基因，启操纵基因，启动基因以动基因以及及( (为单一为单一mRNAmRNA分子编码的几个分子编码的几个) )相邻的相邻的结结构基因构基因所组成的功能单位总称所组成的功能单位总称- -操纵子（操纵子（operonoperon）。 启动基因（启动基因（promoterpromoter）位于）位于调节基因调节基因与与操纵基操纵基因因之间，在合成之间，在合成mRNAmRNA时时RNARNA多聚酶先结合到启动基多聚酶先

35、结合到启动基因上。因上。 因此，因此，RNARNA多聚酶在转录结构基因之前必须首多聚酶在转录结构基因之前必须首先通过操纵基因，如果操纵基因和阻抑蛋白结合，先通过操纵基因，如果操纵基因和阻抑蛋白结合，则则RNARNA多聚酶与启动基因的结合会受到干扰，并使多聚酶与启动基因的结合会受到干扰，并使RNARNA多聚酶无法通过操纵基因，这样结构基因将不多聚酶无法通过操纵基因，这样结构基因将不能表达。能表达。 （2）同一操纵子中的同一操纵子中的3 3种蛋白质不是由种蛋白质不是由3 3个个mRNAmRNA翻翻译译 ，而是由一个，而是由一个mRNAmRNA分子携带分子携带3 3种蛋白质的遗传种蛋白质的遗传信息。

36、在组氨酸生物合成中，操纵子中信息。在组氨酸生物合成中，操纵子中1010个基因个基因的密码子也是由一个的密码子也是由一个mRNAmRNA分子携带的。分子携带的。 （3 3）被一条）被一条mRNAmRNA编码的不同蛋白质的产量不同。编码的不同蛋白质的产量不同。 （4 4）许多蛋白质的合成并不适应外界环境的变化）许多蛋白质的合成并不适应外界环境的变化。 如：如：E.E.colicoli中控制葡萄糖降解的酶的数量并不中控制葡萄糖降解的酶的数量并不因培养基中加入或移去葡萄糖而发生明显变化。因培养基中加入或移去葡萄糖而发生明显变化。5.5 5.5 因子级联调控模型因子级联调控模型 Losick Losic

37、k和和PeroPero（19811981）提出）提出因子级联的基因因子级联的基因调控模型。认为细菌或噬菌体在不同的生长时期，调控模型。认为细菌或噬菌体在不同的生长时期，或不同的生长环境中，所表达的基因种类和程度或不同的生长环境中，所表达的基因种类和程度各不相同，而各不相同，而因子的级联式交替，则是实现这因子的级联式交替，则是实现这种专一性调控的重要分子基础之一。种专一性调控的重要分子基础之一。 而而WatsonWatson模型指出，不仅有模型指出，不仅有因子，而且还有因子，而且还有反反因子，这二种因子的级联反应，把功能相关因子，这二种因子的级联反应，把功能相关而不相邻的一些基因或操纵子组成了一

38、个行使某而不相邻的一些基因或操纵子组成了一个行使某一功能的统一体系。一功能的统一体系。 早期由宿主的早期由宿主的4343负责转录，中期和后期分别受噬菌体自负责转录，中期和后期分别受噬菌体自己编码的两个己编码的两个因子（因子（gpgp2828、gpgp3434）所控制。）所控制。 Watson Watson 模型不仅体现了基因调控程序，而且体现了反馈模型不仅体现了基因调控程序，而且体现了反馈性（反性（反因子）以及整体性。因子）以及整体性。5.6 5.6 真核基因的分子调控真核基因的分子调控多因子调控多因子调控 5.6.1 真核细胞中基因调控的特点真核细胞中基因调控的特点 5.6.1.1真核细胞转

39、录启动是多步骤的真核细胞转录启动是多步骤的 真核细胞的真核细胞的RNA转录酶（转录酶（RNA polymerase）本身）本身不能启动转录，必须事先有一套转录因子装配到启不能启动转录，必须事先有一套转录因子装配到启动子上，转录才开始，使得转录的启动是多步骤的。动子上，转录才开始，使得转录的启动是多步骤的。 这些因子是独立的蛋白质因子，在启动子上装这些因子是独立的蛋白质因子，在启动子上装配成配成 转录复合体而使转录复合体而使RNA转录酶就位。转录酶就位。 如图：如图：5.155.6.1.25.6.1.2 真核细胞的转录调控蛋白对转录启动子的真核细胞的转录调控蛋白对转录启动子的作用是远距离的，多因

40、子的作用是远距离的，多因子的 增强子（增强子（enhancerenhancer）可位于启动子的上、下游）可位于启动子的上、下游数千个碱基对而发挥作用。数千个碱基对而发挥作用。真核细胞增强子上结真核细胞增强子上结合着调控蛋白复合体。事实上，一个启动子可被合着调控蛋白复合体。事实上，一个启动子可被沿沿DNADNA链分布的很多调控序列及其上面的调控蛋白链分布的很多调控序列及其上面的调控蛋白复合体所调控。真核细胞基因调控是远距离、多复合体所调控。真核细胞基因调控是远距离、多因子的调控。因子的调控。 远距离调控的实现是启动子与增强子之间形成远距离调控的实现是启动子与增强子之间形成一个弯曲（一个弯曲（lo

41、oploop），而使增强子上的调控蛋白复），而使增强子上的调控蛋白复合体可以直接与启动子上的转录因子及转录酶接合体可以直接与启动子上的转录因子及转录酶接触。图触。图5.16.5.16.5.6.2 5.6.2 真核细胞的调控序列真核细胞的调控序列-基因调控区基因调控区 包括启动子及对其调控的所有的调控序列，称为基因包括启动子及对其调控的所有的调控序列，称为基因调控区（调控区（gene control regiongene control region）。）。 这些调控序列距离启动子或远或近。多数在启动子上这些调控序列距离启动子或远或近。多数在启动子上游，也有的位于下游。对基因起正调控游，也有的位

42、于下游。对基因起正调控/ /负调控作用。负调控作用。5.6.3 5.6.3 真核基因的调控蛋白真核基因的调控蛋白 5.6.3.1 5.6.3.1 活化蛋白与抑制蛋白活化蛋白与抑制蛋白 起正调控的蛋白，称为基因活化蛋白起正调控的蛋白，称为基因活化蛋白/ /激活蛋激活蛋白（白（gene activator proteinsgene activator proteins）。）。 这种蛋白至少有两个不同的功能区：这种蛋白至少有两个不同的功能区： 一是一是具有与特异具有与特异DNADNA调控序列识别并激活的分调控序列识别并激活的分子子结构式结构式（strctural motifsstrctural mo

43、tifs）/ /结构域结构域。 二是二是与启动子上的转录机构接触并加速转录与启动子上的转录机构接触并加速转录启动的启动的活化区域活化区域/ /功能域功能域。活化区酸性氨基酸表面活化区酸性氨基酸表面带正电荷，具有加速转录因子在启动子装配作用带正电荷，具有加速转录因子在启动子装配作用。如。如,TFIIB,TFIIB的装配对转录启动有限速作用，酸性的装配对转录启动有限速作用，酸性活化蛋白能加速活化蛋白能加速TFIIBTFIIB的装配，克服限速。的装配，克服限速。 许多活化蛋白结合在许多活化蛋白结合在DNADNA的不同的调控序列上的不同的调控序列上来调控它们。来调控它们。应该强调的是这些基因调控蛋白都

44、应该强调的是这些基因调控蛋白都必须是结合在必须是结合在DNADNA上才能发挥作用。上才能发挥作用。 并非所有真细胞基因调控蛋白都是活化蛋白，并非所有真细胞基因调控蛋白都是活化蛋白，有很多是有很多是基因基因阻抑蛋白（阻抑蛋白（gene repressor gene repressor proteinsproteins）。）。 这些阻抑蛋白与原核细胞不同，并不直接与这些阻抑蛋白与原核细胞不同，并不直接与RNARNA转录酶竞争转录酶竞争DNADNA结合位点。结合位点。 作用机制（作用机制（图图5.185.18） 与活化蛋白竞争结合位点（与活化蛋白竞争结合位点（A A）；）； 掩盖活化蛋白的活化表面掩

45、盖活化蛋白的活化表面 (B)(B)； 直接与转录因子相作用而起到抑制作用直接与转录因子相作用而起到抑制作用 (C)(C)。5.6.3.2 5.6.3.2 调控蛋白复合体调控蛋白复合体 某些调控蛋白可以单独行动，但多数是以复合某些调控蛋白可以单独行动，但多数是以复合体形式发挥作用。复合体结合它的体形式发挥作用。复合体结合它的DNA序列上，序列上，单独蛋白是不能结合的。首先两个蛋白以微弱的单独蛋白是不能结合的。首先两个蛋白以微弱的亲和力结合，然后结合到亲和力结合，然后结合到DNA位点上，这个二聚位点上，这个二聚体随即创造一个为第三个蛋白所识别的结合面。体随即创造一个为第三个蛋白所识别的结合面。以此

46、类推，形成一个活化以此类推，形成一个活化/抑制的功能集团，或者抑制的功能集团，或者叫叫调控舱（调控舱（regulatory modul）。 蛋白复合体作用蛋白复合体作用/形成过程（图形成过程（图5.19）蛋白与蛋白之间的作用力很弱，以致它们不能事先在溶液蛋白与蛋白之间的作用力很弱，以致它们不能事先在溶液中装配，只能在中装配，只能在DNADNA上装配。因此，一定的上装配。因此，一定的DNADNA调控序列就成调控序列就成为相应蛋白质装配的为相应蛋白质装配的“晶核晶核”（nucleation sitenucleation site）。）。不同的复合体具有不同的活化或抑制转录功能，而同一种不同的复合体

47、具有不同的活化或抑制转录功能，而同一种调控蛋白却可以参与到不同的复合体。调控蛋白却可以参与到不同的复合体。调控蛋白复合体可以活化基因，也可以抑制基因。调控蛋白复合体可以活化基因，也可以抑制基因。5.6.4 5.6.4 真核基因表达的真核基因表达的组合调控组合调控机制机制 5.6.4.1 5.6.4.1 调控蛋白二聚体调控蛋白二聚体组合调控组合调控 调控蛋白二聚体（调控蛋白二聚体（regulatory dimerregulatory dimer）对）对DNADNA具有具有强的识别和结合强的识别和结合能力。能力。 如亮氨酸拉链二聚体如亮氨酸拉链二聚体（leucine zipper leucine

48、zipper dimerdimer，LZDLZD）。）。二条二条链螺旋在中部的疏水区氨链螺旋在中部的疏水区氨基酸侧链相互作用而铰链一起形成拉链。拉链部基酸侧链相互作用而铰链一起形成拉链。拉链部分很短，其余部分的二条分很短，其余部分的二条链螺旋彼此分离。这链螺旋彼此分离。这种二聚体结合于种二聚体结合于DNADNA大沟中（就像一个晒衣夹子夹大沟中（就像一个晒衣夹子夹住晒衣绳）住晒衣绳） 。图。图5.205.20LZDLZD与与DNADNA结合结合 LZD LZD结合结合有同型二聚体（结合结合有同型二聚体（homodimershomodimers）和异型二聚体）和异型二聚体(heterodimers

49、)(heterodimers)。异型二聚体中的二个蛋白具有不同的异型二聚体中的二个蛋白具有不同的DNADNA结合、识别特异性，因而具有更高的特异性。结合、识别特异性，因而具有更高的特异性。两种蛋白单体两种蛋白单体可产生可产生3 3种种DNADNA结合特异性，结合特异性，3 3种蛋白单体则可产生种蛋白单体则可产生6 6种不同的种不同的DNADNA结合特异性，余此类推。结合特异性，余此类推。这就是一种组合调控。通过几这就是一种组合调控。通过几种不同蛋白组合而产生灵活、多样的种不同蛋白组合而产生灵活、多样的DNADNA结合特异性。是真结合特异性。是真核细胞具有调控的重要机制之一。核细胞具有调控的重要

50、机制之一。5.6.4.2 5.6.4.2 调控蛋白调控蛋白多聚体组合多聚体组合调控调控 另一类调控蛋白是以一个或一个以上的另一类调控蛋白是以一个或一个以上的ZnZn原子原子为结构成分。为结构成分。这类配备这类配备ZnZn原子的原子的DNADNA结合型式的蛋结合型式的蛋白称为白称为“锌指锌指”(zine fingers)(zine fingers)。 锌指蛋白的特点是结构简单，由锌指蛋白的特点是结构简单，由ZnZn原子所连接原子所连接的只是一个的只是一个螺旋和一个螺旋和一个折叠。另一个特点是折叠。另一个特点是一个以上的锌指可以重复成串地沿大沟排列，每一个以上的锌指可以重复成串地沿大沟排列，每一锌

51、指的一锌指的螺旋都与大沟螺旋都与大沟DNADNA接触，形成多聚体组接触，形成多聚体组合。合。锌指结构还有更复杂的，如胞外受体蛋白是锌指结构还有更复杂的，如胞外受体蛋白是两个两个螺旋和两个螺旋和两个ZnZn原子构成。原子构成。锌指结构锌指结构 锌指结构基序含一个锌指结构基序含一个DNA结合域。结合域。5.6.4.3 5.6.4.3 调控舱组合的调控舱组合的立体调控机制立体调控机制 各种调控蛋白组成不同的复合体，它们必须在与相应各种调控蛋白组成不同的复合体，它们必须在与相应的调控序列结合的情况下才能活化的调控序列结合的情况下才能活化/ /抑制不同的基因。调抑制不同的基因。调控序列是调控蛋白复合体赖

52、以形成与作用的基础。控序列是调控蛋白复合体赖以形成与作用的基础。在同一在同一基因长的调控区（约基因长的调控区（约50kb50kb）中往往组织成不同的）中往往组织成不同的“舱位舱位”（modulemodule），特异的接纳在生物体的不同时空坐标中形成的），特异的接纳在生物体的不同时空坐标中形成的调控蛋白复合体，而使基因有序地表达调控蛋白复合体，而使基因有序地表达/ /抑制。抑制。这对于发这对于发育过程中性状的表达形式特别重要。育过程中性状的表达形式特别重要。 如：果蝇如：果蝇eveeve基因的表达。基因的表达。 果蝇胚胎发育早期的合胞体细胞质中含有各种调控蛋果蝇胚胎发育早期的合胞体细胞质中含有各

53、种调控蛋白，它们沿胚胎纵长不均匀分布，因而提供了胚胎各部分白，它们沿胚胎纵长不均匀分布，因而提供了胚胎各部分的定位信息。不同部分处于不同的调控蛋白的组合浓度中的定位信息。不同部分处于不同的调控蛋白的组合浓度中而表达不同的基因。而表达不同的基因。 eveeve基因沿胚胎纵轴形成基因沿胚胎纵轴形成7 7个调控序列舱位，可接纳个调控序列舱位，可接纳7 7个不个不同区域的调控蛋白组合。使之在不同区域表达。同区域的调控蛋白组合。使之在不同区域表达。 一个基因的众多调控舱的组合调控，是一个基因特异地一个基因的众多调控舱的组合调控，是一个基因特异地接受生物体不同时期、不同空间信息而使该基因进行时间与接受生物

54、体不同时期、不同空间信息而使该基因进行时间与空间的特异表达空间的特异表达-基因表达与发育分化。基因表达与发育分化。 调控舱的组合调控在进化、变异中存在巨大潜力。调控舱的组合调控在进化、变异中存在巨大潜力。5.7 5.7 真核基因的染色质调控真核基因的染色质调控 第三章已有讨论，本节再作补充。第三章已有讨论，本节再作补充。5.7.1 5.7.1 常染色质与异染色质常染色质与异染色质 异染色质：异染色质：高度凝缩且无转录能力的区域，占基高度凝缩且无转录能力的区域，占基因组的因组的10%10%，集中在染色粒周围，高度重复序列，集中在染色粒周围，高度重复序列，如卫星如卫星DNADNA。 常染色质：常染

55、色质：凝缩程度轻且有转录能力的区域，虽凝缩程度轻且有转录能力的区域，虽有转录能力，但并不是全部处于活性状态，不同有转录能力，但并不是全部处于活性状态，不同细胞类型表达不同。细胞类型表达不同。10%10%处于活性状态。处于活性状态。5.7.2 5.7.2 染色质结构对基因表达的作用染色质结构对基因表达的作用 5.7.2.1 5.7.2.1 染色质结构的染色质结构的位置效应位置效应 包括异染色质在内的非活性染色质具有使其邻包括异染色质在内的非活性染色质具有使其邻近基因沉默的作用，称为位置效应（近基因沉默的作用，称为位置效应（position position effecteffect）。）。 如：

56、酵母的如：酵母的ADE ADE 2 2基因基因。当它在正常位置时正。当它在正常位置时正常表达。如人工将其移到染色体末端邻近端粒区常表达。如人工将其移到染色体末端邻近端粒区域，尽管所需的各类调控蛋白依然存在，但该基域，尽管所需的各类调控蛋白依然存在，但该基因不表达。由于因不表达。由于ADE ADE 2 2基因基因沉默阻遏了腺苷酸的合沉默阻遏了腺苷酸的合成，使酵母菌落有正常的白色转变为红色。成，使酵母菌落有正常的白色转变为红色。 类似的位置效应亦见于果蝇类似的位置效应亦见于果蝇白眼基因白眼基因。正常时眼显红色。正常时眼显红色。突变后被抑制则显白色，因而叫白眼基因。在发育中，白眼突变后被抑制则显白色

57、，因而叫白眼基因。在发育中，白眼基因有时因染色体倒位而接近异染色质，使眼显红白相间的基因有时因染色体倒位而接近异染色质，使眼显红白相间的斑点。斑点。5.7.2.2 5.7.2.2 染色质去凝缩的染色质去凝缩的活化效应活化效应 如：如：珠蛋白基因簇，珠蛋白基因簇，5 5个基因组成。包括调个基因组成。包括调控区在内长达控区在内长达100kb100kb。 5 5个基因在发育不同时期、不同器官中，专一地个基因在发育不同时期、不同器官中，专一地在红细胞样细胞中表达。对在红细胞样细胞中表达。对DNaseI DNaseI 敏感，说明染敏感，说明染色质已经去凝缩，染色质的高级包装已失去，使色质已经去凝缩，染色

58、质的高级包装已失去，使DNADNA易于被易于被DNaseIDNaseI接近。接近。 在非红细胞样细胞中在非红细胞样细胞中珠蛋白基因簇不表达，珠蛋白基因簇不表达，抗抗DNaseIDNaseI消化，说明染色质处于凝缩的包装中。消化，说明染色质处于凝缩的包装中。基因的活化可能分为两个步骤：基因的活化可能分为两个步骤： 首先，染色质去凝缩，使某些调控蛋白易于接近，为转录首先，染色质去凝缩，使某些调控蛋白易于接近，为转录做好准备。做好准备。 其次，其余的调控蛋白装配到其次，其余的调控蛋白装配到“调控舱调控舱”，而使具体的基因，而使具体的基因进行特异表达。进行特异表达。 去凝缩过程需要一个去凝缩过程需要一

59、个DNADNA区域区域的作用。的作用。该区域称为该区域称为LCRLCR（locus control region,LCRlocus control region,LCR），），它位于被调控基因上游的它位于被调控基因上游的远端，包含在该基因簇远端，包含在该基因簇100kb100kb的调控区内（图的调控区内（图5.27a5.27a）。在地）。在地贫病人的红细胞样细胞中，贫病人的红细胞样细胞中，LCRLCR遗传性缺失，尽管遗传性缺失，尽管珠蛋白基珠蛋白基因簇及其调控蛋白依然完整，但基因不能表达。此时的因簇及其调控蛋白依然完整，但基因不能表达。此时的珠珠蛋白基因簇具有抗蛋白基因簇具有抗DNaseIDN

60、aseI性能，说明染色质没有去凝缩。性能，说明染色质没有去凝缩。如果把如果把 LCR LCR序列与人序列与人珠蛋白基因簇及其区域调控序列重组，珠蛋白基因簇及其区域调控序列重组，插入小鼠基因组后，无论那个位置，插入小鼠基因组后，无论那个位置，珠蛋白基因簇都高水珠蛋白基因簇都高水平表达。说明平表达。说明LCRLCR序列具有抗染色质位置效应。序列具有抗染色质位置效应。5.7.2.3 5.7.2.3 染色质的异染色质化染色质的异染色质化 真核细胞中广泛存在真核细胞中广泛存在常染色质的异染色质化常染色质的异染色质化的的基因调控。这种整体性的调控涉及大片段的基因基因调控。这种整体性的调控涉及大片段的基因失