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Chapter22基因的表达调控什么是基因的表达调控？原核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控Overview什么是基因的表达调控So,whatistheregulationofgeneexpression？一些相关的概念Repressorandrepression阻遏蛋白与阻遏Inducerandinduction诱导物与诱导Positiveregulation正调控Negativeregulation负调控一、原核生物的基因表达调控Regulationofgeneexpressioninprokaryotes阻遏与阻遏蛋白阻遏蛋白这个过程被称为阻遏Thisprocessiscalled“repressioin”负调控与正调控inducerco-activatoractivator这个过程被称为诱导1.大肠杆菌乳糖操纵子E.colilacoperon的发现:FrancoisJacobandJacquesMonod(巴斯德研究所PasteurInstitute,Paris,France)•自1958年起开始研究大肠杆菌乳糖操纵子的组成结构以及调控过程.•于1965年共享NobelPrizeinPhysiologyorMedicine.•主要研究乳糖操纵子的两种突变体:1.蛋白质编码序列的突变体.2.调节控制序列的突变体.（一）大肠杆菌乳糖操纵子模型2.Operon操纵子-whatisit?操纵子：是由在功能上彼此有关的几个结构基因和控制区作组成。•操纵子包含:Structuralgene结构基因：编码蛋白质或RNA的基因Promoter启动子：标注转录起始位点的一段核苷酸序列Operator操纵基因：可结合调节基因编码蛋白的一小段核苷酸序列Terminator终止子：标注转录终止的一段核苷酸序列•操纵子以外包含：Regulatorgene调节基因：参与其他基因表达调控的编码基因OrganizationofaninduciblegenecontaininganoperonRegulatorStructuralgenesOperator3.大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理:•大肠杆菌主要利用葡萄糖作为碳和能源•在缺乏葡萄糖的情况下，大肠杆菌也可以利用其他的糖作为碳源和能源，例如乳糖lactose•Lactose乳糖=disaccharide双糖(glucose葡萄糖+galactose半乳糖)•乳糖作为一种诱导物inducer(效应分子effectormolecule)，刺激大肠杆菌细胞内大量表达三种酶（相对于无乳糖供应，酶的表达量增加约1000倍）3.大肠杆菌乳糖操纵子负调控工作原理:•乳糖表达的三种酶:•-galactosidase半乳糖苷酶(lacZ)•水解乳糖形成葡萄糖和半乳糖•可以转变乳糖形成异乳糖allolactose（乳糖的异构物）•Lactosepermease乳糖透过酶(lacY)•可以转运乳糖透过大肠杆菌细胞壁和细胞质膜•Transacetylase转乙酰酶(lacA)•此酶的功能尚不清楚TranslationoflacoperoninwildtypeandmutantE.coli.FunctionalstateoftheE.colilacoperonintheabsenceoflactoseFunctionalstateoftheE.colilacoperongrowingonlactose乳糖阻遏蛋白四聚体模型Modeloflacrepressortetramer(4polypetides)protein•乳糖本身并不是真正的效应分子，异乳糖才是乳糖操纵子真正的诱导物。•事实上，研究诱导作用很少使用乳糖，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的-半乳糖苷酶催化降解，从而使其浓度不断发生变化。•实验室经常使用一种乳糖类似物——异丙基硫代半乳糖苷isopropyl-thio-galactoside(IPTG)代替乳糖。Note：4.乳糖操纵子的正调控•环腺苷酸cAMP的受体蛋白又称为代谢降解物激活蛋白Cataboliteactivatorprotein(CAP)•CAP与启动子结合是激活转录的必要条件•cAMP的结合可以提高CAP对双链DNA的亲和力•当大肠杆菌生长在缺乏葡萄糖的培养基中时，cAMP合成量增加，与CAP结合所形成的的复合物具有激活乳糖启动子的功能PositivecontrolofthelacoperonwithCAP1.大肠杆菌色氨酸操纵子E.colitrpoperon:•色氨酸操纵子负责色氨酸tryptophane的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定•当培养基中又足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，结构基因表达•色氨酸操纵子的结构基因有5个，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示（二）大肠杆菌色氨酸操纵子1.大肠杆菌色氨酸操纵子E.colitrpoperon:•调节基因、启动子和操纵基因在trpE基因的上游•在trpE基因和操纵基因之间有一段162bp核苷酸序列称为前导区leaderregion(trpL)（二）大肠杆菌色氨酸操纵子GeneralorganizationoftheTrpoperonofE.coli:邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶Regulator2.色氨酸操纵子的调节色氨酸操纵子的调节存在两种机制：I.阻遏系统•当培养基中富含色氨酸时，色氨酸与调节基因的编码蛋白结合形成有活性的阻遏蛋白。•阻遏蛋白可以与操纵基因结合关闭色氨酸操纵子，停止转录结构基因。辅阻遏物FunctionalstateoftheE.coliTrpoperongrowingwithout/withtryptophan:II.衰减作用•在trpE基因的起始密码前有一段162bp的前导区，其中碱基序列123～150称为衰减子attenuator(att)。•衰减子序列对应的转录产物mRNA包含一个起始密码子，两个色氨酸密码子，一个终止密码子，以及四个分别以1、2、3、4表示的片断。II.衰减作用•这些片断能以不同的方式互补配对，可以形成三种不同的二级结构。SecondarystructureSignalPairedregion1-2pause转录暂停Pairedregion2-3anti-termination抗终止Pairedregion3-4termination转录终止Organizationoftheleader/attenuatortrpoperonsequenceII.衰减作用(cont.):•Recall：在原核生物中，转录和翻译是紧密偶连，几乎同时发生。•当衰减子刚刚转录出部分的mRNA时，1区和2区的配对会引起RNA聚合酶暂时在这个区域的停留。•停留的作用是什么？•RNA聚合酶的停留，是为了等待核糖体结合到mRNA上，从而开始翻译过程。II.衰减作用(cont.):核糖体的位置在衰减作用中扮演着重要的角色当培养基中没有色氨酸或色氨酸的浓度很低时：①负载有色氨酸的tRNA(Trp-tRNAs)非常少，这样翻译时核糖体通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区②由于1区被核糖体占据，因此不能够和2区配对，此时2-3配对，不能形成3-4配对的终止结构③因此，转录可以继续进行，直到将色氨酸操纵子中的结构基因全部转录，形成完整的trpmRNAII.衰减作用(cont.):当培养基中色氨酸充足时:①核糖体可以顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区②因此，2区和3区不能配对，3-4区可以自由配对形成一个终止子结构，转录停止在结构基因之前③所以，色氨酸操纵子被关闭，结构基因不能被转录，没有完整的trpmRNA，色氨酸不再合成AttenuationmodelinTrpstarvedcellsAttenuationmodelinTrpnon-starvedcells氨基酸合成操纵子中的衰减子Phe,His,Leu,Thr,andIleoperonsinE.coli.二、真核生物的基因表达调控Regulationofgeneexpressionineukaryotes（一）DNA的包装影响基因的表达染色体结构对转录的影响：•真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白构成，组蛋白会阻碍转录•基因的活跃转录是在常染色质上进行的Chromosomestructure（二）异染色质化与基因的表达失活在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。又称X小体，通常位于间期核膜边缘。1949年，美国学者巴尔（M.L.Barr）等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有1个。（二）异染色质化与基因的表达失活英国学者莱昂（M.F.Lyon）认为，这种异固缩的X染色体（巴氏小体）缺乏遗传活性，提出“莱昂氏假说”，其内容主要是：（1）正常雌性哺乳动物体细胞中的两个X染色体之一在遗传性状表达上是失活的；（2）在同一个体的不同细胞中，失活的X染色体可来源于雌性亲本，也可来源于雄性亲本；（3）失活现象发生在胚胎发育的早期。（三）真核细胞的RNA转录后加工真核生物基因表达的调控通常分六个水平:1.转录Transcription2.RNA加工RNAprocessing3.mRNA转运mRNAtransport4.mRNA翻译mRNAtranslation5.mRNA降解mRNAdegradation6.蛋白质降解Proteindegradation断裂基因是一段包含内含子intron和外显子exon的DNA序列。大多数高等的真核生物都具有断裂基因。1.断裂基因interruptedgene:内含子intron=位于外显子之间的非编码DNA序列外显子exon=一个基因众的DNA表达序列，编码蛋白质1.断裂基因interruptedgene:1993:RichardRoberts(NewEnglandBiolabs)&PhillipSharp(MIT)2.RNA剪接RNAsplicing:hnRNA不均一核RNAIntronstypicallybeginwitha5’-GT(U)andendwithAG-3’.锁套结构剪接由剪接体介导完成splicosomes,剪接体是由蛋白质和核内小RNAsmallnuclearRNAs结合构成,剪接体在3’端切断内含子，连接外显子。3.RNA的可变加工RNAalternativeprocessing:•RNA的加工调节着从前体RNA到成熟mRNA的产生过程。•RNA前体的剪接不同而产生不同的mRNA分子，进而会产生不同的蛋白质。如下例：•Alternativepolyadenylation可变多聚腺苷酸化=wherethepolyAtailisadded•Alternativesplicing可变剪接=whichexonsarespliced启动子的可变选择（肌球蛋白初始转录物的加工）可变多聚腺苷酸化（原肌球蛋白转录物的加工）内含子保留模型（换位酶初始转录物的加工）外显子匣子模型（肌钙蛋白初始转录物的加工）3.RNA的可变加工RNAalternativeprocessing:•Examples:•Humancalcitonin人降钙素(CALC)geneinthyroid甲状腺andCalcitoningene-relatedpeptide降钙素基因相关蛋白inneuronalcells神经细胞AlternativepolyadenylationandsplicingofthehumanCACLgeneinthyroidandneuronalcells.降钙素基因相关蛋白降钙素什么是基因的表达调控，真核细胞与原核细胞的表达调控有什么最大的区别？掌握乳糖操纵子的模型结构与机制掌握色氨酸操纵子的机制以及衰减子的