基因表达与调控

第十二章基因表达与调控基因的概念原核生物的基因调控真核生物的基因调控当前1页，总共78页。基因

gene基因是有一定组织结构的DNA或RNA。基因传递的遗传信息，决定了蛋白质分子的氨基酸组成和排列，此即基因表达的过程。基因所包含的遗传信息是按照特定而精确的时空程序表达从而转化成生物体的性状，基因调控贯穿于基因表达的各个环节。当前2页，总共78页。

第一节

基因的概念基因的概念是不断发展的。Mendel遗传因子（inheritedfactor）1909丹麦人Johnson用基因（gene）取代了Mendel的inheritedfactor，一直应用至今。当前3页，总共78页。一、经典遗传学关于基因的概念1、基因是不连续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，呈直线排列，具有相对的稳定性。2、基因作为一个功能单位控制性状的表达。当前4页，总共78页。3、基因以整体进行突变，是突变的最小单位。4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位。5、基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过减数分裂和受精作用有规律地传递。当前5页，总共78页。突变单位交换单位基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。到底基因是什么物质构成的，基因的本质是什么，经典遗传学无法回答这个问题。结构单位当前6页，总共78页。二、分子遗传学关于基因的概念

1、一个基因就是DNA分子上的一段序列2、每一个基因都携带有特殊的遗传信息，这些遗传信息：

mRNA多肽链；

rRNA或tRNA；对其他基因的活动起调控作用。当前7页，总共78页。3、基因在结构上还可以划分为若干个小单位。①突变单位（突变子

muton）：

发生突变的最小单位。最小的突变子是一个bp。②重组单位（重组子recon）：

可交换的最小单位。最小的重组单位也可以只是一个bp。③功能单位（顺反子

cistron，又叫作用子）：

基因中指导一条多肽链的合成DNA序列，平均大小约为500-1500bp。当前8页，总共78页。

顺反子与经典概念的功能单位相当，是遗传信息的最小功能单位。

当前9页，总共78页。三、现代基因概念现代基因的概念可表述为：基因是DNA分子上具有一定遗传学效应的一段特定的核苷酸序列，它可以被转录和翻译，也可以只转录而不翻译，甚至既不转录也不翻译。当前10页，总共78页。四、基因概念的多样性

结构基因（structuralgene）：编码多肽链或RNA分子的基因调控基因（regulatorgene）：参与调控结构基因表达的基因，包括控制结构基因转录起始和产物合成速率的基因，能影响其他基因活性的一类基因。跳跃基因（jumpinggene）：可以在基因组内移动位置的基因。当前11页，总共78页。断裂基因（interruptedgene）：在真核生物中，一个基因的编码序列（exon）是不连续的，被若干个非编码序列（intron）分割，这类结构断裂的基因称为断裂基因，又称不连续基因。重叠基因（overlappinggene）：同一个DNA序列可以参与编码两个以上的RNA或多肽链。假基因（pseudogene）：不产生有功能产物的基因。当前12页，总共78页。管家基因（house-keepinggene），又称持家基因，在所有的细胞中都处于活动状态，在任何时间都进行表达，属于组成型基因，其产物用以维持细胞的基本生命活动。

奢侈基因（luxurygene），即组织特异性表达的基因（tissue-specificgene），只在特定细胞中进行表达，合成组织特异性蛋白，影响细胞的特异性状，对分化有重要影响。当前13页，总共78页。跳跃基因（jumpinggene）：可以在基因组内移动位置的基因。假基因（pseudogene）：不产生有功能产物的基因。当前14页，总共78页。第二节原核生物基因表达的调控

一个个体的各类细胞都是按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并不断地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。决定哪些基因表达、哪些基因不表达、表达速率的过程就是基因表达的调控。当前15页，总共78页。一、原核生物基因表达调控的水平原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平，如以操纵子为单位的调控。控制翻译过程的调节机制：核糖体蛋白质合成的自体调节、反义RNA通过与自身mRNA的互补结合而产生的调控作用等。DNA水平对基因表达的调节：沙门氏菌的相变。总之，从转录开始直到翻译终止的整个基因表达过程中、其每一步都在以各种方式实行着调控。当前16页，总共78页。二、转录水平的调控1、相关概念操纵子：包含结构基因、操纵基因以及调节基因的一些相邻基因组成的DNA片段。结构基因（structuralgenes）：编码细胞必要的蛋白，如酶或结构蛋白，这类基因在细胞中占绝大部分，承担着细胞各种蛋白的结构和功能。调节基因（regulatorygenes）：编码调节蛋白的基因。调节蛋白可调节其他基因的表达。当前17页，总共78页。2、乳糖操纵子表达调控控制区信息区结构基因(S)操纵序列（O）启动序列（P）调节基因（I）1）乳糖操纵子的结构

当前18页，总共78页。

2）乳糖操纵子结构基因表达产物当前19页，总共78页。3）阻遏蛋白的负性调节作用I阻遏蛋白

无乳糖存在时，结构基因受阻遏当前20页，总共78页。有乳糖存在时，结构基因表达当前21页，总共78页。CyclicAMP(cAMP)ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。

4）CAP的正性调节作用当前22页，总共78页。cAMP-CAPCataboliteactivatingprotein,CAP代谢激活蛋白，是cAMP的受体蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)cAMP-CAP复合物，是lac操纵元的正调控因子当前23页，总共78页。2CAPCAP位点-G,-Lac阻遏蛋白操纵序列

-G,+LacRNA聚合酶无葡萄糖，无乳糖②无葡萄糖，有乳糖③有葡萄糖，无乳糖④有葡萄糖，有乳糖

启动序列cAMPmRNA5'③①

＋G,-Lac+G,+Lac②④当前24页，总共78页。当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时

细胞中cAMP浓度降低

缺乏乳糖与阻遏蛋白结合

CAP失活

阻抑蛋白与操纵基因结合

CAP及RNA聚合酶不能与启动基因结合

基因转录被阻遏

阻遏蛋白的负性调节当前25页，总共78页。

当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时

细胞中cAMP浓度升高

乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合

cAMP与CRP结合并使之激合

促使阻抑蛋白与操纵基因分离

CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合

基因转录激活

CAP的正性调节当前26页，总共78页。5）乳糖操纵子的双调控系统(1)受乳糖与阻遏蛋白监控的、可诱导的负调控系统;(2)受cAMP与CAP调节的、可诱导的正调控系统。葡萄糖通过调节cAMP的合成间接监控这一过程。以此保证大肠杆菌灵活、经济、有效地适应外界环境，只有在必需的时候（只有乳糖，没有葡萄糖）才启动乳糖操纵子的表达。当前27页，总共78页。3、色氨酸操纵子的表达调控

色氨酸操纵子（trpoperon）：主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。阻遏型操纵子：通常是开放转录的，当有效应物作用时，则阻遏关闭转录；当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放；而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。

当前28页，总共78页。1）色氨酸操纵子的结构当前29页，总共78页。O

阻遏蛋白

mRNATrp

trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导序列（L）（结构基因关闭）调节区

在高浓度色氨酸存在下，阻遏结构基因的转录，

2）色氨酸的负性调控作用

有活性当前30页，总共78页。Trp操纵子的trpE基因5´－端“前导序列”衰减子结构

10、11

3）弱化作用调控当前31页，总共78页。前导肽核蛋白体弱化子结构RNA聚合酶5'mRNATrp密码子1234UUUU3'DNADNA前导肽5'1234Trp结构基因MKAIFVLKGMKAIFVLKGWWRTSRNA聚合酶

Trp操纵子的转录弱化调节机制当前32页，总共78页。由于基因表达必然消耗一定的能源和前体物，相对于阻遏和弱化作用，反馈抑制作用更为经济和高效。终产物Trp对催化分支途径几步反应的酶具有反馈抑制作用。研

4）trp的反馈抑制作用当前33页，总共78页。4、阿拉伯糖操纵子的双向控制

Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。组成：Ｒ：araC基因编码调节蛋白AraC蛋白；Ｏ：O1不参与调控；O2：AraC蛋白负调控结合位点；Ｉ：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。当前34页，总共78页。调控：①诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：

Ara与AraC蛋白复合物结合在Ｉ位点，CAP-cAMP复合物结合I位点，基因转录开启；②在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时：AraC蛋白同时与I和O2结合，DNA构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。当前35页，总共78页。当前36页，总共78页。三、翻译水平的调控原核生物翻译水平的调控通常是以类似于转录抑制的方式作用：“阻遏物”结合到翻译起始位点阻止翻译的起始。mRNA的二级结构和寿命、核糖核蛋白、稀有密码子、营养缺乏的报警物以及反义RNA等都可对翻译水平进行调控。当前37页，总共78页。1、核糖体蛋白质合成的自体调控

核糖体蛋白质与rRNA的结合部位同编码核糖体蛋白的mRNA的结合部位有同源性，而且某些核糖体蛋白的mRNA其部分二级结构与rRNA的部分二级结构相似，二者都能与起调控作用的核糖体蛋白质相结合，只是rRNA的结合能力强于mRNA。一旦rRNA的合成减少或停止，游离的核糖体蛋白开始积累。这些多余的核糖体蛋白就会与本身的mRNA结合，从而阻断自身的翻译，同时也阻断同一多顺反子mRNA下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使核糖体蛋白质的合成和rRNA的合成几乎同步地停止。当前38页，总共78页。2、细菌营养缺乏调控

严紧反应（stringentresponse）：当细菌发现它们自己生长在饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉。研究发现，在氨基酸缺乏时，菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），

GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp

ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。当前39页，总共78页。3、反义RNA对基因表达的调控反义RNA（anti-senseRNA)：指与目的DNA或RNA序列互补的DNA或RNA片段。反义RNA与特定的mRNA结合的位点通常是SD序列、起始密码子AUG和部分N端的密码子，从而抑制mRNA的翻译．所以又称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA(mRNA—interferingcomplementaryRNA，micRNA)。当前40页，总共78页。此调节物RNA的作用可能有两种机制：（1）和靶核苷酸顺序形成双链区，直接阻碍其功能，如翻译的起始；（2）在靶分子的部分区域形成双链区，改变其它区域的构象，从而影响其功能。

共同特点：改变靶顺序的二级结构，控制其活性。

当前41页，总共78页。

一、真核生物基因组特点

1、基因组结构庞大

人类的单倍体基因组由3X109的核苷酸组成，含有大约2.63.9万个基因。2、形成染色体结构真核生物的基因组是以DNA和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。染色质结构的变化可以调控基因表达。第三节真核生物的基因调控

当前42页，总共78页。3、单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子。单顺反子

一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。4、重复序列

真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，分为以下4类：

高度重复序列中度重复序列单拷贝重复序列反向重复序列（回文序列）当前43页，总共78页。1)高度重复序列

重复数百万次，序列简单序列，不到10bp;称为卫星DNA；2)中度重复序列重复上千次，序列由几百个bp构成；3)单拷贝序列只出现1次或几次。真核生物极大多数为单一基因；4)反向重复序列是指在DNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：“－－－CGTACC---/---CCATGC---”,又称“回文结构”。当前44页，总共78页。5、断裂基因

外显子具有实际编码意义的结构基因序列；内含子不具有编码意义的碱基序列，又称插入序列。6、大多数为非编码区（95％左右）当前45页，总共78页。二、真核生物基因表达调控的水平DNA水平上的调控转录水平的调控转录后调控翻译水平上的调控翻译后调控当前46页，总共78页。当前47页，总共78页。三、真核生物DNA水平的调控

DNA水平上的基因表达调控是通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序实现的基因调控。真核生物的有些基因是经过DNA的变化来调控的。当前48页，总共78页。1.基因扩增基因扩增（geneamplification）是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。

当前49页，总共78页。两栖动物蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的100倍，需要合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。rRNA基因数目远远不能满足需要。在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加4000倍。卵母细胞的前体同其它细胞一样，含有600个18S和28SrRNA基因。基因扩增后rRNA基因拷贝数高达2×106。当前50页，总共78页。基因扩增常发生在异常的细胞中。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。当前51页，总共78页。2、基因重排基因重排(generearrangement)是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。序列重排可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。重排是由基因组中特定的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成新的蛋白质。尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普通方式，但它是有些基因调控的重要机制，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。

当前52页，总共78页。抗体的基本结构动物抗体重排当前53页，总共78页。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。完整的重链基因由VH、D、J和C四个基因片断组合而成完整的轻链基因由VL、J和C3个片段组合而成。人类的轻链分为2型：κ型（Kappa，κ）κ轻链基因位于第2染色体上，

λ型（Lambda，λ）λ轻链基因位于第22染色体上。当前54页，总共78页。人类基因组中抗体基因片断

抗体组成基因位点染色体基因片段数目VDJC重链IGHIGKIGL142228630911Kappa轻链（K）76051Lambola轻链（λ）52077当前55页，总共78页。在每一个重链分子重排时，首先是V区段与D区段连接，然后与J区段连接，最后与C区段连接，形成完整的人的抗体重链基因，每一个淋巴细胞中只有一种重排的抗体基因，以类似的重排方式形成完整的抗体轻链基因。重链和轻链基因转录后，翻译成蛋白质，由二硫键连接，形成抗体分子。由于抗体基因重排中各个片段之间的随机结合，因此可以从大约300个抗体基因中产生108个抗体分子。当前56页，总共78页。3、DNA的甲基化在真核生物DNA分子中，少数胞嘧啶碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催化下被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化(methylation)。甲基化多发生在5′－CG－3′二核苷酸对上。有时CG二核苷酸对上的两个C都甲基化，称为完全甲基化，只有一个C甲基化称为半甲基化。甲基化酶可识别半甲基化DNA分子，使另一条链上的胞嘧啶也甲基化。当前57页，总共78页。甲基化可以调控基因表达DNA的甲基化可以引起基因的失活。活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。表达活性与甲基化程度呈负相关。甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏之间起调节作用。把甲基化和未甲基化的病毒DNA或细胞核基因分别导入活细胞，已甲基化的基因不表达，而未甲基化的能够表达。

当前58页，总共78页。4.染色质结构与基因表达调控1）紧密的染色质结构阻止基因表达常染色质中的基因可以转录，异染色质中未见有基因转录表达。哺乳类雌体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质，这条X染色体上的基因就全部失活。当前59页，总共78页。2）核小体结构影响基因转录核小体中组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。转录活跃的区域常缺乏核小体的结构。

当前60页，总共78页。3）超螺旋结构影响基因转录天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋，基因活跃转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象为正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移动转录，其后面的DNA为负性超螺旋，有利于核小体的再形成。当前61页，总共78页。四、真核生物转录水平上的调控真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。顺式作用元件（cis-actingelement）是指DNA上对基因表达有调节活性的某些特定的调控序列，其活性仅影响与其自身处于同一个DNA分子上的基因。反式作用因子（trans-actingfactor）是指能直接或间接地识别并结合在各类顺式元件上，参与调控靶基因转录的蛋白质，也称为转录因子。当前62页，总共78页。

1、顺式作用元件

按功能特性，顺式作用元件分为：启动子、增强子和沉默子。

1)启动子(promoter)：是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括：

TATA盒(TATAAAA)：位于转录起始点上游-25～-30bp，控制转录起始的准确性及频率。是转录因子TFIID结合位点。

GC盒(GGGCGG);

CAAT盒(GCCAAT)当前63页，总共78页。

2)增强子(enhancer)

指远离转录起始点(1～30kb)、决定基因的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列。

增强子发挥作用的方式通常与方向、距离无关。从功能上讲，没有增强子存在，启动子不表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。

3)沉默子(silencer)

指某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录