基因表达调控

3．乳糖操纵子
（1）乳糖操纵子的结构和功能 与乳糖分解代谢相关的三个结构基因：lacZ、lacY 和 lacA 结构基因的上游依次为操纵基因lacO、启动子PZYA、调节基因 lacI和启动子PI，lacO为阻遏蛋白的结合位点 lacI编码阻遏蛋白，能识别操纵基因，并与之相结合，阻遏 lacZYA基因的转录表达启动子PZYA的上游还有1个代谢产物激活蛋白
（一）DNA及染色体水平的调控 • 基因重排
通过基因组结构的改变而改变细胞合成蛋白质种类的调控 方式。
小鼠胚胎发育过程中未分化的B淋巴细胞含有V基因和C基因，在分化时 部分V基因和J片段及C基因组合，不同的组合可以产生多种多样的抗体 分子，以适应复杂的抗原、抗体反应。
（一）DNA及染色体水平的调控 • DNA甲基化
上次课内容回顾与思考
密码子的特性，在基因功能和进化研究中 如何运用这些特性 蛋白质的合成过程中mRNA、rRNA、 tRNA是如何协同作用的，还需要哪些因 子的参与 蛋白质前体如何变成成熟的蛋白质分子 蛋白质组的概念
第四节 基因表达调控
一、原核生物基因表达调控 1．操纵子及其结构 1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，环境可以调控基因的 功能，基因成簇排列。1965年诺贝尔生理学奖。 在原核生物的调控中，调节基因、操纵基因和结构基因成簇排 列，协同作用，适应环境变化。 2、正调控和负调控 正调控——加入调节蛋白后基因表达活性开启。 负调控——加入调节蛋白后基因表达活性关闭。 诱 导——可诱导操纵子中加入小分子，使转录活性开启。 阻 遏——可阻遏操纵子中加入小分子，使转录活性关闭。
前导序列的两种回文结构
前导肽基因翻译调节结构基因转录
色氨酸饥饿时，核糖体停顿在两个色氨酸密码子上，核糖体占据1区， 2-3区形成配对，不影响RNA聚合酶转录；色氨酸处于高水平时，核糖 体翻译出前导肽，停止于终止密码子处，核糖体覆盖1、2区，3-4区配 对，RNA聚合酶终止转录。
（5）基因表达的时序调控
亮氨酸拉链（leucine zipper） 螺旋-环-螺旋（H-L-H）结构
转录因子的分子结构特征
转录激活域通常是依赖于DNA结合结构域以外的30-100个氨基 酸残基，调节蛋白依赖于此进行蛋白-蛋白相互作用，控制转 录起始复合物形成或调控其活性。 酸性α-螺旋结构域(acidic α–helix domain) 富含谷氨酰胺结构域(glutamine-rich domain) 富含脯氨酸结构域(proline-rich domain)
蜜蜂的工蜂和蜂王是二倍体， 而单倍体则发育为雄蜂。
（一）DNA及染色体水平的调控 • 基因扩增
细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加，使细胞 在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物。
非洲爪蟾体细胞中rDNA拷贝数约有500个，而在卵细胞中的拷贝数约为 200万个。用来转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体。扩增一般在卵细 胞成熟时停止，所合成的rDNA开始逐渐降解。
表观遗传学的分子机制
DNA甲基化
ＤＮＡ的甲基化是生物关 闭基因表达的一种有效手 段，也是印迹遗传的主要 机制之一；基因的去甲基 化可能使得印迹丢失，基 因过度表达，甚至引起肿 瘤或癌症的发生，如促肿 瘤生长因子IGF2基因过度 表达引发大肠癌。
表观遗传学的分子机制
组蛋白乙酰化
ＤＮＡ与组蛋白结合形成 核小体。若被组蛋白覆盖 的基因要表达，组蛋白必 须被修饰，使其和DNA的 结合由紧变松，让DNA能 和RNA聚合酶结合。 组蛋白乙酰化与基因表达 活性有关，去乙酰化阻遏 基因的活性。
甲基基团与DNA的CpG二核苷酸的胞嘧啶核苷共价结合, 在不改变DNA编码的前提下调节基因的活动。
抑郁症可能与大脑中的甲基化过程出现障碍有关。 ——2007年12月《美國人類遺傳學雜誌》
（二）转录水平的调控 基因转录的顺式作用元件和反式作用元件 • 顺式作用元件：基因转录调控区。 （增强子、启动子、沉默子及应答元件等） • 反式作用元件：转录因子。与顺式作用元件相结 合，影响转录的一组调节蛋白。 • 根据功能将转录因子分为3类：基本转录因子， 转录激活因子，转录抑制因子。
转录因子的分子结构特征
转录因子具有DNA结合域、二聚体化域和转录激活域等具有某 种特征的分子结构单元。与特异性序列的亲和力比与非特异性 序列亲和力高10万倍。
螺旋-转角-螺旋结构
锌指结构
DNA结合域：蛋白质的超二级结构可以形成紧密、稳定且具有明 显构象特征的生物功能域。
转录因子的分子结构特征
二聚体化域是负责蛋白与蛋白相互作用形成二聚体的结构域。
在肝中翻译成512kDa的蛋白， 在肠中只翻译成250kDa的蛋白。
锥虫细胞里发现了一类小分子RNA (guide RNA)可以和mRNA被编辑部分 发生非常规互补，指导RNA编辑。
（三）转录后水平的调控 • 反义RNA调控
真核生物基因组中，某些调节基因转录所产生的RNA可与基 因组DNA或RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因的 转录或翻译。
（三）翻译水平的调控 • 蛋白质合成的自体调节
β-微管蛋白和α-微管蛋白的异二聚体通过识别新生的 β-微管蛋白的N端几个氨基酸而促进β-微管蛋白mRNA 降解，进行自体调节。
（三）翻译水平的调控 • 小分子RNA对翻译的调节
成熟的miRNAs则是通过与miRNP核蛋白体复合物结合， 识别靶mRNA，并与之发生部分互补，从而阻遏靶mRNA 的翻译。
miRNAs具有高度的保守性、时序性和组织特异性。
表观遗传（epigenetics）修饰
在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有 许多调控基因的信息，它们虽然本身不改 变基因的序列，但是可以通过基因修饰， 蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互 作用，影响和调节基因的功能和特性，并 且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传。 在基因组序列不变的情况下，可以决定基因 表达与否并可稳定遗传下去的调控密码。
乳糖操纵子调控机制
• 乳糖操纵子是大肠杆菌调控乳糖代谢的自动控制系统 • CAP是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素 • 有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡 萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而 抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。 • 没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与 lacO序 列解聚，CAP结合cAMP后作用于乳糖操纵子的CAP 位点，激活转录，使得细菌利用乳糖，将乳糖分解为 半乳糖和葡萄糖，提供能量。
阻抑蛋白
诱导物
分解代谢物基因激活蛋白 CAP分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。 当葡萄糖缺乏时，腺苷酸环化酶将ATP转变成环一磷酸腺苷（cAMP）， cAMP与CAP结合，再结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转 录活性，使之提高50倍； 当葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子 表达下降。
（3）乳糖操纵子的正调控机理
CAP蛋白 cAMP RNA聚合酶 PI lacI CAP PZYA lacO lacZ lacY lacA 高水平转录 mRNA 阻抑蛋白 不与lacO 结合 β- 半 乳 糖 苷酶 β- 半 乳 糖 苷 透 过酶 β乳 苷 酰 转 酶 半 糖 乙 基 移
cAMP-CAP的正调控
外显子 基因 DNA 初级 RNA 成熟 RNA 内含子 转 录 剪接 成熟 RNA
人的蛋白质的数目远远多于基因的数目，人们认为，一种原因 是基因的转录产物会在体内进行可变的剪接，造成不同外显子 的组合，从而翻译出不同的蛋白质。
可变剪接
（三）转录后水平的调控 • RNA编辑
mRNA在转录后因插入、缺失或替换碱基而改变了DNA模板 原来的信息，从而表达出多种不同氨基酸序列的蛋白质。
噬菌体SPO1侵染枯草杆菌后早、中晚期基因表达级联调控
1.侵染后，σ43启动转录，早期基因表达，产生gp28 蛋白； 2. gp28蛋白启动转录，不识别早期基因启动子，中 期基因表达，产生gp33、gp34蛋白； 3. gp33、gp34蛋白启动转录，晚期基因表达。
二、真核基因表达调控
基因表达严格、精密地按照既定的时间、空间和程序进行。 包括DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平、蛋白质加工 水平、发育水平的调节。
（CAP）的结合位点。
CAP
（2）乳糖操纵子的负调控机理
抑制作用：无乳糖诱导物，阻遏蛋白与操纵基因结合，阻止RNA 聚合酶与启动子结合，结构基因不转录表达，无乳糖分解代谢。
诱导作用：有乳糖或其衍生物，阻遏蛋白发生构象变化， 丧失与操纵基因结合的能力，结构基因正常转录表达。 负反馈：细胞质中有了β－半乳糖苷酶后，便催化分解乳 糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白 与操纵基因结合，使结构基因关闭。
表观遗传学的分子机制
RNA干扰 (RNA interference，RNAi)
正常生物体内抑制特定基因表 达的一种现象，指当细胞中导 入与内源性mRNA编码区同源 的双链RNA (double stranded RNA, dsRNA) 时，使内源性 mRNA发生降解而导致基因表 达沉默的现象，这种现象发生 在转录后水平，又称为转录后 基因沉默。
反义RNA与DNA结合形成三螺旋，将阻止转录；与mRNA结合，将阻止 剪接、核糖体结合，使核糖体迁移受阻，从而影响翻译。
（三）翻译水平的调控 • mRNA的稳定性
mRNA的寿命受自身结构和细胞内其他因素的影响。5’帽子 和3‘尾巴有助于提高mRNA分子的稳定性。
蚕蛹羽化成蛾后，需大量蛋白水解酶溶解蚕丝蛋白，mRNA 半衰期达100小时，其他仅2.5小时。
（三）转录后水平的调控 • 同一种基因的转录产物前体mRNA可以被加工成 几种不同的mRNA。 • 几乎所用真核生物的mRNA都有5’帽子结构，但 不是都有3’尾巴，也不是都必须经过拼接。 • 真核基因根据加工过程的差异可分为：只编码产 生一种蛋白的基因；可编码两种或更多种蛋白的 转录单位。
（三）转录后水平的调控 • mRNA前体的选择性拼接
（一）DNA及染色体水平的调控 • 基因丢失
低等真核生物在细胞分化过程中，一些体细胞可以通过丢 失掉某些基因去除这些基因的活性，从而达到基因调控的 目的，此过程不可逆。
一对染色体，有多个着丝粒，发育早期一 个着丝粒起作用，正常分裂，发育后期， 染色体变成小片段。生殖细胞正常分裂， 体细胞不含着丝粒的片段丢失。
RNA干扰的作用机制
长片段dsRNA在细胞内被Ⅲ型RNA 酶Dicer切成长度大约为19-23nt的小 片段干扰RNA(small interfering RNA，siRNA) 由siRNA参与构成复合物RISC(RNAinduced silence complex) siRNA通过与同源mRNA的特异配 对，引导RISC特异地降解同源 mRNA，导致基因表达的抑制 因此小片段的siRNA可以诱导高效 的基因沉默
（4）色氨酸操纵子的结构及负调控机制
不转录
P trpO trpL
trpR
源自文库
trpEDCBA
trpa 结构基因：trpEDCBA——色氨酸合成
阻遏蛋白 色氨酸
调节基因trpR、启动子P、操纵基因trpO、前导序 列trpL和衰减子trpa。调节基因远离操纵子。
前导序列
衰减作用（attenuation）