分子遺傳學基因表達的調控分子遺傳學基因表達的調控第1頁

基因表示調控可在幾個不一樣水平上進行。在高度復雜生物、細胞及其代謝過程中，基因表示是高度有序。如在高等生物中，特定細胞已分化成高度特化細胞，人類眼睛細胞只能合成眼色特有蛋白，其決不可能合成肝細胞中特有解毒酶，各種特定細胞能阻遏不一樣類別基因表示。

分子遺傳學基因表達的調控第2頁

基因表示調控對生物是極端主要。1．真核生物：各種不一樣類型細胞能阻遏不一樣類型基因表示。2．細菌含有阻遏基因表示能力。在進化中，細胞具備了一套機制，它能抑制那些并非必須酶基因和激活那些在某一時間內顯著必須酶基因。到達這一目標二個條件：（1）必須具備關閉或打開每種特定基因方法；（2）對應該激活一個特定基因或一組基因特定環境具備正確識別能力。分子遺傳學基因表達的調控第3頁第一節基礎調控路線

乳糖操縱子調控分子遺傳學基因表達的調控第4頁一、原核生物操縱子學說——乳糖操縱子

□乳糖代謝中酶和基因（1）透性酶permease：能使乳糖進入細胞（Y）（2）β半乳糖苷酶β－galactosidase：水解乳糖為葡萄糖和半乳糖（Z）（3）轉乙酰基酶transacetylase（A）

三種酶基因轉錄成一條mRNA，稱多順反子mRNA（polycistronic）。分子遺傳學基因表達的調控第5頁RepressorgenePromoterOperatorΒ-galactosidasegenePermeasegeneTransacetylasegeneRegulatoryregionStructuregeneIPOlacZ

lacY

lacALacoperon1961年法國科學家Jacob和Monod發覺大腸桿菌在含有乳糖培養基中會合成大量β-半乳糖苷酶，使乳糖水解，在沒有乳糖環境中不產生β-半乳糖苷酶。從而提出了乳糖操縱子學說來解釋β-半乳糖苷酶基因表示調控問題分子遺傳學基因表達的調控第6頁ThestructuralgenesofthelocoperonaretranscribedintoasinglepolycistronicmRNA,whichistraslatedsimulatedsimultaneouslybyseveralribosmesintothethreeenzmesencodedbytheoperon.分子遺傳學基因表達的調控第7頁□乳糖操縱子

Thecomponentsofthewild-type

lacoperonandtheresponseintheabsenceandthepresenceoflactose,分子遺傳學基因表達的調控第8頁

1．操縱基因（Operator，簡稱O），起到基因開關作用。2．開啟基因（Promoter，簡稱P），是RNA聚合酶結合部位，能起動ZYA基因表示，POZYA在DNA上幾個相鄰接基因共同組成一個功效單位稱操縱子(operon)。3．調整基因（I基因），能編碼產生一個阻遏蛋白，該蛋白能識別和結合到操縱基因上，并能阻止RNA聚合酶開啟轉錄，使乳糖操縱子處于關閉狀態，普通情況下，阻遏蛋白總是結合在操縱基因O區。使操縱子關閉。怎樣開啟操縱子表示？當環境中存在乳糖及其類似物時（稱為誘導物），它們能與阻遏物分子結合，改變阻遏蛋白構型，使其不能再與操縱基因O區結合。這時，操縱基因便開啟，結合到開啟子上RNA聚合酶能順利開啟ZYA基因表示，合成對應三種酶。分子遺傳學基因表達的調控第9頁二、其它基因I基因：編碼阻遏蛋白，能阻斷ZYA基因表示。O操縱基因operator：是DNA上與阻遏物結合特異性位置。阻遏物一旦結合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化轉錄起動。開啟基因promoter*操縱子operon：是幾個基因協同表示遺傳功效單位。由開啟基因，操縱基因和轉錄成一條mRNA分子幾個相鄰接基因組成功效單位。POZYA。分子遺傳學基因表達的調控第10頁三、乳糖操縱子阻遏物含有兩種識別功效1．能識別操縱子上特定操縱基因序列；2．能識別乳糖或乳糖類似物，當阻遏物與乳糖或類似物結合時，阻遏物分子構型將發生改變，從而使阻遏物失去了對操縱基因親和作用。阻遏物將從DNA上脫落下來。

對Lac系統阻遏作用解除稱為誘導，能使阻遏物失活并造成Lac基因表示乳糖類似物稱為誘導物。分子遺傳學基因表達的調控第11頁β半乳糖苷酶(β－galactosidase)水解乳糖為葡萄糖和半乳糖Thecatabolicconversionofthedisaccharidelactoseintoitsmonosaccharideunits,galactoseandglucose分子遺傳學基因表達的調控第12頁造成Lac基因表示乳糖類似物誘導物異丙基硫代半乳糖苷（IPTG)

Thegratuitousinducerisopropylthiogalactoside

分子遺傳學基因表達的調控第13頁第二節乳糖系統發覺——負調控

50年代Jacob和Monod對E.coli乳糖代謝中酶進行詳細遺傳分析，這是基因表示調控研究第一個重大突破。分子遺傳學基因表達的調控第14頁一、共同調控基因

在染色上Z、Y、A三個基因是緊密連接。這一組連續基因產生mRNA是一個多順反子mRNA分子。多順反子mRNA轉錄和它轉譯是以同一方向進行。

極性突變（polarmutation）：不但能影響突變位點上那個基因，而且會降底或消除下游更遠一些基因表示。如Lac多順反子中Z基因無義突變會降底Y、A基因表示。分子遺傳學基因表達的調控第15頁二、I基因

控制Lac酶可誘導性區域。

I+細胞只能在有一個誘導物存在時才能正常合成Lac酶；

I－細胞不論誘導物存在是否都能合成Lac酶，這種突變體稱為組成型突變體（constitutivemutant）。分子遺傳學基因表達的調控第16頁I－細胞不論誘導物存在是否都能合成Lac酶，這種突變體稱為組成型突變體（constitutivemutant）分子遺傳學基因表達的調控第17頁三、阻遏物1．E.coliF’因子帶有Lac區。能夠作互補試驗：反式時，I+對I—為顯性。試驗結果：單倍體和雜合性二倍體中β半乳糖苷酶和透性酶合成菌株基因型β半乳糖苷酶透性酶非誘導誘導

非誘導誘導123456I+Z+Y+I—Z+Y+I+Z—Y+/FI—Z+Y+I—Z—Y+/FI+Z+Y—I—Z—Y+/FI—Z+Y+

△（IZY）/FI—Z+Y+

–+–+++++–+–+

–+–+++++

++++分子遺傳學基因表達的調控第18頁

2．Iocob發覺另一個突變體IS

能抑制乳糖或其類似物對Lac酶誘導作用。這是因為IS突變改變了阻遏物上特異性結合位點，從而破壞了與誘導物結合，即使有IPTG誘導物存在。IS產生阻遏物分子仍能抑制Lac酶合成。

IS反式時對I+和I—都為顯性。

分子遺傳學基因表達的調控第19頁IS突變改變了阻遏物上特異性結合位點，破壞了與誘導物結合，即使有IPTG誘導物存在。IS產生阻遏物分子仍能抑制Lac酶合成。TheresponseofthelacoperoninthepresenceoflactoseinacellbearingtheIsmutation.15-7分子遺傳學基因表達的調控第20頁野生型和I不一樣等位基因菌株中Lac酶合成分子遺傳學基因表達的調控第21頁

四、操縱基因和操縱子

1．阻遏物怎樣阻斷Lac酶合成？

Jacob推測有一操縱基因，靠近它所調控一串基因。*在操縱基因中發生突變時，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成，這種突變稱為操縱基因組成型突變OC(constitutive）。

2．Lac操縱子表示是在Lac阻遏物負調控下進行。在沒有誘導物時，Lac阻遏物通常抑制Lac酶產生。分子遺傳學基因表達的調控第22頁*在操縱基因中發生突變時，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成。這種突變稱為操縱基因組成型突變OC（constitutive）。15-6b分子遺傳學基因表達的調控第23頁單倍體和雜合二倍體操縱基因突變體Lac酶合成情況分子遺傳學基因表達的調控第24頁

五、阻遏物和操縱基因判定

1．Lac阻遏物是含有兩種識別位點蛋白，一個位點識別誘導物分子，另一位點識別Lac操縱基因DNA序列。阻遏物與誘導物結合，改變了阻遏蛋白構型，從而改變了對操縱基因親協力。

2.Gilbert用DNA酶處理已結合有阻遏物DNA分子，結果得到了沒有被DNase降解DNA短片段——操縱基因區。操縱基因發生單個堿基改變就會使阻遏物無法識別。分子遺傳學基因表達的調控第25頁5,TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT3,3,ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA5,*ATGTTACTTACAATGALac操縱基因序列和8個OC突變體Ocmutations分子遺傳學基因表達的調控第26頁六、Lac系統中各種突變綜合分析

1．Z、Y基因突變為Lac—表型，在二倍體試驗中Z—、Y—為隱性，只要有一個Z+和Y+就能滿足Lac+表型要求。

2．使阻遏物失去功效I基因突變為I—，不論是否有誘導物，I—菌株都能正常合成Lac酶，所以稱為組成型突變。在二倍體試驗中，I—為隱性，因為只需要有一個I+基因就能滿足二個操縱基因結合阻遏物要求，如無誘導物，lac表示受阻。問：假如有誘導物，結果怎樣？分子遺傳學基因表達的調控第27頁無活性阻遏物I+P+O+Z+Y+P+O+Z+Y+I_R在二倍體試驗中，I—為隱性，因為只需要有一個I+基因就能滿足二個操縱基因結合阻遏物要求，如無誘導物，lac表示受阻。活性阻遏物分子遺傳學基因表達的調控第28頁3．另一個不一樣I基因突變型是一個誘導無效突變型，稱超阻遏突變型IS。

IS產生阻遏物上與誘導物結合位點發生了改變，使誘導物不能與阻遏物相結合。IS細胞表型為Lac–，因為IS產生阻遏物總是結合到操縱基因上，即使有誘導物存在也無法結合到這種阻遏物上。IS對I+，I—都為顯性。分子遺傳學基因表達的調控第29頁

RSP+O+Z+Y+ISI+P+O+Z+Y+I誘導物不能與阻遏物相結合RI在一個二倍細胞中，RS阻遏物能結合到二者操縱基因上，即使有誘導物，IS/I+二倍體也為Lac—。分子遺傳學基因表達的調控第30頁4．操縱基因突變使阻遏物無法識別，為順式顯性：對同一染色體上直接與其相鄰接那些基因呈顯性。

如一個Oc和O+位于同一細胞中，那么阻遏物只能識別O+，并抑制與O+相鄰接ZY基因表示，但阻遏物不會識別Oc，即使無誘導物，與Oc相鄰接Z、Y基因也能表示。Oc含義說明其總是激活狀態，總是Lac+表型，為組成型表示。分子遺傳學基因表達的調控第31頁I+P+O+Z+Y+I+P+OCZ+Y+R阻遏物不能識別Oc

表達受阻

即使無誘導物也能表示操縱基因突變使阻遏物無法識別，為順式顯性，Oc和含義說明其總是激活狀態，總是Lac＋表型，為組成型表示。分子遺傳學基因表達的調控第32頁

5．開啟基因突變(P—)使RNA聚合酶無法識別，從而阻斷轉錄起動，P—為順式顯性(Cis－dominant)。

6．負調控：凡是某一細胞成份存在使某種細胞功效不能實現，而這一成份消失或失活使這一功效得以實現。

正調控：凡是某一細胞成份存在使某種細胞功效能夠實現，而這一成份消失或失活使這一功效不能實現。分子遺傳學基因表達的調控第33頁第三節Lac操縱子

分解物阻遏

_______正調控

分子遺傳學基因表達的調控第34頁1．細胞含有優先吸收和利用葡萄糖特異性酶，假如同時存在乳糖和葡萄糖，只有葡萄糖利用完后才會有β－半乳糖苷酶誘導合成。2．葡萄糖一些分解物能抑制Lac操縱子激活，稱為分解物阻遏作用（cataboliterepression）。當葡萄糖濃度很高時，細胞內環AMP濃度較低；隨葡萄糖消耗，環AMP濃度增加；Lac操縱子激活需要高濃度cAMP。分子遺傳學基因表達的調控第35頁3．不能將AMP轉化為環AMP突變體不能被乳糖誘導產生β－半乳糖苷酶。另一個突變體即使能產生cAMP，但不能激活Lac酶，因為它還缺乏由crp基因產生CAP蛋白（Catabolicactivatorprotein）。Lac操縱子激活需要CAP和cAMP形成復合體：葡萄糖

ATPcAMPCAP－cAMPcrp基因CAP復合體突變

對Lac操縱子激活是必需

Lac操縱子分解物阻遏調控分子遺傳學基因表達的調控第36頁當CAP－cAMP形成復合體時，Lac操縱子可由乳糖誘導表示，假如葡萄糖存在抑制cAMP,Lac操縱子就不能正常表示。分子遺傳學基因表達的調控第37頁當CAP－cAMP形成復合體時，Lac操縱子可由乳糖誘導表示，假如葡萄糖存在抑制了cAMP或因為crp基因突變阻斷了CAP形成，Lac操縱子就不能正常表示。結論：Lac操縱子表示需要CAP－cAMP復合體，是一個正調控（凡是某一細胞成份存在使某種細胞功效能夠實現，而這一成份消失或失活使這一功效不能實現）。分子遺傳學基因表達的調控第38頁

第四節真核生物基因表示調控

1960年Jacob和Monod發覺E.coli操縱子是大家認識基因表示調控第一步。在真核細胞中也有在乳糖操縱子中發覺一些調控因子，但真核細胞含有更為復雜基因調控系統。分子遺傳學基因表達的調控第39頁在多細胞真核生物中，基因表示分化調整是細胞分化和行使功效關鍵，其中心問題是：一個有機體是怎樣在一類細胞中表示一組基因，而在另一類細胞中又怎樣表示不一樣一組基因？在細胞水平上，這種調整作用不能單靠消除無用信息就能到達。相反，往往要包括到激活基因組特定部位，而且遏制其它基因表示。

分子遺傳學基因表達的調控第40頁激活和遏制特定部位基因需要有機體提供精細平衡作用，在錯誤時間，錯誤細胞類型中表示一個基因，即使基因本身是正常基因，但表示量不正常都可造成另樣表型或死亡。分子遺傳學基因表達的調控第41頁為何在真核生物中基因調控要比原核中來得復雜?1.真核細胞比原核細胞含有較多遺傳信息，它們DNA與組蛋白和其它蛋白組成染色質。這些染色質結構打開后（去凝結）會利于轉錄，凝結后又不利于轉錄，這在基因表示中是主要因子。分子遺傳學基因表達的調控第42頁

2.在真核細胞中，轉錄在時間和空間上與轉譯是分開；轉錄發生在核中，轉譯發生在胞質中，所以，mRNA必須從核中運輸到細胞質中才能進行蛋白質合成。分子遺傳學基因表達的調控第43頁

3.在運輸出細胞質之前，真核基因轉錄本要進行加工并切割。

4.真核生物mRNA半衰期要比原核長，假如在原核中關閉轉錄，其mRNA會在幾分鐘內衰退，轉譯就會停頓。真核不會。分子遺傳學基因表達的調控第44頁

5.大多數真核生物是含有分化類型多細胞有機體，這些不一樣類型細胞即使它們都會有完整基因組，但會特異性地利用不一樣重合基因制造不一樣蛋白。分子遺傳學基因表達的調控第45頁因為上述原因，真核生物基因表示會受到許多不一樣方式調控，如圖。包含（1）轉錄；（2）pre-mRNA加工和切割，即轉錄后調控；（3）運輸至細胞質；（4）轉譯（5）轉譯后修飾。分子遺傳學基因表達的調控第46頁

一.調控元件

真核基因內部結構包含幾個不一樣控制轉錄調控元件,主要元件有：開啟子和增強子（enhancer）。這些調控元件可鄰接，位于之中或遠離該基因，它們能夠與許多類蛋白相互作用從而起到調整這些元件活性作用，這些蛋白稱為轉錄因子。下面將用通用模型說明這些元件和因子在真核基因表示調控中功效。分子遺傳學基因表達的調控第47頁

1.開啟子細菌開啟子含有順式作用核苷酸序列，是RNA聚合酶結合識別位點。所以它含有開啟轉錄所必要區域并緊挨它可調整基因。

真核開啟子是由RNA聚合酶II（將基因轉錄為mRNA）識別，它常含有一些短經典DNA序列，其位于基因5’上游100bp區間內。開啟子關鍵區有位于轉錄起始位點上游25-30bpTATA框，在8bp共有序列中僅有T-A對，兩側有富含G-C區域。分子遺傳學基因表達的調控第48頁采取突變研究已證實了TATA框含有極主要作用：TATA框突變會嚴重降低轉錄效率，兩側序列突變不會影響基因表示。這種降低轉錄現象是因為它失去了與反式作用轉錄因子結合能力，這些轉錄因子含有激活轉錄功效。

珠蛋白基因開啟子點突變效應(CAAT)分子遺傳學基因表達的調控第49頁

開啟子關鍵區上游鄰近還有幾個對轉錄作用有主要意義元件，如CAAT框，它保守序列為CAAT或CCAAT，常位于-70至-80位。跟TATA框一樣，在CAAT框中突變也會嚴重減弱轉錄，而兩側序列影響很小；另外還有一個元件為GC框，它保守序列為GGGCGG，通常位于-110，，以多拷貝存在，它主要性也用突變得到證實。分子遺傳學基因表達的調控第50頁

2.增強子除了開啟子區以外，大多數真核基因轉錄受到另一個順式作用DNA序列即增強子影響。象開啟子一樣，這些序列能與反式作用調控蛋白相互作用，它能顯著地增強轉錄起始效率，

分子遺傳學基因表達的調控第51頁增強子與開啟子在一些特征上含有區分：1.增強子位置無法固定，它能夠位于基因上游，下游或中間。

2.增強子經常對相當遠距離靶基因行使作用，有時多達50kp。

3.增強子方向可反向，對它作用不會有大影響。

4.假如一個增強子在基因組移動到另一位置，或者某一不相關基因插入到一增強子附近，那么該插入基因轉錄受到正向調控。分子遺傳學基因表達的調控第52頁當增強子遠離開啟子或轉錄起始位點時，它們是怎樣調控轉錄作用？增強子能夠被轉錄因子結合，改變染色質構型（經過DNA彎曲或環化），這么就可能使遠距離增強子和開啟子變得鄰近，從而組成有活性轉錄復合體，在這么一個新構型中，轉錄活性就會高于基礎水平，從而增加了RNA合成總體效率。分子遺傳學基因表達的調控第53頁

二.轉錄因子

已判定許多蛋白質對轉錄起始是必需，但并不是RNA聚合酶分子一個別，這些蛋白質稱為轉錄因子。它們能控制基因在何處，何時，以何種程度表示。這些蛋白是摸式調整物，常含有兩個功效域：1.DNA結合結構域:能結合到DNA序列上，包含開啟子和增強子調控區；2.反式激活結構域（trans-activatingdomain）：其經過蛋白與蛋白之間相互作用激活轉錄，分子遺傳學基因表達的調控第54頁

由蛋白質因子參加轉錄調控作用主要是正向調控。在討論這些因子怎樣調整基因表示之前，咱們先來了解它們是怎樣結合到核酸上。轉錄因子結構模式：

真核生物因子DNA結合結構域有各種形式，它們含有不一樣三維結構。有三種主要結構模式：

分子遺傳學基因表達的調控第55頁（1）螺旋-轉角-螺旋結構（helix-turn-helix，HTH）最早發覺于原核生物激活蛋白和阻遏蛋白，X光衍射分析表明，在許多真核生物DNA結合蛋白有HTH結構，這類蛋白有兩個鄰近α螺旋，其間由多個氨基酸組成轉角分開，這種結構使其能與DNA結合。

分子遺傳學基因表達的調控第56頁轉錄因子中螺旋-轉角-螺旋結構(a)以及與DNA相互作用(b)羧基端α螺旋為識別螺旋，其氨基酸殘基直接與靶DNA大溝殘基專一性結合，另一α螺旋中氨基酸和DNA中磷酸戊糖骨架發生非特異性結合。分子遺傳學基因表達的調控第57頁（2）鋅指結構（Zinefingers）鋅指結構是真核生物轉錄因子主要結構家族中一個，它們從許多方面參加基因調控。該結構由一小群氨基酸與一個鋅原子結合，在蛋白質中形成相對獨立一個結構域。分子遺傳學基因表達的調控第58頁

辛指結構蛋白質：含有一串重復間隔2個半胱氨酸（Cys）和2個組氨酸（His），這些間隔半胱胺酸和組氨酸殘基與鋅原子共價結合，所以把氨基酸折疊成環（形如指）。每個指大約由23個氨基酸，在半胱氨酸和組氨酸之間環由12-14個氨基酸，每個環之間由7-8個氨基酸連接。環中氨基酸能與特定DNA序列結合，在一個鋅指轉錄因子中常有2-13個指組成。分子遺傳學基因表達的調控第59頁半胱胺酸和組氨酸殘基與鋅原子共價結合鋅指結構。鋅指能與DNA雙螺旋大溝結合而且圍繞著DNA，在大溝中，鋅指能與DNA一組堿基結合并形成氫鍵，分子遺傳學基因表達的調控第60頁（3）亮氨酸拉鏈結構（leucinezipper）

為轉錄因子與DNA結合區一個結構模式。