基因表達與調控

第十二章基因表達與調控基因的概念原核生物的基因調控真核生物的基因調控目前一頁\總數七十八頁\編于十三點基因

gene基因是有一定組織結構的DNA或RNA?；騻鬟f的遺傳信息，決定了蛋白質分子的氨基酸組成和排列，此即基因表達的過程?；蛩倪z傳信息是按照特定而精確的時空程序表達從而轉化成生物體的性狀，基因調控貫穿于基因表達的各個環(huán)節(jié)。目前二頁\總數七十八頁\編于十三點

第一節(jié)

基因的概念基因的概念是不斷發(fā)展的。Mendel遺傳因子（inheritedfactor）1909丹麥人Johnson用基因（gene）取代了Mendel的inheritedfactor，一直應用至今。目前三頁\總數七十八頁\編于十三點一、經典遺傳學關于基因的概念1、基因是不連續(xù)的顆粒狀因子，在染色體上有固定的位置，呈直線排列，具有相對的穩(wěn)定性。2、基因作為一個功能單位控制性狀的表達。目前四頁\總數七十八頁\編于十三點3、基因以整體進行突變，是突變的最小單位。4、基因在交換中不再被分割，是重組的最小單位。5、基因能自我復制，在有機體內通過有絲分裂有規(guī)律地傳遞，在上下代之間能通過減數分裂和受精作用有規(guī)律地傳遞。目前五頁\總數七十八頁\編于十三點突變單位交換單位基因既是一個結構單位，又是一個功能單位。到底基因是什么物質構成的，基因的本質是什么，經典遺傳學無法回答這個問題。結構單位目前六頁\總數七十八頁\編于十三點二、分子遺傳學關于基因的概念

1、一個基因就是DNA分子上的一段序列2、每一個基因都攜帶有特殊的遺傳信息，這些遺傳信息：

mRNA多肽鏈；

rRNA或tRNA；對其他基因的活動起調控作用。目前七頁\總數七十八頁\編于十三點3、基因在結構上還可以劃分為若干個小單位。①突變單位（突變子

muton）：

發(fā)生突變的最小單位。最小的突變子是一個bp。②重組單位（重組子recon）：

可交換的最小單位。最小的重組單位也可以只是一個bp。③功能單位（順反子

cistron，又叫作用子）：

基因中指導一條多肽鏈的合成DNA序列，平均大小約為500-1500bp。目前八頁\總數七十八頁\編于十三點

順反子與經典概念的功能單位相當，是遺傳信息的最小功能單位。

目前九頁\總數七十八頁\編于十三點三、現代基因概念現代基因的概念可表述為：基因是DNA分子上具有一定遺傳學效應的一段特定的核苷酸序列，它可以被轉錄和翻譯，也可以只轉錄而不翻譯，甚至既不轉錄也不翻譯。目前十頁\總數七十八頁\編于十三點四、基因概念的多樣性

結構基因（structuralgene）：編碼多肽鏈或RNA分子的基因調控基因（regulatorgene）：參與調控結構基因表達的基因，包括控制結構基因轉錄起始和產物合成速率的基因，能影響其他基因活性的一類基因。跳躍基因（jumpinggene）：可以在基因組內移動位置的基因。目前十一頁\總數七十八頁\編于十三點斷裂基因（interruptedgene）：在真核生物中，一個基因的編碼序列（exon）是不連續(xù)的，被若干個非編碼序列（intron）分割，這類結構斷裂的基因稱為斷裂基因，又稱不連續(xù)基因。重疊基因（overlappinggene）：同一個DNA序列可以參與編碼兩個以上的RNA或多肽鏈。假基因（pseudogene）：不產生有功能產物的基因。目前十二頁\總數七十八頁\編于十三點管家基因（house-keepinggene），又稱持家基因，在所有的細胞中都處于活動狀態(tài)，在任何時間都進行表達，屬于組成型基因，其產物用以維持細胞的基本生命活動。

奢侈基因（luxurygene），即組織特異性表達的基因（tissue-specificgene），只在特定細胞中進行表達，合成組織特異性蛋白，影響細胞的特異性狀，對分化有重要影響。目前十三頁\總數七十八頁\編于十三點跳躍基因（jumpinggene）：可以在基因組內移動位置的基因。假基因（pseudogene）：不產生有功能產物的基因。目前十四頁\總數七十八頁\編于十三點第二節(jié)原核生物基因表達的調控

一個個體的各類細胞都是按照一定的規(guī)律和一定的時空順序，關閉一些基因，開啟另一些基因，并不斷地進行嚴格的調控，以保證個體的發(fā)育得以順利進行。決定哪些基因表達、哪些基因不表達、表達速率的過程就是基因表達的調控。目前十五頁\總數七十八頁\編于十三點一、原核生物基因表達調控的水平原核生物基因表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平，如以操縱子為單位的調控?？刂品g過程的調節(jié)機制：核糖體蛋白質合成的自體調節(jié)、反義RNA通過與自身mRNA的互補結合而產生的調控作用等。DNA水平對基因表達的調節(jié)：沙門氏菌的相變。總之，從轉錄開始直到翻譯終止的整個基因表達過程中、其每一步都在以各種方式實行著調控。目前十六頁\總數七十八頁\編于十三點二、轉錄水平的調控1、相關概念操縱子：包含結構基因、操縱基因以及調節(jié)基因的一些相鄰基因組成的DNA片段。結構基因（structuralgenes）：編碼細胞必要的蛋白，如酶或結構蛋白，這類基因在細胞中占絕大部分，承擔著細胞各種蛋白的結構和功能。調節(jié)基因（regulatorygenes）：編碼調節(jié)蛋白的基因。調節(jié)蛋白可調節(jié)其他基因的表達。目前十七頁\總數七十八頁\編于十三點2、乳糖操縱子表達調控控制區(qū)信息區(qū)結構基因(S)操縱序列（O）啟動序列（P）調節(jié)基因（I）1）乳糖操縱子的結構

目前十八頁\總數七十八頁\編于十三點

2）乳糖操縱子結構基因表達產物目前十九頁\總數七十八頁\編于十三點3）阻遏蛋白的負性調節(jié)作用I阻遏蛋白

無乳糖存在時，結構基因受阻遏目前二十頁\總數七十八頁\編于十三點有乳糖存在時，結構基因表達目前二十一頁\總數七十八頁\編于十三點CyclicAMP(cAMP)ATP在腺苷酸環(huán)化酶的作用下轉變成環(huán)式AMP(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。

4）CAP的正性調節(jié)作用目前二十二頁\總數七十八頁\編于十三點cAMP-CAPCataboliteactivatingprotein,CAP代謝激活蛋白，是cAMP的受體蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)cAMP-CAP復合物，是lac操縱元的正調控因子目前二十三頁\總數七十八頁\編于十三點2CAPCAP位點-G,-Lac阻遏蛋白操縱序列

-G,+LacRNA聚合酶無葡萄糖，無乳糖②無葡萄糖，有乳糖③有葡萄糖，無乳糖④有葡萄糖，有乳糖

啟動序列cAMPmRNA5'③①

＋G,-Lac+G,+Lac②④目前二十四頁\總數七十八頁\編于十三點當培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時

細胞中cAMP濃度降低

缺乏乳糖與阻遏蛋白結合

CAP失活

阻抑蛋白與操縱基因結合

CAP及RNA聚合酶不能與啟動基因結合

基因轉錄被阻遏

阻遏蛋白的負性調節(jié)目前二十五頁\總數七十八頁\編于十三點

當培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時

細胞中cAMP濃度升高

乳糖作為誘導劑與阻抑蛋白結合

cAMP與CRP結合并使之激合

促使阻抑蛋白與操縱基因分離

CRP與啟動基因結合并促使RNA聚合酶與啟動基因結合

基因轉錄激活

CAP的正性調節(jié)目前二十六頁\總數七十八頁\編于十三點5）乳糖操縱子的雙調控系統(tǒng)(1)受乳糖與阻遏蛋白監(jiān)控的、可誘導的負調控系統(tǒng);(2)受cAMP與CAP調節(jié)的、可誘導的正調控系統(tǒng)。葡萄糖通過調節(jié)cAMP的合成間接監(jiān)控這一過程。以此保證大腸桿菌靈活、經濟、有效地適應外界環(huán)境，只有在必需的時候（只有乳糖，沒有葡萄糖）才啟動乳糖操縱子的表達。目前二十七頁\總數七十八頁\編于十三點3、色氨酸操縱子的表達調控

色氨酸操縱子（trpoperon）：主要參與調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。阻遏型操縱子：通常是開放轉錄的，當有效應物作用時，則阻遏關閉轉錄；當細胞內缺乏色氨酸時，此操縱子開放；而當細胞內合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。

目前二十八頁\總數七十八頁\編于十三點1）色氨酸操縱子的結構目前二十九頁\總數七十八頁\編于十三點O

阻遏蛋白

mRNATrp

trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前導序列（L）（結構基因關閉）調節(jié)區(qū)

在高濃度色氨酸存在下，阻遏結構基因的轉錄，

2）色氨酸的負性調控作用

有活性目前三十頁\總數七十八頁\編于十三點Trp操縱子的trpE基因5′－端“前導序列”衰減子結構

10、11

3）弱化作用調控目前三十一頁\總數七十八頁\編于十三點前導肽核蛋白體弱化子結構RNA聚合酶5'mRNATrp密碼子1234UUUU3'DNADNA前導肽5'1234Trp結構基因MKAIFVLKGMKAIFVLKGWWRTSRNA聚合酶

Trp操縱子的轉錄弱化調節(jié)機制目前三十二頁\總數七十八頁\編于十三點由于基因表達必然消耗一定的能源和前體物，相對于阻遏和弱化作用，反饋抑制作用更為經濟和高效。終產物Trp對催化分支途徑幾步反應的酶具有反饋抑制作用。研

4）trp的反饋抑制作用目前三十三頁\總數七十八頁\編于十三點4、阿拉伯糖操縱子的雙向控制

Ara操縱子是控制分解代謝途徑的另一調控系統(tǒng)。特點：調節(jié)蛋白既可起正調控作用，又可起負調控作用。組成：Ｒ：araC基因編碼調節(jié)蛋白AraC蛋白；Ｏ：O1不參與調控；O2：AraC蛋白負調控結合位點；Ｉ：調節(jié)位點，CAP-cAmP復合物結合位點，AraC蛋白正調控結合位點。目前三十四頁\總數七十八頁\編于十三點調控：①誘導物阿拉伯糖和cAMP同時存在：

Ara與AraC蛋白復合物結合在Ｉ位點，CAP-cAMP復合物結合I位點，基因轉錄開啟；②在沒有誘導物阿拉伯糖和cAMP時：AraC蛋白同時與I和O2結合，DNA構型發(fā)生改變，形成一個緊密的環(huán)結構，抑制表達。目前三十五頁\總數七十八頁\編于十三點目前三十六頁\總數七十八頁\編于十三點三、翻譯水平的調控原核生物翻譯水平的調控通常是以類似于轉錄抑制的方式作用：“阻遏物”結合到翻譯起始位點阻止翻譯的起始。mRNA的二級結構和壽命、核糖核蛋白、稀有密碼子、營養(yǎng)缺乏的報警物以及反義RNA等都可對翻譯水平進行調控。目前三十七頁\總數七十八頁\編于十三點1、核糖體蛋白質合成的自體調控

核糖體蛋白質與rRNA的結合部位同編碼核糖體蛋白的mRNA的結合部位有同源性，而且某些核糖體蛋白的mRNA其部分二級結構與rRNA的部分二級結構相似，二者都能與起調控作用的核糖體蛋白質相結合，只是rRNA的結合能力強于mRNA。一旦rRNA的合成減少或停止，游離的核糖體蛋白開始積累。這些多余的核糖體蛋白就會與本身的mRNA結合，從而阻斷自身的翻譯，同時也阻斷同一多順反子mRNA下游其他核糖體蛋白質編碼區(qū)的翻譯，使核糖體蛋白質的合成和rRNA的合成幾乎同步地停止。目前三十八頁\總數七十八頁\編于十三點2、細菌營養(yǎng)缺乏調控

嚴緊反應（stringentresponse）：當細菌發(fā)現它們自己生長在饑餓條件下，缺乏維持蛋白質合成的氨基酸時，它們將大部分活性區(qū)域都關閉掉。研究發(fā)現，在氨基酸缺乏時，菌株能合成鳥苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），

GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp

ppGpp的主要作用可能是影響RNA聚合酶與啟動子結合的專一性，從而成為細胞內嚴緊控制的關鍵。當細胞缺乏氨基酸時產生ppGpp，可在很大范圍內做出應急反應，如抑制核糖體和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操縱子的轉錄表達，抑制與氨基酸運轉無關的轉運系統(tǒng)，活化蛋白水解酶等。目前三十九頁\總數七十八頁\編于十三點3、反義RNA對基因表達的調控反義RNA（anti-senseRNA)：指與目的DNA或RNA序列互補的DNA或RNA片段。反義RNA與特定的mRNA結合的位點通常是SD序列、起始密碼子AUG和部分N端的密碼子，從而抑制mRNA的翻譯．所以又稱這類RNA為干擾mRNA的互補RNA(mRNA—interferingcomplementaryRNA，micRNA)。目前四十頁\總數七十八頁\編于十三點此調節(jié)物RNA的作用可能有兩種機制：（1）和靶核苷酸順序形成雙鏈區(qū)，直接阻礙其功能，如翻譯的起始；（2）在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，改變其它區(qū)域的構象，從而影響其功能。

共同特點：改變靶順序的二級結構，控制其活性。

目前四十一頁\總數七十八頁\編于十三點

一、真核生物基因組特點

1、基因組結構龐大

人類的單倍體基因組由3X109的核苷酸組成，含有大約2.63.9萬個基因。2、形成染色體結構真核生物的基因組是以DNA和蛋白質結合形成染色體結構形式而存在于細胞核。染色質結構的變化可以調控基因表達。第三節(jié)真核生物的基因調控

目前四十二頁\總數七十八頁\編于十三點3、單順反子真核基因的轉錄產物一般是單順反子。單順反子

一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。4、重復序列

真核生物基因普遍存在重復序列。根據重復頻率不同，分為以下4類：

高度重復序列中度重復序列單拷貝重復序列反向重復序列（回文序列）目前四十三頁\總數七十八頁\編于十三點1)高度重復序列

重復數百萬次，序列簡單序列，不到10bp;稱為衛(wèi)星DNA；2)中度重復序列重復上千次，序列由幾百個bp構成；3)單拷貝序列只出現1次或幾次。真核生物極大多數為單一基因；4)反向重復序列是指在DNA鏈某些區(qū)域，出現反向排列的堿基序列。如：“－－－CGTACC---/---CCATGC---”,又稱“回文結構”。目前四十四頁\總數七十八頁\編于十三點5、斷裂基因

外顯子具有實際編碼意義的結構基因序列；內含子不具有編碼意義的堿基序列，又稱插入序列。6、大多數為非編碼區(qū)（95％左右）目前四十五頁\總數七十八頁\編于十三點二、真核生物基因表達調控的水平DNA水平上的調控轉錄水平的調控轉錄后調控翻譯水平上的調控翻譯后調控目前四十六頁\總數七十八頁\編于十三點目前四十七頁\總數七十八頁\編于十三點三、真核生物DNA水平的調控

DNA水平上的基因表達調控是通過改變基因組中有關基因的數量和結構順序實現的基因調控。真核生物的有些基因是經過DNA的變化來調控的。目前四十八頁\總數七十八頁\編于十三點1.基因擴增基因擴增（geneamplification）是指某些基因的拷貝數專一性大量增加的現象，它使細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。

目前四十九頁\總數七十八頁\編于十三點兩棲動物蟾蜍的卵母細胞很大，是正常體細胞的100倍，需要合成大量蛋白質，所以需要大量核糖體。rRNA基因數目遠遠不能滿足需要。在卵母細胞發(fā)育過程中，rRNA基因數目臨時增加4000倍。卵母細胞的前體同其它細胞一樣，含有600個18S和28SrRNA基因?；驍U增后rRNA基因拷貝數高達2×106。目前五十頁\總數七十八頁\編于十三點基因擴增常發(fā)生在異常的細胞中。人類癌細胞中的許多致癌基因，經大量擴增后高效表達，導致細胞生長失控。癌基因擴增的速度與病癥的發(fā)展及癌細胞擴散程度高度相關。目前五十一頁\總數七十八頁\編于十三點2、基因重排基因重排(generearrangement)是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。序列重排可以形成新的基因，也可以調節(jié)基因的表達。重排是由基因組中特定的遺傳信息決定的，重排后的基因序列轉錄成mRNA，翻譯成新的蛋白質。盡管基因組中的DNA序列重排并不是一種普通方式，但它是有些基因調控的重要機制，在真核生物細胞生長發(fā)育中起關鍵作用。

目前五十二頁\總數七十八頁\編于十三點抗體的基本結構動物抗體重排目前五十三頁\總數七十八頁\編于十三點在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不同基因片段經重排后形成的完整基因編碼的。完整的重鏈基因由VH、D、J和C四個基因片斷組合而成完整的輕鏈基因由VL、J和C3個片段組合而成。人類的輕鏈分為2型：κ型（Kappa，κ）κ輕鏈基因位于第2染色體上，

λ型（Lambda，λ）λ輕鏈基因位于第22染色體上。目前五十四頁\總數七十八頁\編于十三點人類基因組中抗體基因片斷

抗體組成基因位點染色體基因片段數目VDJC重鏈IGHIGKIGL142228630911Kappa輕鏈（K）76051Lambola輕鏈（λ）52077目前五十五頁\總數七十八頁\編于十三點在每一個重鏈分子重排時，首先是V區(qū)段與D區(qū)段連接，然后與J區(qū)段連接，最后與C區(qū)段連接，形成完整的人的抗體重鏈基因，每一個淋巴細胞中只有一種重排的抗體基因，以類似的重排方式形成完整的抗體輕鏈基因。重鏈和輕鏈基因轉錄后，翻譯成蛋白質，由二硫鍵連接，形成抗體分子。由于抗體基因重排中各個片段之間的隨機結合，因此可以從大約300個抗體基因中產生108個抗體分子。目前五十六頁\總數七十八頁\編于十三點3、DNA的甲基化在真核生物DNA分子中，少數胞嘧啶堿基第5碳上的氫可以在甲基化酶的催化下被一個甲基取代，使胞嘧啶甲基化(methylation)。甲基化多發(fā)生在5′－CG－3′二核苷酸對上。有時CG二核苷酸對上的兩個C都甲基化，稱為完全甲基化，只有一個C甲基化稱為半甲基化。甲基化酶可識別半甲基化DNA分子，使另一條鏈上的胞嘧啶也甲基化。目前五十七頁\總數七十八頁\編于十三點甲基化可以調控基因表達DNA的甲基化可以引起基因的失活?；钴S表達的基因都是甲基化不足的基因。表達活性與甲基化程度呈負相關。甲基化的程度可以在轉錄的充分激活和完全阻遏之間起調節(jié)作用。把甲基化和未甲基化的病毒DNA或細胞核基因分別導入活細胞，已甲基化的基因不表達，而未甲基化的能夠表達。

目前五十八頁\總數七十八頁\編于十三點4.染色質結構與基因表達調控1）緊密的染色質結構阻止基因表達常染色質中的基因可以轉錄，異染色質中未見有基因轉錄表達。哺乳類雌體細胞2條X染色體，到間期一條變成異染色質，這條X染色體上的基因就全部失活。目前五十九頁\總數七十八頁\編于十三點2）核小體結構影響基因轉錄核小體中組蛋白與DNA結合阻止DNA上基因的轉錄，去除組蛋白基因又能夠轉錄。轉錄活躍的區(qū)域常缺乏核小體的結構。

目前六十頁\總數七十八頁\編于十三點3）超螺旋結構影響基因轉錄天然雙鏈DNA的構象大多是負性超螺旋，基因活躍轉錄時，RNA聚合酶轉錄方向前方DNA的構象為正性超螺旋，有利于RNA聚合酶向前移動轉錄，其后面的DNA為負性超螺旋，有利于核小體的再形成。目前六十一頁\總數七十八頁\編于十三點四、真核生物轉錄水平上的調控真核生物的轉錄調控大多數是通過順式作用元件和反式作用因子復雜的相互作用來實現的。順式作用元件（cis-actingelement）是指DNA上對基因表達有調節(jié)活性的某些特定的調控序列，其活性僅影響與其自身處于同一個DNA分子上的基因。反式作用因子（trans-actingfactor）是指能直接或間接地識別并結合在各類順式元件上，參與調控靶基因轉錄的蛋白質，也稱為轉錄因子。目前六十二頁\總數七十八頁\編于十三點

1、順式作用元件

按功能特性，順式作用元件分為：啟動子、增強子和沉默子。

1)啟動子(promoter)：是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，包括：

TATA盒(TATAAAA)：位于轉錄起始點上游-25～-30bp，控制轉錄起始的準確性及頻率。是轉錄因子TFIID結合位點。

GC盒(GGGCGG);

CAAT盒(GCCAAT)目前六十三頁\總數七十八頁\編于十三點

2)增強子(enhancer)

指遠離轉錄起始點(1～30kb)、決定基因的時間、空間特異表達、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。

增強子發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。從功能上講，沒有增強子存在，啟動子不表現活性；沒有啟動子時，增強子也無法發(fā)揮作用。

3)沉默子(silencer)

指某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。目前六十四頁\總數七十八頁\編于十三點2、反式作用因子

大多數轉錄調節(jié)