基因表达的调控

基因表达的调控基因表达的调控第1页INTRODUCTION基因表达的调控第2页细胞周期与基因表示基因表达的调控第3页Activationofgenestructure(chromosome)

↓

Initiationandterminationoftranscription↓Processingthetranscript↓Transporttocytoplasm

↓TranslationofmRNAStagesofregulation:ProkaryoticcellEukaryoticcell

☆

☆◆◆◆◆◆基因表达的调控第4页主要内容:操纵子学说主要内容;乳糖操纵子发觉及其意义;乳糖操纵子主要调控方式；色氨酸操纵子结构及其主要调控方式。第一节原核基因表示调控TheControlofProkaryoticGeneExpression基因表达的调控第5页一、转录水平调控（一）操纵子模型

由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出一个相关原核基因表示调控模型。取得1965年诺贝尔生理学奖。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"基因表达的调控第6页1.基础概念

顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。

结构基因（structuralgene）：编码细胞必需蛋白，如酶和结构蛋白基因，叫结构基因。

调整基因（regulatorygene）：编码产物能够调整其它基因表示，这么基因叫调整基因。

调整蛋白（regulatoryprotein）：调整基因表示产物，叫调整蛋白。因为调整蛋白能够自由地与其对应结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-actingelement）。包含正调整蛋白（又叫激活蛋白activator）；负调整蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。基因表达的调控第7页?基因表达的调控第8页基因表达的调控第9页

可诱导基因（induciblegene）：当培养基中加入诱导物时，能够诱导对应基因表示，这些基因就叫可诱导基因。

组成型基因（constitutivegene）：为了维持细菌或细胞基础生命需要，总是在不停表示基因，叫组成型基因。

组成蛋白（constitutiveproteins）：在细胞内有许多蛋白质，其数量几乎不受外界环境影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋白质合成速度是遗传上要求，因为（1）开启子天然效率；（2）核糖体阅读信使速度；（3）其信使被核酸酶降解敏感性(mRNA寿命)。

正调控（positivecontrol）：在操纵子中，结构基因原来不表示，可当加入调整蛋白时，使该结构基因进行表示。这么调控叫正调控。

负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因原来是表示，当加入调整蛋白时，使该结构基因不表示。这么调控叫负调控。基因表达的调控第10页2.乳糖操纵子结构Figure10.4Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacI

genehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthelonglacZ

gene,followedbythelacYandlacAgenesandaterminator.基因表达的调控第11页lacZ

codesfortheenzymeβ-galactosidase,whoseactiveformisatetramerof~500kDa.Theenzymebreaksaβ-galactosideintoitscomponentsugars.Forexample,lactoseiscleavedintoglucoseandgalactose.

lacY

codesfortheβ-galactosidepermease,a30kDamembrane-boundproteinconstituentofthetransportsystem.Thistransportsβ-galactosidesintothecell.

lacA

codesforβ-galactosidetransacetylase,anenzymethattransfersanacetylgroupfromacetyl-CoAtoβ-galactosides.基因表达的调控第12页3.乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）

一个或几个结构基因与一个调整基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调整基因编码调整蛋白，调整蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因表示。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性调整蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）抑制，开始表示。假如去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将β-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%。基因表达的调控第13页Figure10.7Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.基因表达的调控第14页4.调控类型

正调控（positivecontrol）：

在操纵子中，结构基因原来不表示，当加入调整蛋白（无辅基诱导蛋白）时，使该结构基因进行表示。这么调控叫正调控。

负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因原来是表示，当加入调整蛋白（阻遏蛋白）时，使该结构基因不表示。这么调控叫负调控。

1）可诱导调控：在可诱导操纵子中，加入对基因表达有调整作用小分子物质（诱导物），则开启基因转录活性。

2）可阻遏调控：在可阻遏操纵子中，加入对基因表达有调整作用小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因转录活性。基因表达的调控第15页Figure10.3Inpositivecontrol,trans-actingfactorsmustbindtocis-actingsitesinorderforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatthepromoter.Inaeukaryoticsystem,astructuralgeneiscontrolledindividually.基因表达的调控第16页Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

基因表达的调控第17页Figure10.21Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.基因表达的调控第18页Figure9.15FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

5.操纵基因判定（foot-printing

技术）

基因表达的调控第19页内切酶核酸酶

SDSSDS基因表达的调控第20页6.操纵基因结构Figure10.11Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.基因表达的调控第21页Figure10.20Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.7.操纵基因位置基因表达的调控第22页基因表达的调控第23页Figure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

基因表达的调控第24页8.调整蛋白与操纵基因结合1）调整蛋白基础结构基因表达的调控第25页Figure10.14ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.基因表达的调控第26页基因表达的调控第27页基因表达的调控第28页2）其它调整蛋白结构：如Zinc-fingerandLeucinezipperetcFigure21.3TranscriptionfactorSP1hasaseriesofthreezincfingers,eachwithacharacteristicpatternofcysteineandhistidineresiduesthatconstitutethezinc-bindingsite.基因表达的调控第29页Figure21.15ThebasicregionsofthebZIPmotifareheldtogetherbythedimerizationattheadjacentzipperregionwhenthehydrophobicfacesoftwoleucinezippersinteractinparallelorientation.基因表达的调控第30页（二）色氨酸操纵子—操纵子其它调控形式操纵子调控类型基因表达的调控第31页半乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子氨基酸操纵子（色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几个）核苷酸操纵子基因表达的调控第32页色氨酸（Trp）操纵子:

当前，有各种氨基酸操纵子结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种。咱们仅讨论Trp操纵子基因表示调控。

Trp操纵子是合成代谢路径中最具代表性例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）表示，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B，A（色氨酸合成酶B链和A链）。当色氨酸少或缺乏时，这5个邻近基因才开始转录成mRNA。因为Trp操纵子是一个合成体系，与糖分解代谢无关，所以，与Glu存在是否没相关系，也就不存在cAMP-CAP结合位点。

基因表达的调控第33页Figure10.41Thetrpoperonconsistsoffivecontiguousstructuralgenesprecededbyacontrolregionthatincludesapromoter,operator,leaderpeptidecodingregion,andattenuator.

1.结构与功效基因表达的调控第34页表.衰减子控制氨基酸合成操纵子中前导肽氨基酸序列操纵子前导肽氨基酸序列色氨酸

MetLysAlaIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSer(14aa)苏氨酸

MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸

MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸

MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·缬氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸

MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸

MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸-缬氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro基因表达的调控第35页结构特点：

（1）阻遏物基因trpR和结构基因trpEDCBA不紧密连锁；（2）操纵基因在开启子区域内；（3）开启子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；（4）有衰减子结构。在合成代谢操纵子前导区内，存在着类似终止子结构一段DNA序列，该序列能够辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为衰减子（attenuator）。基因表达的调控第36页2.调控方式trpRmRNAA:B:无活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol基因表达的调控第37页

经测序后发觉，在第一个结构基因（trpE）5’-端有一个长160bp前导序列（leadersequence）。当此序列缺失130~160bp时，mRNA总是以最高水平表示。而当trp存在时，mRNA表示水平降低。所以，称此序列为衰减子（attenuator）。3.衰减作用基因表达的调控第38页Figure10.42AnattenuatorcontrolstheprogressionofRNAothetrpgenes.RNApol.initiatesatthePandthenproceedstoposition90,whereitpausesbeforeproceedingtotheattenuatorat140.IntheabsenceofTrp,theRNApol.continuesintothetrpEgenes(startsat+163).InthepresenceofTrp,~90%probabilityofterminationtoreleasethe140bleaderRNA.基因表达的调控第39页Figure10.43Thetrpleaderregioncanexistinalternativebase-pairedconformations.Thecentershowsthefourregionsthatcanbasepair.Region1iscomplementarytoregion2,whichiscomplementarytoregion3,whichiscomplementarytoregion4.Ontheleftistheconformationproducedwhenregion1pairswithregion2,andregion3pairswithregion4.Ontherightistheconformationwhenregion2pairswithregion3,leavingregions1and4unpaired.

Figure9.26Intrinsicterminatorsincludepalindromicregionsthatformhairpinsvaryinginlengthfrom7-20bp.Thestem-loopstructureincludesaG-C-richregionandisfollowedbyarunofUresidues.基因表达的调控第40页Figure11.29ThealternativesforRNApolymeraseattheattenuatordependonthelocationoftheribosome,whichdetermineswhetherregions3and4canpairtoformtheterminatorhairpin.

基因表达的调控第41页衰减子调控系统生物学意义：

（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之间转换可能较慢，而tRNA荷载是否可能更加快捷；

（2）氨基酸主要用途是合成蛋白质，所以，以tRNA荷载情况为标准来进行调控可能更为适当；

（3）阻遏蛋白与衰减子共同作用，提升了效率，防止了氨基酸浪费。当细胞内氨基酸高于某一水平时，可完全实现阻遏；而低于该水平时，则启用衰减子进行微细调控。一些氨基酸操纵子仅使用衰减子即可实现调控。基因表达的调控第42页二、翻译水平调控

翻译系统基因表达的调控第43页Figure10.48AntisenseRNAcanbegeneratedbyreversingtheorientationofagenewithrespecttoitspromoter,andcanannealwiththewild-typetranscripttoformduplexRNA.

（一）反义RNA调控作用基因表达的调控第44页mRNA5’反义RNAAUG+1S-D3’

以大肠杆菌外膜蛋白表示为例，说明反义RNA调控作用。大肠杆菌外膜蛋白有两种：ompC和ompF。它们表示受渗透压调整。渗透压高：ompC合成增多，ompF合成受到控制；渗透压低：ompF合成增多，ompC合成受到控制。基因表达的调控第45页Figure10.46IncreaseinosmolarityactivatesEnvZ,whichactivatesOmpR,whichinducestranscriptionofmicFandompC(notshown).micFRNAiscomplementarytothe5’-regionofompFmRNAandpreventsitstranslation.

基因表达的调控第46页Figure10.45AntisenseRNAcanaffectfunctionorstabilityofanRNAtarget.

1）调控翻译起始；2）调控RNA稳定性；3）调控转录终止。基因表达的调控第47页（二）反义RNA应用

SynthesisofantisenseRNAcaninactivateatargetRNAineitherprokaryoticoreukaryoticcells.ArtificialgenescodingforantisenseRNAshavebeenintroducedintoE.coli,wheretheypreventexpressionofthespecifictargetgenestowhosemRNAstheyarecomplementary.Thistechniqueoffersapowerfulapproachforturningoffgenesatwill;forexample,thefunctionofaregulatorygenecanbeinvestigatedbyintroducinganantisenseversion.Anextensionofthistechniqueistoplacetheantisensegeneundercontrolofapromoteritselfsubjecttoregulation.ThenthetargetgenecanbeturnedoffandonbyregulatingtheproductionofantisenseRNA.Thistechniqueallowsinvestigationoftheimportanceofthetimingofexpressionofthetargetgene.

基因表达的调控第48页第二节

真核基因表示调控

TheControlofEukaryoticGeneExpression主要内容：1.

真核基因表示调控主要特点；2.

Dhfr基因加压筛选机制；3.

抗体基因表示过程中染色体重排机制；4.mRNA前体可变剪接及其意义；5.RNA编辑基因表达的调控第49页真核生物与原核生物基因表示调控特点比较：

1.原核生物无细胞核，真核生物含有核模包裹着细胞核，所以原核基因转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因转录是在细胞核中进行，翻译在胞质中进行；

2.

原核染色质基础上是裸露DNA，而真核染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成为核小体；在原核细胞中，染色质结构对基因表示没有显著调控作用，而在真核中，这种作用是显著。基因表达的调控第50页

3.原核生物基因数目少，而且绝大多数是连续。而真核生物基因数目众多，多数基因组基因都是不连续，含有数量不等内含子以及功效不清重复序列等；

4.真核生物生成初始转录物需在核中进行一系列转录后加工和运输，所以，真核基因表示有各种转录后调控机制，如5’-端加帽、3’-端加poly(A)尾、剪接及成熟mRNA由胞核到胞质运输等；

基因表达的调控第51页

5.原核基因转录多为多顺反子，即参加同一个代谢路径多个蛋白基因串联在一起，受同一个调控序列调控；而真核基因转录多为单顺反子。而且一个真核基因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合在调控序列上，才能开启基因转录；

6.

在原核基因转录调控中，现有激活物调控（正调控），又有阻遏物调控（负调控），二者同等主要。在真核中即使也有正调控成份和负调控成份，但迄今已知主要是正调控。基因表达的调控第52页7.真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中逐步分化形成各种组织和细胞类型。分化是不一样基因表示结果。不一样类型细胞，功效不一样，基因表示情况也不一样。一些基因仅特异地在某种细胞中表示，称为细胞特异性或组织特异性表示，因而含有调控这种特异性表示机制。

8.真核生物对外界环境条件改变反应和原核生物十分不一样。同一群原核生物细胞处于相同环境条件中，对环境条件改变会作出基础一致反应；而真核生物经常只有少个别细胞基因表示直接收到环境条件改变影响和调控，其它大个别间接或不受影响。基因表达的调控第53页一、染色体水平调控（一）染色体扩增

染色体扩增本质是细胞内特定基因拷贝数专一性大量扩增。

dhfr基因扩增机制。

基因表达的调控第54页MammaliangenesforDHFR(dihydrofolatereductase)havethesamerelativeorganizationofrathershortexonsandverylongintrons,butvaryextensivelyinthelengthsofcorrespondingintrons.基因表达的调控第55页Figure17.28Thedhfrgenecanbeamplifiedtogiveunstablecopiesthatareextra-chromosomal(doubleminutes)orstable(chromosomal).Extra-chromosomalcopiesariseatearlytimes.

1.扩增类型：

StablelinesandUnstablelines基因表达的调控第56页Figure17.30Amplifiedextrachromosomaldhfrgenestaketheformofdouble-minutechromosomes,asseenintheformofthesmallwhitedots.基因表达的调控第57页Figure17.29Amplifiedcopiesofthedhfrgeneproduceahomo-geneouslystainingregion(HSR)inthechromosome.

CHO野生型CHOr基因表达的调控第58页

2.dhfr基因扩增机理和特点

（1）机理：

非同源重组基因表达的调控第59页Figure15.8Reciprocalrecombinationbetweendirectrepeatsexcisesthematerialbetweenthem;eachproductofrecombinationhasonecopyofthedirectrepeat.

基因表达的调控第60页Figure15.9Reciprocalrecombinationbetweeninvertedrepeatsinvertstheregionbetweenthem.

基因表达的调控第61页（2）特点：

A.在用MTX加压筛选早期，细胞大个别或全部是不稳定；

B.dhfr基因单细胞拷贝数改变范围为40~400，伴随加压程度提升，拷贝数逐步增加，对MTX耐受力也对应提升；

C.dhfr基因长度为31kb，但被扩增DNA长度可达500~1000kb；

D.

当MTX压力解除后，dhfr基因将逐步降低；

E.

当与dhfr基因相连外源DNA导入细胞后，有整合到内源dhfr基因位点趋势。基因表达的调控第62页3.dhfr加压系统应用

EPO（促红细胞生成素）高效表示。pCMV/EPOCHOcellline/dhfr-StableHighExpressionMTXTransformationEPOExtractionpurification基因表达的调控第63页（二）染色体重排1.免疫球蛋白（抗体）产生、种类、结构和多样性

Theimmuneresponseofvertebratesprovidesaprotectivesystemthatdistinguishesforeignproteinsfromtheproteinsoftheorganismitself.Foreignmaterial(orpartoftheforeignmaterial)isrecognizedascomprisinganantigen.Theimmunesystemprovidesastrikingandextensivecaseinwhichthecontentofthegenomechanges,whenrecombinationcreatesactivegenesinlymphocytes.

Bcells

，Tcellsmatureinthethymus.EachclassoflymphocyteusestherearrangementofDNAasamechanismforproducingtheproteinsthatenableittoparticipateintheimmuneresponse.

Forpracticalpurposes,weusuallyreckonthatamammalhastheabilitytoproduce106-108differentantibodies.

基因表达的调控第64页骨髓干细胞（法氏囊）前B淋巴细胞未成熟B淋巴细胞成熟B淋巴细胞外周B淋巴细胞抗体(antibody)骨髓(基因发生重排)外周血B淋巴细胞分化过程：基因表达的调控第65页Figure24.1Humoralimmunityisconferredbythebindingoffreeantibodiestoantigenstoformantigen-antibodycomplexesthatareremovedfromthebloodstreambymacrophagesorthatareattackeddirectlybythecomplementproteins.

基因表达的调控第66页Figure24.4Heavyandlightchainscombinetogenerateanimmuno-globulinwithseveraldiscretedomains.

Eachantibodyisanimmunoglobulintetramerconsistingoftwoidenticallightchains(L)andtwoidenticalheavychains(H).Ifanylightchaincanassociatewithanyheavychain,toproduce106~108potentialantibodiesrequires103~104differentlightchainsand103~104differentheavychains.基因表达的调控第67页不一样Ig家族V、D、J、C基因片段数

VDJC

人小鼠人小鼠人小鼠人小鼠Lλ<3002764>64Lκ<300~10005511H~300>1000~30124498家族V:Variableregion;D:Diversitygene;J:Joiningregion;C:Constantregion.基因表达的调控第68页Figure24.5ThelambdaCgenesegmentisprecededbyaJsegment,sothatV-Jrecombinationgeneratesafunctionallambdalight-chaingene.

2.轻链基因结构与重组基因表达的调控第69页Figure24.6ThekappaCgenesegmentisprecededbymultipleJsegmentsinthegermline.V-JjoiningmayrecognizeanyoneoftheJsegments,whichisthensplicedtotheCgenesegmentduringRNAprocessing.

基因表达的调控第70页Figure24.7Heavygenesareassembledbysequentialjoiningreactions.FirstaDsegmentisjoinedtoaJsegment;thenaVgenesegmentisjoinedtotheDsegment.

3.重链基因结构与重组基因表达的调控第71页Figure24.8ThelambdafamilyconsistsofVgenesegmentslinkedtoasmallnumberofJ-Cgenesegments.

Figure24.9ThehumanandmousekappafamiliesconsistofVgenesegmentslinkedto5JsegmentsconnectedtoasingleCgenesegment.

4.抗体多样性基因表达的调控第72页基因表达的调控第73页5.重组机制基因表达的调控第74页基因表达的调控第75页RAG蛋白(productsofrecombinationactivegene)

在抗体基因重组过程中发挥了主要作用。基因表达的调控第76页6.抗体表示与分泌Figure24.15AVgenepromoterisinactiveuntilrecombinationbringsitintotheproximityofanenhancerintheCgenesegment.TheenhancerisactiveonlyinBlymphocytes.基因表达的调控第77页组成抗体多样性原因：轻、重链基因多样性物质基础：

1）V基因多样性；

2）D基因片段多样性；

3）J基因片段多样性；

4）C基因多样性。轻链V-J-C重组方式多样性；重链V-D-J-C重组方式多样性；重链C基因可变剪接（alternativeSplicing）；轻链V-J和重链V-D连接处碱基插入或缺失；轻链与重链组合方式。基因表达的调控第78页二、染色质水平调控（一）染色质组成与结构

Chromatin:composedofDNA、histonesandnonhistones.Euchromatin(lowerdensity)

Heterochromat