第9章 基因表达调控及表观遗传学

贺竹梅
基因表达调控(gene regulation) ：
细胞用来控制各基因产物的量及产出的 时间和表达的空间。。
• Some scientists are now focusing their efforts on cloning members of endangered species. • The use of cloning to repopulate endangered species holds tremendous promise. However, cloning may also create new problems.
色 氨 酸 操 纵 子 调 节 基 因 表 达
调节基因
问题：如果调节基因 trpR突变，会怎样？
通过这种调控方式，细 胞只在需要Trp时才制 造Trp，这是Trp操纵子 在第一水平上的调控。
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在缺乏色氨酸的状态下，色氨酸操纵子的转录速率 是在有色氨酸存在的状态下的70倍。 由此可见， 色氨酸操纵子在第一水平上调控的重要性。 在调节基因trpR突变缺乏阻遏蛋白的情况下，不管 是否存在色氨酸，都应该会大量合成色氨酸。然而 发现，即使这时添加色氨酸到培养基上，色氨酸生 物合成酶的合成速率仍然减少了10倍，为什么？ 原来色氨酸操纵子存在第二水平上的调控。这是由 色氨酸操纵子中一段叫弱化子（attenuator）的序 列的作用所造成的。
由调节基因i产生的阻碍蛋白属于什么调控？
阻碍蛋白与操纵基因的结合是如何阻止操纵子转 录的呢？
序列分析表明，操纵基因位于-5~+21 bp间，RNA聚合 酶保护区域在-48~+5 bp间，也就是说，RNA聚合酶和 阻遏蛋白的结合位点是重叠的。阻遏蛋白与操纵基因 结合即会阻止RNA聚合酶与启动子的结合，从而抑制 操纵子基因的表达。 阻碍蛋白
乳糖操纵子中，基因表达水平由操纵基因和阻 遏物控制。然而在色氨酸操纵子中，弱化机制 的加入使基因表达调控达到更高一级的水平。 细菌通过弱化作用辅助了阻遏作用 的不足，因为阻遏作用只能使转录 不起始，对于已经起始了的转录， 则只能通过弱化作用使它中途停顿 下来。阻遏作用的信号是细胞内色 氨酸的多少，而弱化作用的信号则 是细胞内载有色氨酸的tRNA。
调节基因 i 是如何调节3个结构基因的表达的呢？
乳糖代谢的相关基因图谱
概念： 操纵基因（operator gene） 操纵子中与一个或一组结构基因相邻并控 制它们转录的基因。 操纵子（operon） 原核生物中由启动子、操纵基因和结构基 因组成的一个转录功能单位。
调节基因在机能上有活性或者被抑制，由位于邻接于结 构基因一端的操纵基因（operator gene）所控制。 在单一操纵基因控制下的这样一群邻接的结构基因，称 之为操纵子（operon），是基因表达的协同单位。 操纵子的控制区包括操纵基因、启动子等组成。
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E. coli细胞代谢乳糖需要两种酶： β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透膜酶 只有当培养基中以乳糖作为唯一碳源消耗时才合成这些 酶，在不需要利用乳糖时就不合成，以节省能量。
乳糖
诱导
概念：诱导基因 组成型基因
在有诱导物如 乳糖存在时， 能刺激其表达源自文库的基因
β-半乳糖苷酶(Z) β-半乳糖苷透膜酶(Y) 乙酰转移酶(A)
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第九章 基因表达调控及表观遗传学
基因表达(gene expression)是指基因通过转录 和转译而产生蛋白质产物或转录后直接产生其RNA 终产物如rRNA，tRNA等的过程。在这一过程中，基 因的启动和关闭、活性的增加与减弱等都是受到严 格的调控的。 不同类型的细胞在不同的发育阶段和不同的 环境需求而需要表达不同的信息，这就需要
In
cellular differentiation, genes are turned on and off.
Certain Cells
become specialized in structure
and function.
Patterns of Gene Expression in Differentiated Cells

胰腺细胞
眼晶状体细胞
神经细胞
In gene expression, A gene is turned on and transcribed into RNA. Information flows from genes to proteins, genotype to phenotype.
醣酵解
对多顺反子trp操纵子的mRNA测序后发现，在第一个 结构基因（trpE）5′端有一个长162 bp的前导序列。
前导区转录物中存在一起始密码子和终止密码子，意味 着这一段RNA能转译出一个14肽—前导肽。在这14肽中 竟然有两个相邻的Trp（在E. coli中属稀有氨基酸，约 1/100），这两个相邻的Trp密码子对于mRNA的折叠有 关键作用，由它们决定了下游的结构基因是否转录。
• An operon
– Is a cluster of genes with related functions, including the control sequences.
9.2.1 乳糖操纵子(lactose operon)
理解基因表达调控的先驱工作－－乳糖 操纵子。E. coli对乳糖代谢的调控，由 F. Jacob和J. Monod于1961年提出。 E. coli β-半乳糖苷酶合成受葡萄糖调节的过程 当培养基中葡萄糖用尽而存在半乳糖时，大量合 成β-半乳糖苷酶；当再次加回葡萄糖时，停止β-半 乳糖苷酶的合成。可以看出，E. coli能够对环境的 变化作出反应，打开或者关闭某一特定的基因。
需注意的是，操纵基因是蛋白结合位点，它并不 编码产物，从这个意义上说它并不是一个顺反子。
lacI
问题：lacI－中，为什么无论有否乳糖 分子存在，3个结构基因均大量表达？
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正调控：是指当有调节蛋白分子时，基因活 性开启；没有调节蛋白存在时，基因关闭， 不能进行转录。 负调控：在无调节蛋白时基因表达具有转录 活性，一旦加入调节蛋白，则基因活性被关 闭，转录受到抑制。


Bacteria can alter gene expression based on environmental factors.
• Control sequences
– Are stretches of DNA that coordinate gene expression.

A promoter Is a control sequence. Is the site where the transcription enzyme initiates transcription. An operator Is a DNA sequence between the promoter and the enzyme genes. Acts as an on and off switch for the genes.
9.2 原核基因表达的调控
原核生物基因表达调控的特点: 调控主要是在转录水平上。 原核细胞基因组的一个显著特点是： 多数基因都按功能的相关性，将有关的基 因成群连锁在一起，组成转录单元，协调 地控制其转录，生成单个的多顺反子mRNA， 最后转译成各个相应的蛋白质。
Gene Regulation in Bacteria
Copyright © 2007 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings
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How and Why Genes Are Regulated

Four of the many different types of human cells: They all share the same genome. What makes them different?
晶状体蛋白
• The regulation of gene expression plays a central role in development from a zygote to a multicellular organism. • Specialized human cells shows distinct patterns of gene expression.
无葡萄 ATP 腺苷酸 cAMP 环化酶 糖时
腺苷酸环 化酶失活 葡萄糖 ATP cAMP 存在时
综上所述，乳糖操纵子的调节作用归纳如下：
无诱导物时，转录作用被调节基因所产生的阻遏 蛋白阻断。加入诱导物后，诱导物与阻遏蛋白形成复 合物使阻遏蛋白失活，基因开放，转录出多顺反子 mRNA，翻译出3种相关酶。 CRP-cAMP复合物与CRP位点的结合创造了RNA 聚合酶与启动子结合的条件，促进基因的表达和转录 的起始。 CRP-cAMP是一个正调节因子，它与作为负 调节因子的阻遏蛋白表现相反的调节作用。
胰岛素
血红蛋白
DIFFERENT GENE CATEGORIES
Genes turned “on” in all cells at all times (e.g. transcription Housekeeping genes machinery, translation machinery, energy conversion, etc.). Cell type specific genes Developmental regulatory genes Genes that are turned “on” in each cell that give a cell its special properties and function. Genes specific to certain stages during growth & development of a person. Genes not normally expressed but can be in response to external stimuli (e.g. hormone).
CRP-cAMP CRP-cAMP
激活转录 不能转录 思考： 如果CRP基 因发生突变， lac操纵子的 活性怎样？
G
9.2.2 色氨酸操纵子(tryptophan operon)
负控制阻遏体系是指代谢产物与阻遏物结合，
导致阻遏物的激活并与操纵基因结合，使基因关 闭，酶不能合成。这种类型的操纵子常见于与合 成代谢有关的操纵子。 负控制阻遏体系研究得较多的是大肠杆菌的色 氨酸（trp）操纵子。
z y a
总是能表达，且 其合成速率不受 环境变化或代谢 状态影响的基因
这三种酶的合成 受一个共同的调 节基因 i 控制
结构基因—编码蛋白质的基因，包括酶，
机体组织成分等。
组成型突变株中，不 管有否乳糖存在，三 种酶都可大量表达.
Z Y
A Y A Z
调节基因—控制结构基因转录起始和产物
合成速率的基因，其蛋白起调 控作用。
当前导序列发生部分缺失或突变时，所产生的mRNA 总是最高水平，对操纵子的阻遏不起作用。Yanofsky 称控制这种现象的序列为弱化子。 即如果有较高水平的Trp存在，前导肽就容易生成，这 时长的Trp操纵子mRNA就不能完成，如果缺乏Trp ， 前导肽就不容易生成，这时Trp操纵子mRNA就能合成， 从而转录出Trp合成相关的酶。
9.1 基因表达调控的多水平性
调控点： 1)转录前调控 2)转录调控 3)转录后调控
Inducible genes
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转录后调控 a.RNA加工调控：控制初级转录物如何及何时进行剪接 形成可用的mRNA b.翻译调控：确立哪些mRNA转译成蛋白及何时转译 c.mRNA降解调控：影响某些mRNA种类的稳定性 d.蛋白质活性调控：选择性地使 某些特异蛋白分子激活/失活 /修改/区域化，从而影响蛋 白怎样或何时起作用
RNA聚合酶 操纵基因 RNA聚合酶与阻 启动子碍蛋白的结合位 RNA聚合酶结合位点 点重叠产生竞争



诱导(induction)、诱导物(inductor)、 阻遏(repression)、阻遏物(repressor)
E. coli为什么优先利用葡萄糖呢？RNA聚合酶在lac起动 子起始RNA合成时需要cAMP受体蛋白(CRP)的协助。