基因表達調控第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第十二章

基因表達調控第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五教學目的與要求：了解：真核生物和原核生物基因表達調控的特點。理解：真核生物基因表達調控方式。掌握：原核生物基因表達調控的規律。教學重點：原核生物操縱子的正負調控及突變。第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五JacqucesMonodFrancoisJacob第一節原核生物基因表達調控1.大腸桿菌乳糖操縱子第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1）乳糖操縱子的結構(lactoseoperon,lac)lacZ

編碼β-半乳糖苷酶結構基因lacY

編碼乳糖透性酶

lacA

編碼乙酰基轉移酶lacO

操縱基因調控元件lacP

啟動子

CAP結合位點lacI第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2）乳糖操縱子的表達機制第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五有乳糖沒有葡萄糖操縱子被誘導，基因表達第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五乳糖操縱的負調控負調控系統(negativeregulationsystem)：沒有調節蛋白存在時基因表達，加入某種調節蛋白后基因活性就關閉的控制系統。第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五既有葡萄糖又有乳糖培養基中有葡萄糖存在時β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶乙酰基轉移酶含量很低

第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五為什么葡萄糖不能誘導三種酶的產生？?第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五分解物基因激活蛋白第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五

腺苷環化酶

ATP

cAMP葡萄糖抑制腺苷環化酶活性第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五mRNAcAMP濃度高第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五葡萄糖通過抑制腺苷環化酶活性而抑制乳糖操縱子的表達有葡萄糖時cAMP濃度低第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五乳糖操縱的正調控正調控系統(negativeregulationsystem)：沒有調節蛋白存在時基因關閉，加入某種調節蛋白后基因活性就被開啟的控制系統。第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五乳糖操縱子的正負調控的比較

條件調節蛋白基因活性

無乳糖

阻遏蛋白基因關閉有乳糖無基因表達負調控有葡萄有乳糖cAMP受體蛋白基因關閉基因表達正調控無cAMP-CAPcAMP-CAP第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3）乳糖操縱子的基因突變lacI基因的突變

lacI第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五lacI基因的突變

LacI+

→LacI—：

阻遏物不能結合在lacO上，lac操縱子活動失控，有無乳糖，均有酶的產生，—組成型突變LacI+

→LacIs：阻遏物不能和乳糖結合，操縱子活動被抑制，有無乳糖均不產生酶—超阻遏突變第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五4）乳糖操縱子的基因突變lacO基因的突變

lacI第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五LacO基因的突變

LacO→

LacOc阻遏物不能和操縱基因結合，操縱子處于開放狀態第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五

LacP基因的突變

阻礙RNA聚合酶與自身的結合，使操縱子不能轉錄第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五LacZ→LacZ—

不能合成β-半乳糖苷酶結構基因突變：LacY→LacY—

喪失濃縮乳糖的能力LacA→LacA—合成乙酰化酶的能力丟失第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五思考

操縱子的突變類型中，那些突變在有無乳糖存在的情況下均能表達三種酶？LacI+

→LacI—LacO→

LacOclacI第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五X–Gal是β–半乳糖苷酶的底物，水解后呈藍色。應用第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五用于鑒定目的基因是否插入載體。第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五應用用于特異性表達目的基因。第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2.色氨酸操縱子1）色氨酸操縱子的結構結構基因調控元件鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油酸合成酶色氨酸合成酶β鏈α鏈POLEDCBAtrpR無活性的阻遏物第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1）色氨酸操縱子模型結構：

5種結構基因：trpE、D、C、B、A；調控結構：啟動子、操縱子、前導序列阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠,編碼沒有活性的阻遏物。第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五TrpTrp濃度高時Trp濃度低時mRNAOPtrpR調節區結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶2）trp操縱子的調節機制第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前導序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五色氨酸操縱子調控機制培養基中有足夠色氨酸

操縱子關閉色氨酸合成停止缺乏色氨酸

操縱子被打開色氨酸合成開始第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3）應用對色氨酸生物合成途徑中的關鍵基因trpR進行改造。敲除trpR基因解除基因組上色氨酸合成和轉運關鍵酶受到的反饋阻遏調控，獲得高產菌株.第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五調節基因結構基因調控元件POLEDCBAtrpR操縱子：包含結構基因和控制區的整個核苷酸序列。小結第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五調節基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白.........輔阻遏蛋白操縱子模型的內容：在調節基因產物的作用下，通過操縱基因控制結構基因的轉錄，從而發生酶的誘導或阻遏。第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五思考如何利用乳糖操縱子的突變類型，進行轉基因動物的培育？請查閱相關資料列舉操縱子的研究進展。第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第二節真核基因表達調控第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五原核生物真核生物

操縱子調控。

多樣化調控，更為復雜。

基因組小，大腸桿菌：總長4.6×106bp,編碼4288個基因,每個基因約1100bp。

基因組大，人類基因組全長3×109bp，編碼10萬個基因，其余為重復序列。

基因分布在同一染色體上，操縱子控制。

DNA與組蛋白結合成染色質，染色質的變化調控基因表達；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調控問題。

適應外界環境，操縱子調控表達。

基因差別表達是細胞分化和功能的核心。

轉錄和翻譯同時進行，大部分為轉錄水平調控。

轉錄和翻譯在時間和空間上均不同，從DNA到蛋白質的各層次上都有調控，但多數為轉錄水平調控真核生物與原核生物的調控差異第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五真核基因表達調控的特點

與原核生物比較它具有一些明顯的特點：真核基因表達調控的環節更多真核基因的轉錄與染色質的結構變化相關。真核基因表達以正調控為主

第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五真核基因表達調控的特點

與原核生物比較它具有一些明顯的特點：真核基因表達調控的環節更多真核基因的轉錄與染色質的結構變化相關。真核基因表達以正調控為主

第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1.DNA水平調控DNA水平調控是通過改變基因組中有關基因的數量、結構順序和活性而控制基因的表達調控機制包括：基因丟失基因的擴增重排化學修飾第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1）基因丟失：在個體發育過程中，某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物的一些體細胞常常丟失整條或部分染色體，而分化產生生殖細胞的那一部分細胞卻保留著完整染色體的現象。馬蛔蟲受精卵的早期分裂第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2）基因擴增

：在真核細胞中，某些特定基因的拷貝數有選擇性地大量增加的現象如蟾蜍卵母細胞基因擴增癌細胞基因擴增

第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3）

基因重排：DNA分子中核苷酸序列的重新排列酵母菌不同類型的轉換第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五4）DNA甲基化：真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶(5methylation,m5C)，甲基化可能阻礙轉錄因子與DNA特定部位的結合從而影響轉錄。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發育而死亡，可見DNA的甲基化對基因表達調控是重要的。

第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2.基因轉錄水平的調控1)

順式作用元件(cisactingelements)

真核基因的順式作用元件：是指DNA上對基因表達有調節活性的特定的調控序列，其活性僅影響與其自身處于同一DNA分子上的基因。真核基因的順式作用元件按功能分為：

啟動子(promoter)

增強子(enhancer)；靜止子(silencer)或稱沉默基因。

第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五

啟動子:是指RNA聚合酶結合并啟動轉錄的DNA序列。第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五元件名稱共同序列結合的蛋白因子名稱分子量結合DNA長度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bp

Oct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動子中的元件序列第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五啟動子中的元件可以分為：TATA框：RNA聚合酶Ⅱ的識別和結合位點CAAT框：決定啟動子的起始頻率GC框：增強轉錄活性第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五增強子：是一種能夠提高轉錄效率的順式調控元件增強子通常占100－200bp長度增強子的作用有以下特點：第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五①增強子提高同一條DNA鏈上基因轉錄效率，可以遠距離作用，通常可距離1－4kb、個別情況下離開所調控的基因30kb仍能發揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。②增強子作用與其序列的正反方向無關，將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子倒就不能起作用，可見增強子與啟動子是很不相同的。第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五③增強子要有啟動子才能發揮作用，沒有啟動子存在，增強子不能表現活性。第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五④增強子一般具有組織或細胞特異性，許多增強子只在某些細胞或組織中表現活性，是由這些細胞或組織中具有的特異性蛋白質因子所決定的。第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五沉默子：參與基因表達負調控的一種元件

第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2）反式作用因子(transactingfactors)反式作用因子：

(trans—actingfactor)。由不同染色體上基因座位編碼的、能直接或間接地識別或結合在各順式作用元件核心序列上并參與調控靶基因轉錄效率的結合蛋白．第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五反式作用因子的結構特征1、DNA識別或結合結構域2、激活基因轉錄的功能結構域3、結合其他因子或調控蛋白的調節結構域第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五序列特異性DNA結合蛋白的幾種結構域的模式螺旋轉角螺旋第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五鋅指結構第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五鋅指結構第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五鋅指結構第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五螺旋—環—螺旋第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.

基因轉錄后水平的調控RNA前體的加工過程：加帽、加尾、去掉內含子真核生物中的RNA加工包括：tRNA前體的加工：產生的tRNA前體經過核苷酸裂解和修飾作用，最后產生成熟tRNA。rRNA前體的加工：真核生物核糖體有四種RNA分子，即5S、5.8S、18S、28SrRNA

。RNA聚合酶Ⅰ先轉錄出一個約45S的rRNA

前體，再經多次酶切降解，切除5‘和3’端及中間不需要的序列，分別形成成熟的5.8S、18S、28SrRNA。5SrRNA不需加工。第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1）選擇性mRNA切割mRNA前體的加工：結構基因轉錄出的mRNA前體，在3‘端加polyA尾，5’端m7-Gppp的帽結構，內切酶切去不表達序列，再進行甲基化修飾等。第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五

mRNA前體第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五mRNA多腺苷酸化第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五成熟RNA的獲得第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2）RNA編輯的分子機制RNA編輯（RNAediting）：對轉錄后的mRNA編碼區進行堿基插入、刪除或替換而改變遺傳信息的過程。第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五RNA編輯的分子機制.第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五意義：糾正某些移碼突變；構建或刪除起始密碼子、終止密碼子；增減核苷酸擴充遺傳信息。RNA編輯的類型按編輯方式可分為：堿基的插入與刪除堿基的插入核苷酸的替換

第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3）反義RNA(antisenseRNA

):反義RNA：與mRNA互補的RNA分子，它能與mRNA分子特異性的互補結合，抑制mRNA的加工和翻譯是指構建互補于靶基因mRNA反義核酸分子(反義cDNA真核表達載體),利用轉染技術,將此反義cDNA表達載體轉入細胞,阻斷或減少蛋白的表達原理：把與mRNA序列互補的或與模板連互補的寡核苷酸轉入細胞，是mRNA不能翻譯蛋白質，或使模板連不能產生mRNA，從而降低基因的蛋白產物。第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五4.基因翻譯水平的調控第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五5.翻譯后水平的調控1）蛋白質折疊2）蛋白酶切割3）蛋白質的化學修飾4）切除多肽鏈中間的內含子序列第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五帽子結合蛋白第八十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五翻譯后調控機制第八十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2.蛋白質加工過程的調控：⑴.蛋白質的折疊：

⑵.蛋白酶的切割：

①.末端切割：有些分泌蛋白對細胞有毒害作用，常以無活性的前體蛋白形式貯存在于細胞內，需要這種蛋白時，由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。如，蜜蜂在叮咬動物時注入蜜毒素，引起細胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的細胞溶解。翻譯后以前體形式儲存于細胞內，能被細胞間隙的一種蛋白酶識別和切割，釋放出有活性的蜜毒素。第八十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五又如，脊椎動物的胰島素加工過程：

最初前胰島素原有105個氨基酸，加工中先將N端的24個氨基酸殘基切除，形成前體胰島素?