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基因表达的调控 上海第二医科大学检验系 医学分子生物学 临床生物化学与生物化学检验 倪培华

基因表达的调控 上海第二医科大学检验系 医学分子生物学 临床生物化学与生物化学检验 倪培华. 第一节 原核生物基因表达的调控 使单个原核细胞能够根据外界环境因素变化调整本身记忆内表达，使其生长和繁殖处于较佳状态。 调控环节 转录起始 转录终止 mRNA 快速转换 最关键的环节是 转录水平 的调控。. 一、转录起始的调控 与操纵子有关的负调控模式、正调控模式等。. 操纵子： 指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位，也称基因表达的协同单位。.

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基因表达的调控 上海第二医科大学检验系 医学分子生物学 临床生物化学与生物化学检验 倪培华

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  1. 基因表达的调控上海第二医科大学检验系医学分子生物学临床生物化学与生物化学检验倪培华基因表达的调控上海第二医科大学检验系医学分子生物学临床生物化学与生物化学检验倪培华

  2. 第一节 原核生物基因表达的调控使单个原核细胞能够根据外界环境因素变化调整本身记忆内表达，使其生长和繁殖处于较佳状态。调控环节 转录起始 转录终止mRNA快速转换 最关键的环节是转录水平的调控。

  3. 一、转录起始的调控 与操纵子有关的负调控模式、正调控模式等。 操纵子： 指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位，也称基因表达的协同单位。

  4. （一）大肠杆菌的乳糖操纵子（lac operon)1. Lac操纵子结构 Z基因（-半乳糖苷酶） 结构基因Y基因（-半乳糖苷透通酶）A基因（-半乳糖苷转乙酰基酶）调控元件：启动子P (promoter)调控基因：操纵基因O (operator)I基因： 编码Lac阻遏物不属于操纵子

  5. 2.诱导剂（1）乳糖能诱导大量的半乳糖苷酶产生， 由于Z、Y、A以多顺反子形式存在，即 三种基因被转录到同一条mRNA上，故 乳糖能同时等量地诱导三种酶的合成。β半乳糖苷酶 通透酶：乳糖透过细菌壁β半乳糖苷转乙酰基酶：作用不清（2）体内生理诱导剂1，6-别乳糖（3）体外诱导剂 异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）

  6. 3.Lac阻遏物的作用（1）结构： 四级结构，4个亚基相同，都有一个与诱导剂结合的位点。（2）无诱导剂 阻遏物与操纵基因O结合，而阻碍结构基因的转录。（3）有诱导剂 诱导剂与阻遏物结合后，阻遏物的构象发生变化，导致阻遏物从操纵基因O上解离下来，RNA聚合酶不再受阻碍，能转录结构基因Z、Y、A。

  7. 4.乳糖操纵子的复合调控（1）乳糖阻遏蛋白参与负调控（2）环化AMP受体蛋白（CAP）参与下的正调控①分解物阻遏作用：E.coli在含有葡萄糖的培养基生长时，一些分解代谢酶（半乳糖苷酶等）的水平很低，这种葡萄糖对其他酶的抑制效应称为分解物阻遏作用。与cAMP有关。②当细菌处于缺乏葡萄糖的培养环境中，cAMP浓度升高，而在含有葡萄糖、半乳糖的培养环境中加入cAMP，对乳糖代谢有关的基因的阻遏即被消除。4.乳糖操纵子的复合调控（1）乳糖阻遏蛋白参与负调控（2）环化AMP受体蛋白（CAP）参与下的正调控①分解物阻遏作用：E.coli在含有葡萄糖的培养基生长时，一些分解代谢酶（半乳糖苷酶等）的水平很低，这种葡萄糖对其他酶的抑制效应称为分解物阻遏作用。与cAMP有关。②当细菌处于缺乏葡萄糖的培养环境中，cAMP浓度升高，而在含有葡萄糖、半乳糖的培养环境中加入cAMP，对乳糖代谢有关的基因的阻遏即被消除。

  8. ③cAMP通过和一种称为分解物基因激活物蛋 白质（CAP）形成cAMP-CAP复合物。④cAMP-CAP复合物与乳糖操纵子的调控元件 结合后，促发结构基因的转录，因此CAP是一种转录起始的正调控物。⑤cAMP-CAP对转录的激活可能是通过直接与RNA聚合酶作用，或其与启动子的结合来 改变启动子的构象，易于形成开放的RNA聚合酶起始复合物

  9. 5.乳糖操纵子基因开关的双调控（1）当培养基中葡萄糖（+）、乳糖（-） 由于乳糖阻遇蛋白（负调控蛋白）同操作区结合，CAP从其结合位点解离下来，导致乳糖操纵子关闭。

  10. （2）当培养基中葡萄糖（-）乳糖（-） 虽然CAP同DNA上的CAP-结合位点结合，但由于乳糖阻遇蛋白同操作区的结合，阻断了RNA聚合酶与启动子的结合，使乳糖操纵子依然关闭。

  11. （3）当培养基中葡萄糖（+）、乳糖（+）葡萄糖的存在使细胞中cAMP浓度降低，处于低水平，CAP不与操纵基因结合，结构基因可能有少量表达。（3）当培养基中葡萄糖（+）、乳糖（+）葡萄糖的存在使细胞中cAMP浓度降低，处于低水平，CAP不与操纵基因结合，结构基因可能有少量表达。

  12. （4）当培养基中葡萄糖（-）乳糖（+） 阻遏物不与操纵基因结合，cAMP处于高水平，cAMP-CAP与操纵基因结合，结构基因表达。

  13. （二）大肠杆菌的色氨酸操纵子（trp operon)

  14. 1.色氨酸操纵子结构（1）结构基因E D 编码5种酶，在催化分支酸转变为 C B L-色氨酸的过程中发挥作用A L 转录产物是先导mRNA（2）调控元件启动子（P） 操纵基因（O）

  15. 2.色氨酸操纵子表达的调控阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 衰减作用对色氨酸操纵子的调控(1)阻遏物对色氨酸操纵子的负调控①阻遏物:同二聚体蛋白质②阻遏物本身不能与操纵基因O结合，必须和色氨酸结合才能与O结合，而阻遏结构基因的表达③色氨酸是一种共阻遏物

  16. 阻遏物

  17. 2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控（1）衰减子位于L基因中，离E基因5’端约30-60bp。2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控（1）衰减子位于L基因中，离E基因5’端约30-60bp。 衰减子

  18. （2）在无或低色氨酸环境中培养时，能转录产生具有6720bp个核苷酸的全长多顺反子mRNA，包括L基因和结构基因。（2）在无或低色氨酸环境中培养时，能转录产生具有6720bp个核苷酸的全长多顺反子mRNA，包括L基因和结构基因。

  19. （3）色氨酸浓度增高时，上述多顺反子mRNA合成减少，但L基因5’端部分的140个核苷酸的转录产物并没有减少，称为衰减子转录产物。（3）色氨酸浓度增高时，上述多顺反子mRNA合成减少，但L基因5’端部分的140个核苷酸的转录产物并没有减少，称为衰减子转录产物。

  20. （4）此现象是由衰减子造成的，而不是阻遏物-共阻遏物的作用所致。（4）此现象是由衰减子造成的，而不是阻遏物-共阻遏物的作用所致。 衰减子

  21. 二、真核基因表达的调控特征：（1）转录的激活与被转录区域的染色质结构 变化有关 （2）基因表达以正调控为主 （3）转录和翻译在不同的亚细胞区域进行。 转录:细胞核内进行， 翻译:细胞质进行。

  22. 调控环节1.转录前调控2.转录调控3.转录后的调控也就是初级转录物的剪接 或加工4.翻译水平的调控5.翻译后调控6.蛋白活性控制

  23. （一）转录前的表达调控1.定义：指发生在基因组水平上的基因结构的改变。 主要见于机体发育过程中的体细胞分化2.调控方式①基因丢失体细胞分化过程中，必须将某些基因永久性关闭。

  24. ②基因扩增当发育分化或环境条件的改变，使对某些基因产物的需要量剧增，而单纯靠调节其表达活性不足以满足需要时，基因扩增是一有效方法。※扩增的机制： 基因反复复制， 姐妹染色体单体不均等交换， 从其他死细胞中摄取DNA而占为己用。

  25. ③基因重排指某些基因片段改变原来存在的顺序而重新排列组合。※重排方式： 类似于mRNA加工的剪切 转座子方式 染色体转位方式 外源基因序列的插入激活

  26. ④甲基化修饰 在脊椎动物中，DNA上特定的CpG序列处的C可发生甲基化修饰，从而阻止某些基因的转录。⑤染色质结构对基因表达的调控作用

  27. （二）.真核基因表达在转录水平上的调控RNA 聚合酶 顺式调控元件 反式作用因子

  28. 1、RNA聚合酶 存在 转录产物RNA聚合酶I 核仁 rRNARNA聚合酶II核质 mRNARNA聚合酶III 核质 5SrRNA、tRNA

  29. 2、顺式作用元件1〉启动子（1）定义： 是与基因转录启动有关的核酸序列，位于基因转录起始位点5’端，只能在近距离起作用，有方向性，空间位置较恒定。

  30. （2）类型①Goldberg-Hogness盒（Hogness盒，TATA盒）※离转录点较近，决定了基因转录的精确起始②上游启动子元件：CAAT盒、GC盒※位于较上游的元件，决定基因的基础转录效率③组织特异性启动子④诱导性启动子（2）类型①Goldberg-Hogness盒（Hogness盒，TATA盒）※离转录点较近，决定了基因转录的精确起始②上游启动子元件：CAAT盒、GC盒※位于较上游的元件，决定基因的基础转录效率③组织特异性启动子④诱导性启动子

  31. 2>增强子（1）定义： 是一类能促进基因转录活性的顺式调控元件，但它本身不具备启动子的活性。（2）特点： 无方向性，距靶基因可近可远，无基因特异性组织特异性，相位性

  32. 3>反应元件（1）定义：当真核细胞处于某一特定环境时，有反应的基因具有相同的顺式作用元件，这类顺式元件称为反应元件。（2）特点：具较短的保守序列 与转录起始点的距离不固定 可位于启动子或增强子内

  33. 3、反式作用元件（反式因子、转录因子）（1）定义： 是一类在细胞核内发挥作用的蛋白质因子。（2）特点：1）识别启动子，启动子近侧元件和增强子 中的靶序列，并与之结合，启动转录例 转录因子TFIID 识别结合TATA盒 转录因子SP1 识别结合GC盒 转录因子CTF1 识别结合CAAT盒

  34. 2）反式因子有两个必需的结构域与顺式元件结合的结构域 激活结构域

  35. （3）反式作用因子结构的模式1）螺旋-转角-螺旋 螺旋--转角--螺旋 （7-9AA） （7-9AA） 其中一个为识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的AA残基，进入DNA双螺旋的大沟中。

  36. 2）锌指 约有30个AA残基，其中4个AA残基（可以是2个Cys，2个His或4个均是Cys）与Zn2+以配位键相互作用，形成∽，与DNA双螺旋大沟结合。

  37. 特点： 存在于多种真核转录因子与DNA结合的区域中，并具多个锌指结构。

  38. 3）亮氨酸拉链a.概念 一段肽链中每隔7个氨基酸即有一个Leu，该肽段所形成的螺旋就可出现疏水及亲水二个平面，由Leu组成的疏水面即为亮氨酸拉链。

  39. b.特点 二个具亮氨酸拉链的反式因子可形成二聚体（同二聚体、异二聚体） 亮氨酸拉链不直接与DNA相互作用，拉链区以外结构参与DNA结合

  40. 4）螺旋-环-螺旋 二个螺旋-环-螺旋能形成二聚体有利于其与DNA结合。

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