第十三章基因調(diào)控

Chapter13RegulationofGeneExpression重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：原核生物的乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)、調(diào)控方式、作用機(jī)理、規(guī)律以及參與的各種元件；真核生物在DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平及翻譯后水平各個(gè)層次上基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)理和方式。難點(diǎn)：基因突變對操縱子活動的影響。第一節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)(geneexpression)--基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。中心法則(thecentraldogma)：一、原核生物基因調(diào)控簡述：操縱子學(xué)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(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（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(xì)菌的主要基因調(diào)控單位，也就是轉(zhuǎn)錄單位。如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)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(zhuǎn)乙酰酶：

-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖。

大量乳糖時(shí)：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達(dá)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(shí)停止。2.乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能①結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)：編碼酶或結(jié)構(gòu)蛋白的基因，如lacZ、lacY、lacA基因。②操縱基因(operator，O)：指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段非編碼的DNA序列，是調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的結(jié)合位點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)基因表達(dá)活動的開關(guān)。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(jié)合的位點(diǎn)。④

阻遏物基因(inhibitor，i)：編碼能與操縱基因序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。3.乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控：細(xì)胞中阻遏物阻止基因轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控機(jī)制。阻遏物與DNA分子結(jié)合

阻礙RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄

使基因處于關(guān)閉狀態(tài)；正調(diào)控：經(jīng)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制。誘導(dǎo)物通常與蛋白質(zhì)結(jié)合

形成一種激活子復(fù)合物

與基因啟動子DNA序列結(jié)合

激活基因起始轉(zhuǎn)錄

使基因處于表達(dá)的狀態(tài)。

正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；

原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；

降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。乳糖操縱元的負(fù)調(diào)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(shí)，基因不表達(dá)；③.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

有乳糖時(shí)，基因表達(dá)；④.抑制基因突變（I－O+Z+Y+A+）,

無乳糖時(shí)，基因組成型表達(dá)；⑤.操縱基因突變型（I＋OcZ+Y+A+）,

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

當(dāng)有乳糖存在時(shí)，操縱子開啟，基因進(jìn)行表達(dá)。

當(dāng)既有大量半乳糖又有葡萄糖時(shí)，基因表達(dá)將會怎樣？基因不表達(dá)，存在新的調(diào)節(jié)因子來控制乳糖操縱子開啟，這個(gè)因子的活性與葡萄糖有關(guān)。葡萄糖可使腺苷酸環(huán)化酶活性降低；而腺苷酸環(huán)化酶能將ATP轉(zhuǎn)變成cAmP。

cAmP又與代謝激活蛋白（cataboliteactivatingprotein,CAP）結(jié)合

形成cAmP-CAP復(fù)合物，作為lac操縱子正調(diào)控因子。當(dāng)cAmP-CAP復(fù)合物二聚體插入到lac特異啟動子序列時(shí)

使DNA構(gòu)型發(fā)生變化，而RNA聚酶與該新構(gòu)型的DNA結(jié)合緊密，轉(zhuǎn)錄效率高。

葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖

腺苷酸環(huán)化酶活性降低

ATP無法轉(zhuǎn)變成cAmP

不能形成CAP-cAmP復(fù)合蛋白

RNA酶無法結(jié)合在DNA上

基因不表達(dá)。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(jié)合

IS

阻遏蛋白失去誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)——超阻遏變突

Oc僅使位于同一條染色體上的基因進(jìn)行組成型表達(dá)，表現(xiàn)出位置效應(yīng)。Oc基因與結(jié)構(gòu)基因呈現(xiàn)順式顯性。

不誘導(dǎo)誘導(dǎo)

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(jié)構(gòu)基因，而與Oc相連的結(jié)構(gòu)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(shí)，I＋編碼正常的阻遏蛋白并與操縱基因結(jié)合，表現(xiàn)為誘導(dǎo)型。即I＋對

I－為顯性。

基因型為Is/I＋時(shí)，I＋編碼的正常阻遏蛋白lac+不影響lacs與操縱基因的結(jié)合，表現(xiàn)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(gè)基因所編碼的蛋白質(zhì)能結(jié)合到細(xì)胞內(nèi)任何DNA分子的靶位點(diǎn)，那么只要該基因的任何一等位基因?yàn)轱@性，它就能抑制細(xì)胞內(nèi)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(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因；

大量色氨酸時(shí)：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；

色氨酸不足時(shí)：這５種酶的基因開始轉(zhuǎn)錄；色氨酸：作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。∴trp操縱元是一個(gè)典型的可阻遏操縱元模型（repressible

operon）。色氨酸操縱子模型結(jié)構(gòu)：5種結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A；調(diào)控結(jié)構(gòu)：啟動子、操縱子、前導(dǎo)序列、弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱元相距較遠(yuǎn)；（2）色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控：

阻遏調(diào)控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物

與色氨酸結(jié)合

形成有活性的色氨酸阻遏物

與操縱子結(jié)合

阻止轉(zhuǎn)錄；色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化

，不能與操縱子結(jié)合，操縱元開始轉(zhuǎn)錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操縱子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。二、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控真核生物與原核生物的調(diào)控差異基因表達(dá)的多水平調(diào)控

一、DNA水平的調(diào)控1、基因丟失（geneelimination）

發(fā)育過程中，一些組織的細(xì)胞丟失了某些基因，決定細(xì)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(gè)著絲粒行使功能染色體破碎細(xì)胞分裂2、基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增（geneamplification）

：就是指細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性的大量增加的現(xiàn)象。例如：rRNA和多線染色體兩棲類卵細(xì)胞前體同體細(xì)胞一樣具有600個(gè)rRNA基因，基因擴(kuò)增后rRNA基因拷貝數(shù)達(dá)2×106

組裝大量的核糖體，滿足卵細(xì)胞大量合成蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)基因的表達(dá)。

⑴.酵母交配型轉(zhuǎn)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(chǎn)生a/

二倍體，經(jīng)減數(shù)分裂及產(chǎn)孢過程形成

4個(gè)單倍體孢子；相同交配型的單倍體孢子之間不能發(fā)生交配。

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

控制交配型的

MAT基因位于第3染色體上，MATa基因表現(xiàn)為a交配型，MAT

基因表現(xiàn)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(dá)，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(chǎn)生108個(gè)抗體分子，比整個(gè)基因組基因數(shù)目還多（人類為105

個(gè)基因），人類的抗體基因約有

300個(gè)，為什么？

抗體分子結(jié)構(gòu)：重鏈H：440個(gè)氨基酸；輕鏈L：220個(gè)氨基酸；

N

端：110個(gè)氨基酸。

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

86個(gè)重鏈變異區(qū)段（VH）；30個(gè)多樣區(qū)片段（D）；9個(gè)連接區(qū)片段（J）；11個(gè)恒定區(qū)片段（C）；輕鏈有3個(gè)片段：（第2號和第22號染色體上）輕鏈變異區(qū)（VL）；連接區(qū)（J）；恒定區(qū)（C）。

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

由于抗體基因重排中各個(gè)片段間的隨機(jī)組合，因此300個(gè)抗體基因產(chǎn)生108個(gè)抗體。圖：限制性內(nèi)切酶MspI可以切所有的CCGG序列，但是當(dāng)?shù)诙€(gè)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(gè)限制性內(nèi)切