第十三章 基因调控

第十三章基因调控

Chapter13RegulationofGeneExpression重点与难点重点：原核生物的乳糖操纵子的结构、调控方式、作用机理、规律以及参与的各种元件；真核生物在DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平及翻译后水平各个层次上基因表达调控的机理和方式。难点：基因突变对操纵子活动的影响。第一节原核生物基因表达调控基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。中心法则(thecentraldogma)：一、原核生物基因调控简述：操纵子学说操纵子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

获1965年诺贝尔生理学和医学奖（一）大肠杆菌乳糖操纵子模型

1.乳糖操纵元模型的提出：

1961年，雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）的操纵元（operon）模型：

操纵元：细菌的主要基因调控单位，也就是转录单位。如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加：①.

-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；②.渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；③.转乙酰酶：

-半乳糖转变成乙酰半乳糖。

大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加；

乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止。2.乳糖操纵子的结构和功能①结构基因(structuralgene)：编码酶或结构蛋白的基因，如lacZ、lacY、lacA基因。②操纵基因(operator，O)：指能被调控蛋白特异性结合的一段非编码的DNA序列，是调节基因产物的结合位点，是结构基因表达活动的开关。③启动基因(promoter，P)：位于操纵基因上游的一段非编码的DNA序列，是RNA聚合酶识别和结合的位点。④

阻遏物基因(inhibitor，i)：编码能与操纵基因序列结合的调控蛋白的基因。3.乳糖操纵子的负调控负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。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；正调控：经诱导物诱导转录的调控机制。诱导物通常与蛋白质结合

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

使基因处于表达的状态。

正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；

原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；

降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。乳糖操纵元的负调控：①.乳糖操纵元组成部分；②.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

无乳糖时，基因不表达；③.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

有乳糖时，基因表达；④.抑制基因突变（I－O+Z+Y+A+）,

无乳糖时，基因组成型表达；⑤.操纵基因突变型（I＋OcZ+Y+A+）,

无乳糖时，基因组成型表达。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶乳糖操纵子(lacoperon)的调控方式4.乳糖操纵子的正调控

当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。

当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？基因不表达，存在新的调节因子来控制乳糖操纵子开启，这个因子的活性与葡萄糖有关。葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低；而腺苷酸环化酶能将ATP转变成cAmP。

cAmP又与代谢激活蛋白（cataboliteactivatingprotein,CAP）结合

形成cAmP-CAP复合物，作为lac操纵子正调控因子。当cAmP-CAP复合物二聚体插入到lac特异启动子序列时

使DNA构型发生变化，而RNA聚酶与该新构型的DNA结合紧密，转录效率高。

葡萄糖抑制操纵子的原理：

葡萄糖

腺苷酸环化酶活性降低

ATP无法转变成cAmP

不能形成CAP-cAmP复合蛋白

RNA酶无法结合在DNA上

基因不表达。5.乳糖操纵子的突变型

Oc操纵基因的组成型突变

I-阻遏蛋白不能和O结合

IS

阻遏蛋白失去诱导物结合位点——超阻遏变突

Oc仅使位于同一条染色体上的基因进行组成型表达，表现出位置效应。Oc基因与结构基因呈现顺式显性。

不诱导诱导

ZYZYO+Z+Y+－－＋＋OcZ+Y+＋＋＋＋O+Z+Y+/FOcZ+Y+O+Z+Y+/FOcZ+Y－O+Z+Y－/FOcZ－Y+

＋＋＋＋

＋－＋＋

－＋＋＋

在O+/Oc菌株中O+只能控制处于同一染色体上的结构基因，而与Oc相连的结构基因并不受其他DNA分子上的O+基因的影响。

基因型为I－/I＋时，I＋编码正常的阻遏蛋白并与操纵基因结合，表现为诱导型。即I＋对

I－为显性。

基因型为Is/I＋时，I＋编码的正常阻遏蛋白lac+不影响lacs与操纵基因的结合，表现为阻遏型。即I＋对

Is为隐性。基因型有乳糖没乳糖I-O+Z+/F’I+＋－I+OcZ+/F’O+

+

+I+O+Z+/F’I-

＋－I+O+Z+/F’Oc+－IsO+Z+/F’I+IsO+Z+/F’I+OcZ+－－+

+

如果一个基因所编码的蛋白质能结合到细胞内任何DNA分子的靶位点，那么只要该基因的任何一等位基因为显性，它就能抑制细胞内该基因的其他等位基因。6.色氨酸操纵子（1）色氨酸操纵子模型：

由雅各布（Jacob

F.）和莫诺（Monod

J.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵元模型。

操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；

大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；

色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。∴trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型（repressible

operon）。色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵元相距较远；（2）色氨酸操纵子的负调控：

阻遏调控：

trpR基因编码无辅基阻遏物

与色氨酸结合

形成有活性的色氨酸阻遏物

与操纵子结合

阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化

，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。二、真核生物基因表达的调控DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控真核生物与原核生物的调控差异基因表达的多水平调控

一、DNA水平的调控1、基因丢失（geneelimination）

发育过程中，一些组织的细胞丢失了某些基因，决定细胞分化。如：原生动物（马蛔虫）、昆虫、甲壳纲动物。受精卵（成体早期）只有一个着丝粒行使功能染色体破碎细胞分裂2、基因扩增基因扩增（geneamplification）

：就是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加的现象。例如：rRNA和多线染色体两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2×106

组装大量的核糖体，满足卵细胞大量合成蛋白质需要。果蝇唾腺染色体3、基因重排基因重排（generearrangement）：DNA分子核苷酸序列的重新排列，这些序列的重新排列可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。

⑴.酵母交配型转变

酵母有两种交配类型a和

，单倍体孢子a和

之间交配才产生a/

二倍体，经减数分裂及产孢过程形成

4个单倍体孢子；相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。

但酵母存在一种同宗配合类型（homothallism），其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生配合。交配型转换的遗传基础：

控制交配型的

MAT基因位于第3染色体上，MATa基因表现为a交配型，MAT

基因表现为

交配型；两基因互为等位基因；在MAT基因两端有同源序列HML

和HMRa，由于两基因上游存在沉默子，故不表达，但可分别与

MAT

、MATa基因序列相同。⑵.动物抗体基因重排：哺乳动物一般可产生108个抗体分子，比整个基因组基因数目还多（人类为105

个基因），人类的抗体基因约有

300个，为什么？

抗体分子结构：重链H：440个氨基酸；轻链L：220个氨基酸；

N

端：110个氨基酸。

重链和轻链：由变异区V和非变异区C组成；均由二硫键连接。抗体基因的结构：重链包括4个片段：（人类第14号染色体上）

86个重链变异区段（VH）；30个多样区片段（D）；9个连接区片段（J）；11个恒定区片段（C）；轻链有3个片段：（第2号和第22号染色体上）轻链变异区（VL）；连接区（J）；恒定区（C）。

所有的抗体并不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段经重排连接而成的。随着B淋巴细胞发育，基因组中抗体基因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因，一个淋巴细胞只有一种组合的抗体基因。

由于抗体基因重排中各个片段间的随机组合，因此300个抗体基因产生108个抗体。图：限制性内切酶MspI可以切所有的CCGG序列，但是当第二个C被甲基化后就不能切开,但是HpaII仅仅能切开非甲基化的CCGG序列。这两个限制性内切