第二十二章 基因表达调控

第二十二章基因表达调控基因的选择性表达是细胞特异性的基础原核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控一.基因的选择性表达是细胞特异性的基础基因的表达：基因并不是同时都在表达￭某些基因：启动（表达）；￭另些基因：阻遏（不表达）基因调控：￭定义：基因表达的调节、控制；￭基因调控：三个水平▲DNA水平上的调控；▲转录水平上的调控；（表达调控的关键环节）▲翻译水平上的调控；二.原核生物的基因表达调控（一）大肠杆菌的乳糖操纵子模型巴斯德研究所FrancoisJacob和JacquesMonod与1960-1961提出乳糖操纵子模型。现象：大肠杆菌（原核细胞）￭培养基不含乳糖时：不产生β-半乳糖酶；￭培养基含乳糖时：产生β-半乳糖酶；（β-半乳糖酶：消化乳糖半乳糖）；●实验证明：￭培养基不含乳糖：不产生编码β-半乳糖酶的mRNA；￭培养基含乳糖：产生此种mRNA；即：乳糖能使编码mRNA的基因开放（表达）●调控水平：转录环节操纵子：由在结构上彼此有关的几个结构基因和控制区所组成.￭操纵子=结构基因+启动子+操纵基因；只在原核生物中存在。￭乳糖操纵子：调节乳糖消化酶（β-半乳糖酶）产生的操纵子1.结构基因LacZ基因：决定β－半乳糖苷酶的形成。将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。LacY基因：决定β－半乳糖苷透性酶的合成。使乳糖易于进入大肠杆菌。LacA基因：编码β－半乳糖苷乙酰基转移酶功能：在一起转录形成一个多顺反子的mRNA只在乳糖存在时，这些基因才迅速转录，形成多顺反子mRNA，并翻译成相应的酶。IPOZYA控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列操纵序列β半乳糖苷酶透性酶乙酰基转移酶RNA聚合酶结合位点调控基因8RPOZYA控制位点控制位点结构基因结构基因DNADNA阻遏蛋白阻遏蛋白启动序列启动序列操纵序列操纵序列ββ半乳糖苷酶半乳糖苷酶通透酶通透酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（乳糖操纵子（lactoselactoseopronopron））结构结构RNARNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点调节基因调节基因2.调节基因参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。编码的调节物与DNA上的特定位点结合来控制转录，是调控的关键。常处在受调节基因的上游，产物为阻遏蛋白3.启动子一段短的核苷酸序列标志转录的起始位点4.操纵基因不编码任何蛋白阻遏蛋白结合位点乳糖操纵子工作原理细胞中无乳糖时：操纵子关闭调节基因（I）转录mRNA转译（合成）阻遏蛋白（具活性）；▲阻遏蛋白与操纵基因（O）结合；▲RNA聚合酶不能与启动基因(P)结合(启动基因被阻遏)▲结构基因不能启动（关闭）▲不能产生β-半乳糖酶；￭细胞中有乳糖时：▲乳糖→与阻遏蛋白结合；▲阻遏蛋白→分子构相变化→失活→与操纵基因分离：▲RNA聚合酶与启动基因结合；▲结构基因(3个，Z、Y、A)→转录→3种mRNA；▲产生β-半乳糖苷酶（乳糖→半乳糖+葡萄糖）；透性酶（促进半乳糖逆浓度梯度进入细胞）；硫半乳糖苷乙酰转移酶▲乳糖消化吸收￭细胞中乳糖逐渐减少时：阻遏蛋白→与乳糖分离→分子构象相恢复→恢复活性→与操纵基因结合；→阻止结构基因的转录→β-半乳糖苷酶等的停止生产；★自我调节系统：诱导分子：乳糖（诱导一系列乳糖消化酶的产生）说明：￭基因的表达是处在一定的调控机制之下的；￭细胞的生活（活动）与外界环境密切相关的※生命活动处处都是符合经济原则的：需要时有能力合成；不需要时就关闭机器三.真核生物的基因调控●比与原核生物的基因调控复杂得多▲基因组：DNA含量大得多；构造复杂：蛋白质、RNA（少量）；▲转录、转译过程：分别在细胞核、细胞质内进行；复杂的RNA加工过程；▲存在多种其他调控机制存在●基因调控机制基本上与原核生物相似￭结构基因上游（5’方向）存在一些核苷酸序列与转录活动有关（相当操纵子）；￭也存在调节基因；￭调节基因也是通过激活、阻遏结构基因而实现基因调控随细胞内外环境条件的改变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节．３.１不同细胞有特异的基因表达方式真核细胞的特异性是由于特定的基因而造成的多细胞生物的细胞分化，是选择性基因表达的结果．３.２ＤＮＡ的包装影响基因的表达每条染色体均存在一个精密的、多层次的折叠和压缩机制：双螺旋：２nm直径核小体：真核生物染色体的基本结构单位．每个核小体有四种组蛋白．Ｈ２Ａ、Ｈ２Ｂ、Ｈ３、Ｈ４每种组蛋白有两个分子形成一个八聚体。可能通过阻止转录酶接近ＤＮＡ分子起到调节作用。超螺旋：核小体缠绕为一个高度螺旋的丝状结构，进一步缠绕成直径大约为２００nm超螺旋染色体３.４蛋白质组装启动真核细胞的转录增强子启动子结构基因激活因子其他蛋白RNA聚合酶３.３异染色质化与基因的表达失活巴氏小体：２０世纪４０年代末，Ｂarr等人雌猫神经细胞间期一个被碱性染料染色很深的染色质小体许多组织的间期核中，的一种特征性的、浓缩的、碱性染料深染的染色质小体，雄性个体没有，由于这种染色质小体与性别及Ｘ染色体的树目有关，所以称为性染色质体，又名巴氏小体是一种高度浓缩、遗传上惰性的染色质化的小体雌性胚胎发育的早期，体细胞核中的Ｘ染色体随机失活一条，可以传给子代细胞Ｘ染色体上的基因部分失活举例：玳瑁猫３.４真核生物的ＲＮＡ转录后加工１.断裂基因1977R.J.Roberts和P.A.Sharp发现的1993；内含子：大多数植物和动物的基因中存在较长的非编码区外显子：编码区—基因中能够被翻译成为蛋白质的部分断裂基因：2.RNA剪接剪接（Splicing）去除内含子，连接外显子两种机制：蛋白质+snRNA=剪接体RNA分子完成自我剪接过程5’帽端结构的生成（如图）7-甲基鸟苷三磷3’端多聚A（polyA）的附加100~200（一）果蝇是研究发育的理想模式生物四.发育是在基因调控下进行的受精前，果蝇卵细胞细胞质具体轴轴向的决定因子受精后，基因决定的位置信息越来越精细，确定特定数目的体节，开启各体节特征结构的形成（二）基因在果蝇胚胎前后轴发育中的作用“头”mRNA由滋养细胞的bicoid基因产生，通过细胞质桥进入卵细胞。突变：尾-复-尾缺少头部和胸部（二）同源异形基因是发育的主要控制机制每一体节器官及特征结构如何由基因决定？同源异形基因是确定每个体节器官结构的基因。同源异形基因在染色体上的排列顺序和体节特征结构的空间表达顺序是相对应的每一个基因表达的产物都作为转录因子启动下一个基因的表达。同源异形框果蝇：180个核苷酸序列，编码60个氨基酸多肽片段。