第十三章基因調控

Chapter13RegulationofGeneExpression重點與難點重點：原核生物的乳糖操縱子的結構、調控方式、作用機理、規律以及參與的各種元件；真核生物在DNA水平、轉錄水平、轉錄后水平、翻譯水平及翻譯后水平各個層次上基因表達調控的機理和方式。難點：基因突變對操縱子活動的影響。第一節原核生物基因表達調控基因表達(geneexpression)--基因轉錄及翻譯的過程。中心法則(thecentraldogma)：一、原核生物基因調控簡述：操縱子學說操縱子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎（一）大腸桿菌乳糖操縱子模型

1.乳糖操縱元模型的提出：

1961年，雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）的操縱元（operon）模型：

操縱元：細菌的主要基因調控單位，也就是轉錄單位。如：大腸桿菌乳糖代謝的調控需要三種酶參加：①.

-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；③.轉乙酰酶：

-半乳糖轉變成乙酰半乳糖。

大量乳糖時：大腸桿菌三種酶的數量急劇增加，幾分鐘即可達到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加；

乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時停止。2.乳糖操縱子的結構和功能①結構基因(structuralgene)：編碼酶或結構蛋白的基因，如lacZ、lacY、lacA基因。②操縱基因(operator，O)：指能被調控蛋白特異性結合的一段非編碼的DNA序列，是調節基因產物的結合位點，是結構基因表達活動的開關。③啟動基因(promoter，P)：位于操縱基因上游的一段非編碼的DNA序列，是RNA聚合酶識別和結合的位點。④

阻遏物基因(inhibitor，i)：編碼能與操縱基因序列結合的調控蛋白的基因。3.乳糖操縱子的負調控負調控：細胞中阻遏物阻止基因轉錄過程的調控機制。阻遏物與DNA分子結合

阻礙RNA聚合酶轉錄

使基因處于關閉狀態；正調控：經誘導物誘導轉錄的調控機制。誘導物通常與蛋白質結合

形成一種激活子復合物

與基因啟動子DNA序列結合

激活基因起始轉錄

使基因處于表達的狀態。

正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環境的需要，有的系統既有正調控又有負調控；

原核生物以負調控為主，真核生物以正調控為主；

降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中一般以負調控來控制產物自身的合成。乳糖操縱元的負調控：①.乳糖操縱元組成部分；②.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

無乳糖時，基因不表達；③.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

有乳糖時，基因表達；④.抑制基因突變（I－O+Z+Y+A+）,

無乳糖時，基因組成型表達；⑤.操縱基因突變型（I＋OcZ+Y+A+）,

無乳糖時，基因組成型表達。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶乳糖操縱子(lacoperon)的調控方式4.乳糖操縱子的正調控

當有乳糖存在時，操縱子開啟，基因進行表達。

當既有大量半乳糖又有葡萄糖時，基因表達將會怎樣？基因不表達，存在新的調節因子來控制乳糖操縱子開啟，這個因子的活性與葡萄糖有關。葡萄糖可使腺苷酸環化酶活性降低；而腺苷酸環化酶能將ATP轉變成cAmP。

cAmP又與代謝激活蛋白（cataboliteactivatingprotein,CAP）結合

形成cAmP-CAP復合物，作為lac操縱子正調控因子。當cAmP-CAP復合物二聚體插入到lac特異啟動子序列時

使DNA構型發生變化，而RNA聚酶與該新構型的DNA結合緊密，轉錄效率高。

葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖

腺苷酸環化酶活性降低

ATP無法轉變成cAmP

不能形成CAP-cAmP復合蛋白

RNA酶無法結合在DNA上

基因不表達。5.乳糖操縱子的突變型

Oc操縱基因的組成型突變

I-阻遏蛋白不能和O結合

IS

阻遏蛋白失去誘導物結合位點——超阻遏變突

Oc僅使位于同一條染色體上的基因進行組成型表達，表現出位置效應。Oc基因與結構基因呈現順式顯性。

不誘導誘導

ZYZYO+Z+Y+－－＋＋OcZ+Y+＋＋＋＋O+Z+Y+/FOcZ+Y+O+Z+Y+/FOcZ+Y－O+Z+Y－/FOcZ－Y+

＋＋＋＋

＋－＋＋

－＋＋＋

在O+/Oc菌株中O+只能控制處于同一染色體上的結構基因，而與Oc相連的結構基因并不受其他DNA分子上的O+基因的影響。

基因型為I－/I＋時，I＋編碼正常的阻遏蛋白并與操縱基因結合，表現為誘導型。即I＋對

I－為顯性。

基因型為Is/I＋時，I＋編碼的正常阻遏蛋白lac+不影響lacs與操縱基因的結合，表現為阻遏型。即I＋對

Is為隱性。基因型有乳糖沒乳糖I-O+Z+/F’I+＋－I+OcZ+/F’O+

+

+I+O+Z+/F’I-

＋－I+O+Z+/F’Oc+－IsO+Z+/F’I+IsO+Z+/F’I+OcZ+－－+

+

如果一個基因所編碼的蛋白質能結合到細胞內任何DNA分子的靶位點，那么只要該基因的任何一等位基因為顯性，它就能抑制細胞內該基因的其他等位基因。6.色氨酸操縱子（1）色氨酸操縱子模型：

由雅各布（Jacob

F.）和莫諾（Monod

J.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱元模型。

操縱元：包括色氨酸合成有關的5種酶的結構基因；

大量色氨酸時：大腸桿菌5種酶的轉錄同時受到抑制；

色氨酸不足時：這５種酶的基因開始轉錄；色氨酸：作為阻遏物而不是誘導物參與調控結構基因的轉錄。∴trp操縱元是一個典型的可阻遏操縱元模型（repressible

operon）。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、弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱元相距較遠；（2）色氨酸操縱子的負調控：

阻遏調控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物

與色氨酸結合

形成有活性的色氨酸阻遏物

與操縱子結合

阻止轉錄；色氨酸不足：阻遏物三維空間結構發生變化

，不能與操縱子結合，操縱元開始轉錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結合，空間結構發生變化，可與操縱子結合，阻止轉錄。二、真核生物基因表達的調控DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控真核生物與原核生物的調控差異基因表達的多水平調控

一、DNA水平的調控1、基因丟失（geneelimination）

發育過程中，一些組織的細胞丟失了某些基因，決定細胞分化。如：原生動物（馬蛔蟲）、昆蟲、甲殼綱動物。受精卵（成體早期）只有一個著絲粒行使功能染色體破碎細胞分裂2、基因擴增基因擴增（geneamplification）

：就是指細胞內某些特定基因的拷貝數專一性的大量增加的現象。例如：rRNA和多線染色體兩棲類卵細胞前體同體細胞一樣具有600個rRNA基因，基因擴增后rRNA基因拷貝數達2×106

組裝大量的核糖體，滿足卵細胞大量合成蛋白質需要。果蠅唾腺染色體3、基因重排基因重排（generearrangement）：DNA分子核苷酸序列的重新排列，這些序列的重新排列可以形成新的基因，也可以調節基因的表達。

⑴.酵母交配型轉變

酵母有兩種交配類型a和

，單倍體孢子a和

之間交配才產生a/

二倍體，經減數分裂及產孢過程形成

4個單倍體孢子；相同交配型的單倍體孢子之間不能發生交配。

但酵母存在一種同宗配合類型（homothallism），其細胞可轉換成對應交配類型，使細胞間發生配合。交配型轉換的遺傳基礎：

控制交配型的

MAT基因位于第3染色體上，MATa基因表現為a交配型，MAT

基因表現為

交配型；兩基因互為等位基因；在MAT基因兩端有同源序列HML

和HMRa，由于兩基因上游存在沉默子，故不表達，但可分別與

MAT

、MATa基因序列相同。⑵.動物抗體基因重排：哺乳動物一般可產生108個抗體分子，比整個基因組基因數目還多（人類為105

個基因），人類的抗體基因約有

300個，為什么？

抗體分子結構：重鏈H：440個氨基酸；輕鏈L：220個氨基酸；

N

端：110個氨基酸。

重鏈和輕鏈：由變異區V和非變異區C組成；均由二硫鍵連接。抗體基因的結構：重鏈包括4個片段：（人類第14號染色體上）

86個重鏈變異區段（VH）；30個多樣區片段（D）；9個連接區片段（J）；11個恒定區片段（C）；輕鏈有3個片段：（第2號和第22號染色體上）輕鏈變異區（VL）；連接區（J）；恒定區（C）。

所有的抗體并不是由一個完整的基因來編碼，而是由不同的基因片段經重排連接而成的。隨著B淋巴細胞發育，基因組中抗體基因在DNA水平發生重排，形成編碼抗體的完整基因，一個淋巴細胞只有一種組合的抗體基因。

由于抗體基因重排中各個片段間的隨機組合，因此300個抗體基因產生108個抗體。圖：限制性內切酶MspI可以切所有的CCGG序列，但是當第二個C被甲基化后就不能切開,但是HpaII僅僅能切開非甲基化的CCGG序列。這兩個限制性內切