第十五级基因表达的调控详解演示文稿

第十五级基因表达的调控详解演示文稿目前一页\总数七十四页\编于十八点优选第十五级基因表达的调控目前二页\总数七十四页\编于十八点

机体能在基因表达过程的任何阶段进行调节，即可在转录、转录后加工及翻译阶段进行调节。原核生物的基因组和染色体结构比较简单，转录和翻译可在同一时间和位置上发生，基因表达的调节主要在转录水平上进行。目前三页\总数七十四页\编于十八点

真核生物由于存在细胞和结构的分化，转录和翻译过程在时间和空间上被彼此分隔开，且在转录和翻译后还有复杂的加工过程，因此基因表达在不同水平上都要进行调节。目前四页\总数七十四页\编于十八点第一节基因与基因组（课堂都涉及到过,再介绍显得罗嗦）

一、DNA与基因DNA是遗传的物质基础，位于染色体上，由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，基因（gene）是遗传的基本单位。一条染色体上有多个基因，它们在染色体上线性排列组成连锁群，确切的说，基因是指具有特定生物遗传信息的DNA序列。目前五页\总数七十四页\编于十八点基因按其功能可分为结构基因和调节基因。

结构基因（structuralgene）是指可被转录为mRNA，并被翻译成各种具有生物功能的蛋白质的DNA序列。

调节基因（regulatorygene）是指某些可调节控制结构基因表达的DNA序列。转录调控区、间隔序列，3′端剪切信号和多聚腺苷酸以及与初始RNA转录剪接有关的非编码序列都包括在所指的基因中（图16‑1）。

目前六页\总数七十四页\编于十八点

图16‑1DNA与基因的关系

目前七页\总数七十四页\编于十八点结构基因

在原核生物中占整个DNA分子的大部分，在真核生物中只占一小部分。在结构基因间含有一些没有编码功能的间隔区（spacerregion），其中包括一些复制、转录、翻译过程的控制区（controlregion），即可被调节分子识别的序列。一个基因是否表达受与调节区DNA序列结合的调节分子的控制。

目前八页\总数七十四页\编于十八点

真核生物的结构基因包括3个区域：①编码区：包括外显子与内含子；②前导区：位于编码区上游，相当于mRNA5‘端非编码区；③调节区：包括调节结构基因的侧翼序列，如启动子、增强子等（图

16‑2）。目前九页\总数七十四页\编于十八点

1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因（断裂基因）

，

即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，这些插入不编码的的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子。

外显子被内含子隔列成若干片段，称为断裂基因或隔裂基因。

目前十页\总数七十四页\编于十八点图16‑2真核生物基因的结构图

目前十一页\总数七十四页\编于十八点

基因大小

由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质的序列要大得多。与整个基因相比，编码蛋白质的外显子较小，大多数外显子编码的氨基酸数少于100。基因的大小主要取决于它所包含的内含子的长度和数量，与外显子的大小和数量关系不大，许多长基因并非其编码序列较长，而是其含有较长的内含子。

目前十二页\总数七十四页\编于十八点重叠基因（overlappinggene）

在一些原核生物基因中，两个邻近的基因可发生重叠，并以不同的可读框被阅读，表达不同的蛋白质，这种基因称重叠基因。

基因的重叠可以是部分重叠，也可以是一个基因包含在另一个基因内，部分重叠使用不同的阅读框。

目前十三页\总数七十四页\编于十八点基因组（genome）是细胞或生物体的全套遗传物质。

原核生物的基因组是指单个染色体上所含的全部基因。

真核生物的基因组是指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因。

不同种生物及同种生物的不同个体之间基因组的大小或基因数目不是固定不变的。

目前十四页\总数七十四页\编于十八点

第二节原核生物基因表达的调节

一、操纵子模型

操纵子模型（operonstructuralmodel）是原核生物基因表达调节的重要方式。

所谓操纵子（operon）是指原核生物基因表达的调节序列或功能单位，有共同的控制区（controlregion）和调节系统（regulationsystem）目前十五页\总数七十四页\编于十八点基因表达调控可分为四级：

转录水平调控

mRNA加工调控

翻译水平调控

蛋白质活性调控等目前十六页\总数七十四页\编于十八点

在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。

因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行。

生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平，最根本还是基因的表达调控。

基因表达即遗传信息的转录和翻译水平。

目前十七页\总数七十四页\编于十八点

如原核生物基因表达的调节（转录水平）

本世纪三十年代，H.Karstrom在对糖代谢过程中的某些酶的合成进行研究时提出：诱导酶与组成酶。

酶合成诱导现象—JacobandMonod的工作：

已知分解利用乳糖的酶有：-半乳糖苷酶；-半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶（了解）。

目前十八页\总数七十四页\编于十八点

(一)实验现象

(1)大肠杆菌生长在只有葡萄糖培养基上时，细胞内无上述三种酶合成，不能代谢乳糖。

(2)大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基上时细胞内有上述三种酶合成，能够代谢乳糖。

目前十九页\总数七十四页\编于十八点

(３)当培养基中既有乳糖又有葡萄糖时，三种酶基本消失，只有葡萄糖耗尽时三种酶又出现开始利用乳糖，此时葡萄糖阻抑了乳糖的代谢。

表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。

目前二十页\总数七十四页\编于十八点

某些代谢物或底物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的诱导。

能诱导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。

JacobandMonod的工作：

提出了操纵子学说，这是一个划时代的发现，开创了从分子水平上认识基因表达受营养物质调控的时代。

这项重大贡献他们获得1965年的诺贝尔奖。目前二十一页\总数七十四页\编于十八点

(二)操纵子

包括参与一个代谢途径的几个酶的基因编码在一起形成的一个转录单位。

所谓操纵子（operon）是指原核生物基因表达的调节序列或功能单位，有共同的控制区（controlregion）和调节系统（regulationsystem）。

或者说是在DNA上控制蛋白质合成的一个功能单位。

目前二十二页\总数七十四页\编于十八点(三)操纵子结构

操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因及在结构基因前面的控制部位。

一个操纵子的全部基因都排列在一起。

其中调节基因可远离结构基因，控制部位可接受调解基因产物的调节。

结构基因、调节基因、启动基因、操纵基因

目前二十三页\总数七十四页\编于十八点

①结构基因

指导蛋白质生物合成的基因，在原核生物中，它包括参与同一代谢途径的几个酶的基因，在功能上是相关的（多顺反子）。

②操纵基因决定着结构基因转录或不转录，当~“开放”时，结构基因转录，“关闭”时，不转录，操纵基因的“开关”由调节基因决定。一般位于结构基因上游。

目前二十四页\总数七十四页\编于十八点

④调节基因

~能编码一种蛋白质—阻抑蛋白，它是一种变构蛋白。

分子表面有两个配基结合部位，一个与操纵基因结合，一个与效应物结合（阻抑蛋白或辅阻抑蛋白）。

③启动基因位于操纵基因上游。与RNA聚合酶结合的部位。目前二十五页\总数七十四页\编于十八点基因表达调控启动基因操纵基因结构基因……调节基因调节蛋白RNA聚合酶结合部位调节蛋白结合部位，决定转录与否操纵子mRNAmRNA（阻抑蛋白）目前二十六页\总数七十四页\编于十八点

大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被子发现的操纵子（Monod和Jacob，1961）

目前二十七页\总数七十四页\编于十八点

乳糖操纵子（lac）—诱导型操纵子

人们在20世纪初就发现以下现象：在大肠杆菌培养基中即加入葡萄糖，又加入乳糖，大肠杆菌不利用乳糖。

如果将大肠杆菌培养在以乳糖为唯一碳源的培养基上时，2~3min内b-半乳糖苷酶增加到原来的1000倍。若从培养基上除去乳糖，则该酶的合成在2~3min内停止。同时发现除b-半乳糖苷酶外，b-半乳糖苷透性酶、b-半乳糖苷乙酰基转移酶也一切被诱导合成。

以上现象说明三种酶的基因平时是关闭的。目前二十八页\总数七十四页\编于十八点

大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含有代谢乳糖的酶。在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。

由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶：-半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。

这种由于底物存在而导致作用该底物的酶合成的现象称酶的诱导。以下介绍乳糖操纵子结构:

目前二十九页\总数七十四页\编于十八点

①乳糖操纵子的负调节（negativecontrol）

是指开放的乳糖操纵子可被调节基因的编码产物阻抑蛋白所关闭。当大肠杆菌培养基中只有葡萄糖而没有乳糖时，阻抑蛋白可与操纵基因结合。目前三十页\总数七十四页\编于十八点

LacI基因表达的产物是—阻抑蛋白其功能：阻止结构基因的表达，阻抑蛋白(活化状态)与操纵基因结合（位于启动子和结构基因之间），可阻止RNA聚合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节称为阴性调节（负调节）。

因培养基中无乳糖不需要利用乳糖的酶。目前三十一页\总数七十四页\编于十八点

在没有乳糖时，乳糖操纵子一直处于关闭状态，这样可避免造成浪费。当葡萄糖耗尽且有乳糖存在时，乳糖操纵子的抑制将被解除，使细菌能够利用乳糖。

目前三十二页\总数七十四页\编于十八点当有诱导物存在时，阻抑蛋白可与诱导物结合，引起阻抑蛋白构象改变，使其与操纵基因的亲和力降低，不能与操纵基因结合或从操纵基因上解离。乳糖操纵子开放，RNA聚合酶结合于启动子，并顺利通过操纵基因，进行结构基因的转录，产生大量分解乳糖的酶，以乳糖为能源进行代谢。

目前三十三页\总数七十四页\编于十八点启动基因操纵基因结构基因lacZlacAlacY①酶合成的诱导乳糖操纵子……调节基因……阻抑蛋白mRNA基因关闭不转录基因打开转录mRNAb-半乳糖苷酶b-半乳糖苷透性酶b-半乳糖苷乙酰基转移酶阻抑蛋白mRNA无乳糖(有乳糖）诱导物(乳糖等)目前三十四页\总数七十四页\编于十八点

②乳糖操纵子的正调节（positivecontrol）

大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择选择正调节作用？因为负调节只能对乳糖的存在作出应答，当只有乳糖存在时就足以激活操纵子。

目前三十五页\总数七十四页\编于十八点

但当培养基中既有葡萄糖又有乳糖同时存在时，仅有负调节作用不能满足大肠杆菌对能量代谢的需要。

当有葡萄糖存在时激活乳糖操纵子是一种浪费，因而此时乳糖操纵子处于非活化状态，有利于葡萄糖的代谢。目前三十六页\总数七十四页\编于十八点当大肠杆菌利用完葡萄糖后再激活乳糖操纵子，从而利用乳糖继续生长。这种现象称葡萄糖阻抑（glucoserepression）或分解代谢产物阻抑（cataboliterepression）。目前三十七页\总数七十四页\编于十八点

在培养基中加入葡萄糖，则乳糖代谢停止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖，可见葡萄糖阻遏了乳糖代谢，只有当葡萄糖消耗殆尽，阻遏解除，大肠杆菌又能利用乳糖。

因为，在乳糖操纵子的调控中还有另一个蛋白质在起作用—降解物基因活化蛋白（CAP，cAMP受体蛋白）。

CAP的功能：

可特意结合在启动子；

促进RNA聚合酶与启动子结合，促进转录（阳性调控）。目前三十八页\总数七十四页\编于十八点游离的CAP是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的cAMP时，CAP与cAMP形成复合物（正调节因子），此复合物才能与启动子结合。

因此CAP也称做cAMP受体蛋白。葡萄糖降解产物能降低细胞内cAMP的含量。当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMP浓度降低，CAP便不能结合在启动子上。目前三十九页\总数七十四页\编于十八点葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶有抑制作用，则cAMP的浓度降低，CAP-cAMP复合物减少，不能与启动子结合，故转录不得进行。

此时，即使有乳糖存在也不能进行转录，所以仍不能利用乳糖。目前四十页\总数七十四页\编于十八点

cAMP水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况的影响。

当葡萄糖水平低时，cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合，使CAP构象改变，激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。

向含有乳糖的培养基中加入葡萄糖，由于葡萄糖浓度升高，cAMP水平降低，CAP与启动子的亲和力降低，乳糖操纵子被抑制，此时，即使有乳糖存在大肠杆菌仍不能利用乳糖。目前四十一页\总数七十四页\编于十八点调节基因启动子操纵基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP复合物mRNA

+

当葡萄糖水平低时，cAMP浓度升高，cAMP与CAP结合，激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。目前四十二页\总数七十四页\编于十八点大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节：一是对操纵基因的负调节；二是对RNA聚合酶结合到启动子上的正调节；两种调节作用使大肠杆菌能够灵敏地应答环境中营养的变化，有效地利用能量以利于生长。目前四十三页\总数七十四页\编于十八点色氨酸操纵子

色氨酸操纵子（trpoperon）含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶的结构基因，如lac操纵子一样，trp操纵子也倾向于由阻抑蛋白产生的负调节，但两种操纵子的负调节有着本质的区别。lac操纵子编码分解代谢的酶，分解乳糖，当该物质出现时操纵子被开放。Trp操纵子编码合成代谢的酶，合成色氨酸，操纵子通常被该物质所关闭。同时，trp操纵子还存在一种弱化作用（attenuation）的调节机制。目前四十四页\总数七十四页\编于十八点色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的负调节色氨酸操纵子的弱化作用调节目前四十五页\总数七十四页\编于十八点色氨酸操纵子的结构

色氨酸操纵子由调节基因（trpR）、启动子、操纵基因和5个相连的结构基因组成，结构基因分别编码催化分支酸合成色氨酸的3种酶的多肽链。前两个基因——trpE和trpD编码色氨酸合成第一步反应的酶，第3个基因trpC编码催化第二步反应的酶，后两个基因trpB和trpA编码催化第三步和最后反应的酶。目前四十六页\总数七十四页\编于十八点调节基因距结构基因较远，可控制合成trp操纵子阻抑蛋白。启动子和操纵基因位于结构基因的前面，操纵基因完全位于启动子之内。在操纵基因与结构基因trpE之间有一段由162个核苷酸组成的前导序列（trpL），前导序列内有一段弱化子（attenuator，a）序列。

目前四十七页\总数七十四页\编于十八点色氨酸操纵子的负调节

无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）以游离的形式存在，不能结合操纵基因，所以结构基因得以转录和表达，合成色氨酸。

但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。目前四十八页\总数七十四页\编于十八点

色氨酸操纵子—阻抑型操纵子

细菌的氨基酸合成也是由操纵子调节，需要某种氨基酸时其操纵基因开放，不需要时关闭。

与lac操纵子区别：

lac操纵子阻遏蛋白仅作用于lacZYA基因簇的操纵基因；色氨酸操纵子阻遏蛋白通过结合多个操纵基因控制散在分布的结构基因，它可控制三套不直接相连的基因。

目前四十九页\总数七十四页\编于十八点

lacI阻遏蛋白表达的产物是—阻抑蛋白，其功能：阻止结构基因的表达，阻抑蛋白与操纵基因结合，可阻止RNA聚合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节称为阴性调节。因培养基中无乳糖不需要利用乳糖的酶。目前五十页\总数七十四页\编于十八点

无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）一游离的形式，不能结合操纵基因，所以结构基因得以转录和表达，合成色氨酸。

但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。

目前五十一页\总数七十四页\编于十八点调节基因……基因关闭不转录阻抑蛋白mRNA(无色AA)启动基因操纵基因结构基因阻抑蛋白mRNA辅阻抑物(有色氨酸)(有)……mRNA磷酸核糖基转移酶邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶a亚基色氨酸合成酶b亚基

酶合成的阻遏--------色氨酸操纵子基因开放转录阻抑蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达代谢产物与阻抑蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达目前五十二页\总数七十四页\编于十八点

调控方式的意义

在色氨酸充足时，色氨酸–阻遏物复合体结合操纵基因完全阻断转录；

在色氨酸水平下降很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样也不易保持细菌色氨酸水平的恒定，后来又发现一个调控结构称为衰减子。目前五十三页\总数七十四页\编于十八点

色氨酸操纵子的弱化作用调节

上述调控方式，会造成在色氨酸充足时。色氨酸-阻遏蛋白复合体结合操纵基因完全阻断转录，在色氨酸水平很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样不易保持细菌色氨酸水平的恒定。后来发现色氨酸操纵子中存在一个辅助调控结构，可用以终止和减弱转录，这个调控结构称弱化子（衰减子，attenuator),即前导序列。前导序列编码一小段14肽。在14肽里有两个色氨酸（UGG）密码子，在调节中起着重要作用。目前五十四页\总数七十四页\编于十八点弱化子的作用：在色氨酸相对较多时减弱操纵子的转录，弱化子通过引起转录的提前终止而发挥调节作用。

转录的提前终止是由于在弱化子序列内含有一个转录终止信号——终止子，终止子的一个反向重复序列后紧接着8个A-T碱基对。由于反向重复序列的存在，在此区域内的转录产物易形成后面带有8个U的茎环结构，一旦形成茎环结构，RNA聚合酶即停止移动，转录终止。目前五十五页\总数七十四页\编于十八点在最稳定的终止子结构中，1区与2区配对，3区与4区配对，形成两个茎环结构，3-4区后紧接着8个U序列。目前五十六页\总数七十四页\编于十八点原核生物的转录和翻译是同时进行的，当色氨酸含量低时，不能形成足够的色氨酰-tRNA，翻译进行至前导序列的2个色氨酸密码子时，核糖体停止移动。此时核糖体位于1区，因此1区和2区不能形成茎环结构，而2区和3区形成茎环结构，3、4区的茎环结构不能形成，致使不能形成有效的转录终止子结构，RNA聚合酶可通过弱化子序列继续转录，结构基因得以表达，产生色氨酸。目前五十七页\总数七十四页\编于十八点当色氨酸含量高时，核糖体不停止移动，3、4区形成茎环结构进而形成有效的转录终止子，RNA聚合酶不能通过，转录终止，结构基因不能表达，使色氨酸含量降低。目前五十八页\总数七十四页\编于十八点目前五十九页\总数七十四页\编于十八点可以与mRNA碱基配对的小分子RNA

功能：可以通过与mRNA碱基配对而阻止mRNA的翻译，从而调节基因的表达，是一种翻译水平的调控。mRNA反义RNA不可以翻译可以翻译

反义RNA以下不介绍目前六十页\总数七十四页\编于十八点反义RNA的调节（本课程结束）反义RNA（antisenseRNA）是指能与mRNA互补结合从而阻断mRNA翻译的RNA分子，它是反义基因（antisensegene）和/或基因的反义链（antisensestrand）转录的产物，它对基因表达的调节是一种翻译水平的调节。目前六十一页\总数七十四页\编于十八点

接着介绍PCR与核苷酸序列测定。目前六十二页\总数七十四页\编于十八点真核生物是否也有反义RNA，从反义RNA的定义看，真核细胞中不少RNA表现出反义RNA的功能。如DNA复制需要RNA作引物；单链DNA或RNA与互补链的杂交；mRNA5′端SD序列与核糖体30s亚基中16srRNA3′端的互补；tRNA的反密码与mRNA密码的互补等。

目前六十三页\总数七十四页\编于十八点根据这些核酸间相互识别与作用的事实，有人提出在生物体内存在反义RNA网络的假说。认为“反义”仅仅是对靶序列而言，体内RNA似乎都可以看成反义RNA。它们不是这条DNA链的反义RNA，就是另条DNA链的反义RNA，从整体上构成一种反义RNA的网络，发挥着不同的功能。虽然这仅是一种假说，但可以促进人们对RNA功能的认识。

目前六十四页\总数七十四页\编于十八点反义RNA调节的特点是高度的特异性，一种反义RNA抑制一种mRNA。根据这种原理设计人工反义RNA，抑制靶基因表达，达到治疗疾病的目的，即为基因治疗。如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及人的爱滋病病毒等都是单链RNA病毒，可利用反义RNA抑制这些病毒在体内的复制，以及用反义RNA抑制癌基因的表达等，从而达到治疗病毒性疾病和癌症的目的。

目前六十五页\总数七十四页\编于十八点16.1真核生物基因表达的调节

真核生物，真核生物基因当前分子生物学研究的重点已从原核生物转向表达的调节已成为最活跃的研究领域之一。对真核生物基因表达调节机制的认识将使人们能更有效地控制真核生物的生长发育。

目前六十六页\总数七十四页\编于十八点真核生物基因的表达可随细胞内外环境的改变和时序的变化在不同水平上进行精确调节，不同水平上的调节主要包括基因转录前、转录起始和过程、转录后加工、转录产物由胞核向胞浆的转运以及mRNA的翻译与翻译后加工的调节，其中主要表现在对转录活性的调节。

目前六十七页\总