第十二章基因表达调控

启动子:是指RNA聚合酶结合并启动转录的 DNA序列。
哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列
结合的蛋白因子
元件名称
共同序列
名称 分子量 30,000 105,000 60,000 结合DNA长度 ～10bp ～20bp ～22bp
TATAbox GC box CAAT box
TATAAAA GGGCGG GGCCAATCT
O
Z
Y
A
葡萄糖通过抑制腺苷环化酶活性而抑制 乳糖操纵子的表达
CAP的正调节
CAP CAP-cAMP
4）乳糖操纵子的基因突变
lacI基因的突变
LacI+ → LacI— 其产物结构变化, 不能和操纵基因 结合， lac操纵子活动失控，有无乳糖，均有酶 的产生，—组成型突变 LacI+ → LacIs其产物结构变化, 可与操纵基因 结 合， 但不能与乳糖结合，操纵子活动被抑制， 有无乳糖均不产生酶—超阻遏突变
子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不 能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。
③增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子 存在，增强子不能表现活性。
当增强子随某些染色体段落移位时，也能提高移
到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转
录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。
④增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强
子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些
细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定
的。
沉默子：参与基因表达负调控的一种元件
2）反式作用因子(trans
acting factors)
反式作用因子： (trans—acting factor)。由不同染色体
上基因座位编码的、能直接或间接地识别或结合在各 顺式作用元件核心序列上并参与调控靶基因转录效率 的结合蛋白．
1) 乳糖操纵子的结构和功能
β-半乳糖苷酶: 分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖 乳 糖 透性 酶： 使乳糖透过细胞壁进入细胞内
调节基因 乙酰基转移酶： 把乙酰基从乙酰辅酶A转移到
β-半乳糖苷上
I
RNA P pol
阻 遏 O 物
Z
Y
A
Z: β-半乳糖苷酶
阻 遏 物
操纵基因 启动子 CAP结合位点
Y: 乳 糖 透性 酶 A: 乙酰基转移酶
结构基因
Trp浓度低时
mRNA
Trp 浓度高时 Trp
色氨酸操纵子调控机制
色氨酸操纵子负责色氨酸合成 培养基中有足够色氨酸
操纵子关闭 色氨酸合成停止 缺乏色氨酸 操纵子被打开 色氨酸合成开始 色氨酸在阻遏操纵子的活性中起作用
trpR
Ptrp Otrp
RNA
激活
前导序列
a
trpE
trpD trpD
启动基因 (promotor，LacP): 位于操纵基因上
游的一段非编码的DNA序列。RNA聚合酶结合 位点，保证RNA聚合酶准确的识别和结合，使 操纵子保持正常的活动。
调节基因（regulator gene，LacI）：位于
操纵基因附近的一个抑制位点，编码阻遏物， 对操纵子的开放其抑制作用. 又称阻遏基因（repressor gene）
乳糖诱导β-半乳糖苷酶的产生
为什么葡萄糖不能诱导三种酶的产生？
cAMP
环磷酸腺苷
CAP
分解物基因激活蛋白
cAMP — CAP
cAMP + CAP
腺苷环化酶 ATP cAMP
葡萄糖抑制腺苷环化酶活性
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
mRNA
有葡萄糖时
cAMP浓度低
CAP
I
RNA P pol
P O L
E
D
C
B
A
操纵子：包含结构基因和控制区的整个核 苷酸序列。
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
操纵基因 (operator)
阻遏蛋白
操纵子模型的内容：
结构基因
调节基因
.. .
操纵基因
.. .. ..
mRNA 辅阻遏蛋白 酶蛋白
在调节基因产物的作用下，通过操纵基因控制结 构基因的转录，从而发生酶的诱导或阻遏。
动物、线虫、昆虫和甲壳类动物的一些体细胞 常常丢失整条或部分染色体，而分化产生生殖 细胞的那一部分细胞却保留着完整染色体的现 象。
马蛔虫受精卵的早期分裂
2）基因扩增 ：在真核细胞中，某些特定基因
的拷贝数有选择性地大量增加的现象
如蟾蜍卵母细胞基因扩增 癌细胞基因扩增
3） 基因重排：DNA分子中核苷酸序列的重新
序列特异性DNA结合蛋白的几种结构域的模式
螺旋
转角
螺旋
锌 指 结 构
锌 指 结 构
锌 指 结 构
螺旋—环—螺旋
3. 基因转录后水平的调控
RNA前体的加工过程：加帽、加尾、去掉内含子 真核生物中的RNA加工包括：
t RNA 前体的加工：产生的t RNA 前体经过核苷酸裂
解和修饰作用，最后产生成熟t RNA 。
意义：纠正某些移码突变；构建或删除起始密码子、 终止密码子；增减核苷酸扩充遗传信息。 RNA编辑的类型 按编辑方式可分为： 碱基的插入与删除 碱基的插入 核苷酸的替换
3）反义RNA(antisense RNA ): 反义RNA：与mRNA互补的RNA分子，它能与mRNA 分子特异性的互补结合，抑制mRNA的加工和翻 译 是指构建互补于靶基因mRNA反义核酸分子(反义 cDNA真核表达载体),利用转染技术,将此反义 cDNA表达载体转入细胞,阻断或减少蛋白的表 达 原理：把与mRNA序列互补的或与模板连互补的寡 核苷酸转入细胞，是mRNA不能翻译蛋白质，或 使模板连不能产生mRNA，从而降低基因的蛋白 产物。
2. 基因转录水平的调控
1) 顺式作用元件(cis acting elements) 真核基因的顺式作用元件：是指DNA上对基因表达有 调节活性的特定的调控序列，其活性仅影响与其自身 处于同一DNA分子上的基因。 真核基因的顺式作用元件按功能分为：
启动子(promoter)
增强子(enhancer)； 静止子(silencer)或称沉默基因
它们在转录调节中具有特殊的重要性。这类DNA结合蛋
白有多种．能特异性识别这类蛋白的序列也有多 种．正是不同的DNA结合蛋白与不同识别序列之间在
空间结构上的相互作用，以及蛋白质与蛋白质之间的
相互作用，构成了复杂的基因转录调控机制的基础。
反式作用因子的结构特征 1、 DNA识别或结合结构域 2、激活基因转录的功能结构域 3、结合其他因子或调控蛋白的调节结构域
调控结构：启动子、操纵子、前导序列 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远, 编码没有活性的阻遏物。
Trp操纵子结构特点：
阻遏物基因与结构基因不紧密连锁 操纵基因在启动基因区域内
启动基因、操纵基因不直接和结构基因相邻，而
和前导序列相连
有衰减子结构
2） trp操纵子的调节机制
调节区
trpR RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
trpC trpB trpC trpB
trpA trpA
trpE
色氨酸合成所需的酶 Trp 阻抑物 色氨酸
3 应用
对色氨酸生物合成途径中的关键基因trpR 进行改造。 敲除trpR基因解除基因组上色氨酸合成和 转运关键酶受到的反馈阻遏调控，获得 高产菌株.
调节基因
I
P
O
Z
Y
A
调控元件 trpR
结构基因
增强子：是一种能够提高转录效率的顺式调控元 件 增强子通常占100－200bp长度 增强子的作用有以下特点
①增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可 以远距离作用，通常可距离1－4kb、个别情况 下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且 在基因的上游或下游都能起作用。
②增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强
第十二章
基因表达调控
第一节 原核生物基因表达调控 1. 大肠杆菌乳糖操纵子
1961年法国分子生物学家Jacob和Monod 通过对大肠杆菌乳糖突变体研究，提出 了操纵子学说（operon theory)。阐明了 基因在乳糖利用中的作用。
获1965年诺贝尔生理学奖
Francois Jacob
Jacquces Monod
2 乳糖操纵子的调控机制
RNA聚合酶结 合在启动子上
启动子
操纵基因
2）乳糖操纵的负调控
负调控系统(negative regulation system)：
没有调节蛋白存在时基因表达，加入某种调节 蛋白后基因活性就关闭的控制系统。 调节基因编码的调控蛋白分为： 阻遏蛋白：与操纵基因结合后能减弱或阻止结 构基因的转录。介导负调控 激活蛋白：与操纵基因结合后能增强或启动结 构基因的转录。介导正调控
结构基因突变，乳糖分解受阻， 调控元件突变，结构基因恒定表达。
2. 色氨酸操纵子
1） 色氨酸操纵子的结构
调控元件 trpR 结构基因
P O L
E
D
C
B
A
β链 邻氨基苯甲 酸合成酶 吲哚甘油 酸合成酶
α链
无活性的 阻遏物
色氨酸 合成酶
1 色氨酸操纵子模型结构：
5种结构基因：trpE、D、C、B、A；
1 乳糖操纵子的结构
结构基因 (structure gene):
LacZ
LacY
β-半乳糖苷酶: 分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖
β-半乳糖苷透性酶：使乳糖透过细胞壁进入细胞内
乙酰基转移酶： 把乙酰基从乙酰辅酶A转移到
LacA
β-半乳糖苷上
操纵基因 (operator，LacO)：被调控蛋白特异
性结合的一段非编码的DNA序列。调节基因产 物— 阻遏物结合位点，结构基因表达活性的开 关
r RNA 前体的加工：真核生物核糖体有四种RNA 分子，
即5S、5.8S、18S、28S r RNA 。 RNA聚合酶Ⅰ先转录出 一个约45S的rRNA 前体，再经多次酶切降解，切除5‘和3’ 端及中间不需要的序列，分别形成成熟的5.8S、18S、28S rRNA 。 5S rRNA 不需加工。
1）选择性mRNA切割 mRNA 前体的加工：结构基因转录出的mRNA 前体，在
第二节 真核基因表达调控
真核生物与原核生物的调控差异
原核生物
操纵子调控。
基因组小，大肠杆菌：总长 4.6×106bp, 编码4288个基因, 每 个基因约1100bp。
真核生物
多样化调控，更为复杂。
基 因 组 大 ， 人 类 基 因 组 全 长 3×109 bp，编码10万个基因，其余为重复序 列。
基因分布在同一染色体上，操 DNA 与组蛋白结合成染色质，染色质的 变化调控基因表达；基因分布在不同的染 纵子控制。
色体上，存在不同染色体间基因的调控问 题。
适应外界环境，操纵子调控表达。 基因差别表达是细胞分化和功能的 核心。 转录和翻译同时进行，大部分 为转录水平调控。 转录和翻译在时间和空间上均不同， 从DNA到蛋白质的各层次上都有调控， 但多数为转录水平调控
真核基因表达调控的特点
与原核生物比较它具有一些明显的特点： 真核基因表达调控的环节更多
真核基因的转录与染色质的结构变化相关 。
1. DNA水平调控
DNA水平调控是通过改变基因组中有关基因的数 量、结构顺序和活性而控制基因的表达 调控机制包括： 基因丢失 基因的扩增 重排 化学修饰
1）基因丢失 ：在个体发育过程中，某些原生
LacO 基因的突变
LacO → LacOc 阻遏物不能和操纵基因结合，
操纵子处于开放状态
LacP 基因的突变
阻碍RNA聚合酶与自身的结合，使操纵子不能 转录
结构基因突变：
LacZ
LacY
LacA
→LacZ— →LacY— →LacA—
不能合成β-半乳糖苷酶
丧失浓缩乳糖的能力
合成乙酰化酶的能力丢失
3‘端加polyA尾，5’端m7-Gppp的帽结构，内切酶切去不表 达序列，再进行甲基化修饰等。
mRNA前体
mRNA多腺苷酸化
成熟RNA的获得
2）RNA编辑的分子机制 RNA编辑（RNA editing）：对转录后的mRNA 编码区进行碱基插入、删除或替换而改变遗传 信息的过程。
RNA编辑的分子机制.
培养基中有葡萄糖存在时
细菌体内β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、乙 酰基转移酶含量很低
培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时
三种ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ含量急剧增加，乳糖用完酶含量很快下 降
培养基中无乳糖时： 阻遏物与操纵基因结合 基因关闭
I P O Z Y A
阻 遏 物
负调控：阻遏物阻碍转录的调节
培养基有乳糖无葡萄糖时： 乳糖与阻遏物结合，阻遏物不能与操 纵基因结合，RNA聚合酶结合在启动子上， 启动基因表达
排列 酵母菌不同类型的转换
4）DNA甲基化：真核DNA中的胞嘧啶约有5% 被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5 methylation,m5C)， 甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结 合从而影响转录。 如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶， 小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA 的甲基化对基因表达调控是重要的。
TBP SP-1 CTF/NF1
Octamer
ATTTGCAT
Oct-1
Oct-2
76,000
53,000 44,000 ?
～10bp
～20bp ～10bp 20bp
kB ATF
GGGACTTTCC GTGACGT
NFkB AFT
启动子中的元件可以分为：
TATA框：RNA聚合酶Ⅱ的识别和结合位点 CAAT框：决定启动子的起始频率 GC框：增强转录活性