第十四章基因表达调控
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遗传学15第十四章基因表达的调控
赖
S
DNA
GTA CAT
mRNA密码子
GUA
氨基酸
缬
基因的微细结构
互补作用与互补测验(顺反测验)
假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？
需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用
PART 01
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基因的微细结构与性质
位置效应 遗传的最小结构单位 遗传的最小功能单位
(一)、位置效应
位置效应及意义： 基因在染色体上位置不同，对性状表现的作用(程度)也可能不同 染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响 “念珠理论”的第一点(基因与染色体的关系)得到了发展 “念珠理论”的另一个内容是基因的结构不可分性(最小遗传结构单位)。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究
根据基因的原初功能可以将基因分为：
(二)、基因的功能类型
根据基因的原初功能可以将基因分为： 1. 编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因 如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因 2. 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA 3. 不转录的DNA区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位
基因是遗传学中最基本的概念,然而基因的概念不是一成不变的,请概括地叙述对基因认识的演变过程,以及目前对基因本质的看法.
1866年,孟德尔在他的豌豆杂交试验中首次提出了遗传性状是由遗传因子控制.
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第一节 原核生物的基因调控
一、转录水平的调控
→原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。
→当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。
❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相 互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结 合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序 列结合，激活基因起始转录。
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。
图 14-1 正调控和负调控
2、反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR（ untranslated region ）互补配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。
生物化学——基因表达调控
CCAAPP CAP CAP CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
.
9
(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白)
高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
葡萄糖浓度低 cAMP 浓度高
(有CAP)
葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低
(无CAP)
RNA-pol
O
O
mRN
A
O
O
.
10
三、真核基因基因表达的调节
阻遏基因
DNA mRNA
I C Ppo O l
Z YA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
.
7
有乳糖存在时
DNA mRNA
I C pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
.
8
(2)CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA I C P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
24
2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区
信息区
DNA I C P O Z Y A
调控 序列
启动 序列
操纵 序列
CAP结合位点
编码基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
A：乙酰基转移酶 代谢产物基因激活蛋白(cataboli.te gene activator protie6n,CA
(1)阻遏蛋白的负性调节
第十四章 基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制， 提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表 达调控研究的新纪元。
生物化学》ppt课件14
(一)病毒癌基因(virus oncogene,v-onc)
1. 病毒癌基因是存在于病毒基因组中的癌基因，它 不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用， 但可以使细胞持续增殖。
2.病毒基因组结构
长末端 重复序列
正常的病毒基因
癌基因
LTR gag
pol
env src LTR
调节和 产生病毒 产生逆转录 产生病毒 产生酪氨酸 启动转录 核心蛋白 酶和整合酶 外膜蛋白 激酶
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
间、空间特异性表达。
转录激活因子
分为
转录抑制因子
(三)反式作用因子的结构
TF
DNA结合域 酸性激活域
(三) 癌基因的分类与功能
根据表达产物在细胞中的定位和功能分为：
1.蛋白激酶类 2.信息传递蛋白类 3.生长因子类 4.核内转录因子类
跨膜生长因子受体 膜结合的酪氨酸蛋白激酶 可溶性酪氨酸蛋白激酶 胞浆丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 非蛋白激酶受体
二、抑癌基因
(一)什么是抑癌基因？
抑癌基因又称肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)或抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细 胞内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的 基因。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
遗传学第十四章基因表达的调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。
◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
2、反式剪接
3、RNA编辑
（三）翻译水平的调控 卵母细胞中隐蔽mRNA的调控。P366
（四）翻译后调节 蛋白质剪接
（五）基因表达中的RNA调节 RNAi , miRNA
谢谢大家！
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片
段。
阻遏物单体
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’
基因表达的调控
（一）、乳糖操纵子的结构
乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个结构基因成簇排列，编码参与β-半乳糖苷（如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质：lacZ编码β-半乳糖苷酶，lacY编码β-半乳糖苷透性酶，lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶。
lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻，但它不与结构基因属于同一转录单位，它有自己独立的转录单位，含有自己的启动子和终止子。
第十四章 基因表达的调控
原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调控得以实现。
机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控，一般以转录水平上的调控为主。
转录水平调控；
RNA的转录后加工；
mRNA从核内向胞浆转运；
诱导
可诱导调节
A
B
一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化.
一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏
可阻遏调节
+ + + + 转录
无葡萄糖，cAMP浓度高时
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP的正调控
可诱导的正调控
可诱导的负调控
可阻遏的正调控
可阻遏的负调控
（二）色氨酸操纵子
高色氨酸时
低色氨酸时
RNA聚合酶 终止转录
核糖体 覆盖1-2区
5`
2
1
4
3
1
2
4
3
5`
RNA聚合酶 继续转录
3-4茎-环 结构形成
核糖体停止于1区
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第二节 真核生物的基因调控
一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控 四、翻译水平的调控
一 DNA水平的调控
1、基因丢失 2、基因扩增 3、基因重排 4、DNA甲基化
一、DNA水平的调控 1、基因丢失
某些原生动物，如线虫、昆虫和甲克类动 物在个体发育过程中，许多体细胞经常丢掉 整个或者部分染色体，只有将要分化形成生 殖细胞的细胞中保留全部染色体。
3、基因重排
基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排 列。重排不仅可以形成新的基因，还可以调 节基因表达。基因组中的DNA序列重排并 不是一种普遍方式，但它是一些基因调控的 重要机制。
① 酵母交配型转换 →a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。 控制交配型的MAT(mating-type)基因位于酵母菌 第3染色体上，MATa和MAT互为等位基因。
第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 二、翻译水平的调控
二、翻译水平的调控
1、反馈调控机制
如果某种蛋白质过量积累，将与其自身的 mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点 通常包括mRNA 5’端非翻译区，也包括启动子 区域的 Shine-Dalgarno (SD) (AGGAGGU) 序 列。
（二）组蛋白质修饰和非组蛋的作用
组蛋白可被修饰，修饰可改变其与DNA的接 合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么 组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由紧 变松，这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节 蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真 核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达 的抑制物。 非组蛋白打开特异基因的分子，具有组织特异 性，在基因表达的调节、细胞分化的控制以及 生物的发育中起着很重要的作用。
免疫球蛋白的多样性
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是原核生物中几个功能相关的 结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协 同单位。操纵子的本质是DNA序列。
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
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2）
促进个体生长、发育
五、基因转录激活调节基本要素
（一） （二） （三） 特异DNA序列 调节蛋白 RNA聚合酶
（一）特异DNA序列
1. 原核生物的特异DNA序列
原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。
操纵子
是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游
的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录协调单位。
调控序列
包括操纵序列(O)、启动序列(P)和调节基因(I/R)等组件。
操纵子
调节基因
I
CAP
启动序列 操纵序列
P RNA聚合酶 结合部位 O
编码序列（结构基因）
Z Y A
表达
阻遏蛋白
（负性调节）
阻遏蛋白 结合部位
转录
多顺反子mRNA 多种蛋白质
（ 正性调节）
多顺反子mRNA
功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一 起转录和翻译生成多种蛋白质的 mRNA 。 启动序列（P）： 其中的-35区 -10区是RNA聚合酶识别并结合的部位。
别和结合，从而影响基因表达活性。
启动子
顺式作用元件又分 增强子
沉默子
பைடு நூலகம்
（1）启动子
是RNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件。 包括转录起始点、共有序列——TATA盒（核心序列）以及GC盒或CAAT盒等
共有序列 －110bp
CAAT盒 GC盒
-30 -25bp
TATA盒
TFⅡD RNA PolⅡ 结合位点
原核生物的共有序列
-35区
-10区
转录起始点
RNA聚合酶（σ因子）识别并结合启动部位特异碱基序列
DNA双链局部解开 RNA聚合酶移向转录起始点 启动转录
2. 真核生物的特异DNA序列
真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达 的特异DNA序列，称为顺式作用元件。
顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识
启动序列
操纵序列
mRNA 5'
第十六章
基因表达调控
（Regulation of Gene Expression）
本章主要内容
基因表达调控概念与转录调节的基本要素 原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控
第一节
基因表达调控概念
与转录调节基本要素
一、 基因表达的概念 二、 基因表达的特点 三、 基因表达的方式 四、 基因表达调控的生物学意义 五、 基因转录激活调节的基本要素
（2）增强子
是增强启动子转录活性的特异DNA序列。
（远离转录起始点，位置灵活，其作用与启动子相互依存）
（3）沉默子
对基因转录起阻遏作用的特异DNA序列，属于负性调控元件。
（二）调节蛋白
1. 原核生物的调节蛋白（3类）
特异因子
决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； (如，RNA聚合酶的 因子)
转录后水平
转录产物的转运 翻译调控 翻译水平 翻译后加工
第二节
原核生物基因转录调控
一、乳糖操纵子调节机制
控制区
信息区
启动序列（P）
结构基因(S)
调节基因（I）
CPA
操纵序列（O）
乳糖操纵子结构基因表达产物
（一）阻遏蛋白的负性调节作用
O
（二） CAP的正性调节作用
cAMP RNA聚合酶
CAP位点
（二）诱导和阻遏表达
诱导表达
有些基因在特定环境信号刺激下， 表达增强，
称为诱导表达。
阻遏表达
另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水 平下降， 称为阻遏表达。
（三）协调表达
在一定机制控制下，使功能相关联的一组基 因协调一致、共同表达，称此为协调表达。
四、基因表达调控的生物学意义
1）
使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化
首先由TFⅡD与启动子TATA盒结合，然后按一定的时空
顺序依次结合RNA PolⅡ和其它转录因子，形成PIC。
转 录 前 起 始 复 合 体 的 组 装 （
PIC)
(2) 转录调节因子
这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远 端的增强子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。
起激活转录作用——转录激活因子； 起阻遏转录作用——转录阻遏因子。
（3） 共调节因子 另有一类与转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，进而影 响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。 如果与转录激活因子有协同作用——共激活因子； 与转录阻遏因子有协同作用——共阻遏因子。
反式作用因子的特殊功能域
一、 基因表达的概念
转录与翻译 各种RNA(tRNA、mRNA和rRNA) 表达产物 蛋白质多肽链。
二、基因表达的特点 （一）时间特异性
某一特定基因的表达往往随细胞受感染的进程、生长环
境的变化而开启或关闭，呈现时间特异性；
对于多细胞生物又与组织器官生长、发育阶段相适应， 又称阶段特异性。
（二）空间特异性
按其功能不同，常有以下三类：
基本转录因子 转录调节因子 共调节因子
（1） 基本转录因子（TF）
是指能够在启动子部位与核心序列TATA盒和RNA PolⅡ 结合，形成转录前起始复合物（PIC）的一类调节蛋白，以起 动转录。
与RNA聚合酶(RNA Pol Ⅱ)结合的(基本)转录因子有：
TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH, TFⅡJ 等。
对于多细胞生物，即使处在同一生长发育阶段，不同
组织细胞内的基因表达水平也是不一致的，称此为空间特异 性（又称细胞特异性或组织特异性）。
三、基因表达的方式 （一）组成性表达
管家基因 细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。
有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、
组成性基因表达
管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育 的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。
阻遏蛋白
通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用； （由调节基因表达的阻遏蛋白）
激活蛋白
与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发
挥正性调控作用。（如，CAP—分解代谢物基因活化蛋白）
2.
真核生物的调节蛋白
反式作用因子
能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转 录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。
DNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。
锌子结构
亮氨酸拉链结构
(三) RNA聚合酶 1. 启动子碱基序列变化影响RNA聚合酶活性
（尤其－10区和－35区的共有碱基序列变化）
2. 调节蛋白构象变化影响RNA聚合酶活性
六、基因表达的多级调控
基因结构活化 转录水平 转录起始（基因表达基本控制点） 转录后加工