分子遗传学第五章 基因表达的调控

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章,基因表达的调控,基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，,人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其决不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，,各种特定细胞能阻遏不同类别基因的表达。,基因表达的调控对生物是极端重要的。,1真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。,2细菌具有阻遏基因表达的能力。,在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件：,（1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；（2）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。,第一节 基本的调控路线,乳糖操纵子的调控,一、原核生物的操纵子学说,乳糖操纵子, 乳糖代谢中的酶和基因,（,1,）透性酶,permease,：,能使乳糖进入细胞（,Y）,（2）,半乳糖苷酶,galactosidase,：,水解乳糖为葡萄糖和半乳糖（,Z）,（3）,转乙酰基酶,transacetylase,（A）,三种酶的基因转录成一条,mRNA，,称多顺反子的,mRNA（,polycistronic,）。,Repressor gene,Promoter,Operator,-,galactosidase,gene,Permease,gene,Transacetylase,gene,Regulatory,region,Structure gene,I P O,lacZ,lacY,lacA,Lac,operon,1961,年法国科学家,Jacob,和,Monod,发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会合成大量的,-,半乳糖苷酶，使乳糖水解，在没有乳糖的环境中不产生,-,半乳糖苷酶。从而提出了乳糖操纵子学说来解释,-,半乳糖苷酶基因表达调控的问题,The structural genes of the loc,operon,are transcribed into a single,polycistronic,mRNA ,which is,traslated,simulated simultaneously by several,ribosmes,into the three,enzmes,encoded by the,operon,., 乳糖操纵子,The components,of the wild-type,lac,operon,and,the response in,the absence and,the presence of,lactose,1,操纵基因（,Operator，,简称,O），,起到基因开关的作用。,2,启动基因（,Promoter，,简称,P,），,是,RNA,聚合酶结合的部位，能起动,ZYA,基因的表达，,POZYA,在,DNA,上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子,(,operon,)。,3,调节基因（,I,基因），,能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止,RNA,聚合酶启动的转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因,O,区。使操纵子关闭。,如何开启操纵子表达,？,当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与操纵基因,O,区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的,RNA,聚合酶能顺利启动,ZYA,基因的表达，合成相应的三种酶。,二、其它基因,I,基因,：,编码阻遏蛋白，能阻断,ZYA,基因的表达,。,O,操纵基因,operator,：,是,DNA,上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到,O,基因上，就能阻制由,RNA,聚合酶催化的转录起动,。,启动基因,promoter,*,操纵子,operon,：,是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动基因，操纵基因和转录成一条,mRNA,分子的几个相邻接的基因组成的功能单位。,POZYA。,三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能,1能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；,2能识别乳糖或乳糖类似物,，当阻遏物与乳糖或类似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从,DNA,上脱落下来。,对,Lac,系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物失活并导致,Lac,基因表达的乳糖类似物称为诱导物。,半乳糖苷酶,(,galactosidase,),水解乳糖为葡萄糖和半乳糖,The catabolic conversion of the disaccharide,lactose into,its,monosaccharide,units,galactose,and glucose,导致,Lac,基因表达的乳糖类似物诱导物,异丙基硫代半乳糖苷（,IPTG),The gratuitous,inducer isopropylthiogalactoside,第二节 乳糖系统的发现,负调控,50,年代,Jacob,和,Monod,对,E.,coli,乳糖代谢中的酶进行详细的遗传分析，这是基因表达调控研究的第一个重大突破。,一、共同调控的基因,在染色上,Z、Y、A,三个基因是紧密连接的。这一组连续的基因产生的,mRNA,是一个多顺反子,mRNA,分子。,多顺反子的,mRNA,的转录和它的转译是以同一方向进行的。,极性突变（,polar mutation）：,不但能影响突变位点上的那个基因，而且会降底或消除下游更远一些基因的表达。,如,Lac,多顺反子中,Z,基因的无义突变会降底,Y、A,基因的表达。,二、,I,基因,控制,Lac,酶的可诱导性的区域。,I,+,的细胞只能在有一种诱导物存在时才能正常合成,Lac,酶；,I,的细胞不管诱导物存在与否都能合成,Lac,酶，这种突变体称为组成型突变体（,constitutive mutant）。,I,的细胞不管诱导物存在与否都能合成,Lac,酶，这种突变体称为组成型突变体（,constitutive mutant）,三、阻遏物,1,E.,coli,的,F,因子带有,Lac,区。可以作互补试验：,反式时，,I,+,对,I,为显性,。试验结果,：,单倍体和杂合性二倍体中,半乳糖苷酶和透性酶的合成,菌株,基因型,半乳糖苷酶,透性酶,非诱导 诱导,非诱导 诱导,1,2,3,4,5,6,I,+,Z,+,Y,+,I,Z,+,Y,+,I,+,Z,Y,+,/ FI,Z,+,Y,+,I,Z,Y,+,/ FI,+,Z,+,Y,I,Z,Y,+,/ FI,Z,+,Y,+,（,I Z Y）/ FI,Z,+,Y,+, + +,+ + + +, + +, + +,+ + + +,+ + + +,2,Iocob,发现另一种突变体,I,S,能抑制乳糖或其类似物对,Lac,酶的诱导作用。这是因为,I,S,突变改变了阻遏物上特异性结合位点，从而破坏了与诱导物的结合，,即使有,IPTG,诱导物存在。,I,S,产生的阻遏物分子仍能抑制,Lac,酶的合成。,I,S,反式时对,I,+,和,I,都为显性。,I,S,突变改变了阻遏物上特异性结合位点，破坏了与诱导物的结合，即使有,IPTG,诱导物存在。,I,S,产生的阻遏物分子仍能抑制,Lac,酶的合成。,The response of the,lac,operon,in the presence of lactose in a cell bearing the I,s,mutation.,15-7,野生型和,I,的不同等位基因的菌株中,Lac,酶的合成,四、操纵基因和操纵子,1阻遏物怎样阻断,Lac,酶的合成？,Jacob,推测有一操纵基因，靠近它所调控的一串基因。,*在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，,Lac,酶照常合成，这种突变称为操纵基因组成型突变,O,C,(constitutive）。,2Lac,操纵子的表达是在,Lac,阻遏物的负调控下进行的。在没有诱导物时，,Lac,阻遏物通常抑制,Lac,酶的产生。,*,在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，,Lac,酶照常合成。这种突变称为操纵基因组成型突变,O,C,（constitutive）。,15-6 b,单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体,Lac,酶的合成情况,五、阻遏物和操纵基因的鉴定,1,Lac,阻遏物是具有两种识别位点的蛋白，一个位点识别诱导物分子，另一位点识别,Lac,操纵基因的,DNA,序列。,阻遏物与诱导物结合，改变了阻遏蛋白的构型，从而改变了对操纵基因的亲合力。,2.,Gilbert,用,DNA,酶处理已结合有阻遏物的,DNA,分子，结果得到了没有被,DNase,降解的,DNA,短片段操纵基因区。,操纵基因发生单个碱基的变化就会使阻遏物无法识别。,5,T G G,A A T T G T,G,A,G,C,G,G,A,T,A,A C A A T T,3,3,A C C,T T AA C A,C,T,C,G,C,C,T,A,T,T G T T A A,5,*,A T G T T A C T,T A C A A T G A,Lac,操纵基因的序列和8个,O,C,突变体,O,c,mutations,六、,Lac,系统中各种突变的综合分析,1,Z、Y,基因的突变为,Lac,表型，在二倍体试验中,Z,、Y,为隐性，只要有一个,Z,+,和,Y,+,就能满足,Lac,+,表型要求。,2使阻遏物失去功能的,I,基因突变为,I,，,不论是否有诱导物，,I,菌株都能正常合成,Lac,酶，所以称为组成型突变。在二倍体试验中，,I,为隐性，因为只需要有一个,I,+,基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，,lac,表达受阻。,问：如果有诱导物，结果怎样？,无活性阻遏物,I,+,P,+,O,+,Z,+,Y,+,P,+,O,+,Z,+,Y,+,I,_,R,在二倍体试验中，,I,为隐性，因为只需要有一个,I,+,基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，,lac,表达受阻。,活性阻遏物,3另一种不同的,I,基因突变型是一种诱导无效的突变型，称超阻遏突变型,I,S,。,I,S,产生的阻遏物上与诱导物结合的位点发生了变化，使诱导物不能与阻遏物相结合。,I,S,的细胞表型为,Lac,，,因为,I,S,产生的阻遏物总是结合到操纵基因上，即使有诱导物存在也无法结合到这种阻遏物上。,I,S,对,I,+，,I,都为显性。,R,S,P,+,O,+,Z,+,Y,+,I,S,I,+,P,+,O,+,Z,+,Y,+,I,诱导物不能与阻遏物相结合,R,I,在一个二倍细胞中，,R,S,阻遏物能结合到两者的操纵基因上，即使有诱导物，,I,S,/ I,+,二倍体也为,Lac,。,4操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性,：,对同一染色体上直接与其相邻接的那些基因呈显性。,如一个,O,c,和,O,+,位于同一细胞中，那么阻遏物只能识别,O,+,，,并抑制与,O,+,相邻接的,ZY,基因表达，但阻遏物不会识别,O,c,，,即使无诱导物，与,O,c,相邻接的,Z、Y,基因也能表达。,O,c,的含义说明其总是激活状态，总是,Lac,+,表型，为组成型表达。,I,+,P,+,O,+,Z,+,Y,+,I,+,P,+,O,C,Z,+,Y,+,R,阻遏物不能识别,O,c,表 达 受 阻,即使无诱导物也能表达,操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性，,O,c,和的含义说明其总是激活状态，总是,Lac,表型，为组成型表达。,5启动基因突变,(,P,),使,RNA,聚合酶无法识别，从而阻断转录起动，,P,为顺式显性(,Cis,dominant)。,6,负调控：,凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能不能实现，而这一成分的消失或失活使这一功能得以实现。,正调控：,凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现。,第三节,Lac,操纵子的分解物阻遏,_,正调控,1细胞具有优先吸收和利用葡萄糖的特异性酶，如果同时存在乳糖和葡萄糖，只有葡萄糖利用完后才会有,半乳糖苷酶的诱导合成。,2,葡萄糖的某些分解物能抑制,Lac,操纵子的激活，称为分解物阻遏作用（,catabolite,repression）。,当葡萄糖浓度很高时，细胞内环,AMP,的浓度较低；随葡萄糖消耗，环,AMP,浓度增加；,Lac,操纵子的激活需要高浓度的,cAMP,。,3,不能将,AMP,转化为环,AMP,的突变体不能被乳糖诱导产生,半乳糖苷酶。另一种突变体虽然能产生,cAMP,，,但不能激活,Lac,酶，因为它还缺少由,crp,基因产生的,CAP,蛋白（,Catabolic activator protein）。,Lac,操纵子的激活需要,CAP,和,cAMP,形成的复合体：,葡萄糖,ATP,cAMP,CAP,cAMP,crp,基因,CAP,复合体,突变,对,Lac,操纵子,激活是必需的,Lac,操纵子的分解物阻遏调控,当,CAP,cAMP,形成复合体时，,Lac,操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制,cAMP,Lac,操纵子就不能正常表达。,当,CAP,cAMP,形成复合体时，,Lac,操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制了,cAMP,或由于,crp,基因突变阻断了,CAP,的形成，,Lac,操纵子就不能正常表达。,结论：,Lac,操纵子的表达需要,CAP,cAMP,复合体，是一种,正调控（凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现,）。,第四节,真核生物基因表达调控,1960年,Jacob,和,Monod,发现,E.,coli,的操纵子是人们认识基因表达调控的第一步。在真核细胞中也有在乳糖操纵子中发现的某些调控因子，但真核细胞具有更为复杂的基因调控系统。,在多细胞的真核生物中，基因表达的分化调节是细胞分化和行使功能的核心，其,中心问题是：一个有机体是怎样在一类细胞中表达一组基因，而在另一类细胞中又怎样表达不同的一组基因？,在细胞水平上，这种调节作用不能单靠消除无用的信息就能达到的。相反，往往要涉及到激活基因组的特定部位，并且遏制其他基因的表达。,激活和遏制特定部位的基因需要有机体提供精细的平衡作用，在错误的时间，错误的细胞类型中表达一种基因，即使基因本身是正常基因，但表达量不正常都可导致另样的表型或死亡。,为什么在真核生物中的基因调控要比原核中来得复杂?,1. 真核细胞比原核细胞具有较多的遗传信息，它们的,DNA,与组蛋白和其他蛋白组成染色质。这些染色质的结构打开后（去凝结）会利于转录，凝结后又不利于转录，这在基因表达中是重要的因子。,2. 在真核细胞中，转录在时间和空间上与转译是分开的；转录发生在核中，转译发生在胞质中，因此，,mRNA,必须从核中运送到细胞质中才能进行蛋白质的合成。,3.在运送出细胞质之前，真核基因的转录本要进行加工并切割。,4.真核生物的,mRNA,的半衰期要比原核的长，假如在原核中关闭转录，其,mRNA,会在几分钟内衰退，转译就会停止。真核不会。,5.,大多数真核生物是具有分化类型的多细胞的有机体，这些不同类型的细胞虽然它们都会有完整的基因组，但会特异性地利用不同的重叠基因制造不同的蛋白。,由于上述原因，真核生物基因表达会受到许多不同方式的调控，如图。包括（1）转录；（2）,pre-,mRNA,的加工和切割，即转录后调控；（3）运送至细胞质；（4）转译（5）转译后修饰。,一,.,调控元件,真核基因的内部结构包括几种不同的控制转录的调控元件,主要的元件有：启动子和增强子（,enhancer）。,这些调控元件可邻接，位于之中或远离该基因，它们可以与许多类蛋白相互作用从而起到调节这些元件活性的作用，这些蛋白称为转录因子。下面将用通用的模型说明这些元件和因子在真核基因表达调控中的功能。,1. 启动子,细菌启动子含有顺式作用核苷酸序列，是,RNA,聚合酶结合的识别位点。因此它含有启动转录所必要的区域并紧挨它可调节的基因。,真核启动子是由,RNA,聚合酶,II（,将基因转录为,mRNA,）,识别的，它常含有一些短的典型的,DNA,序列，其位于基因5上游100,bp,区间内。启动子的核心区有位于转录起始位点上游25-30,bp,的,TATA,框，在8,bp,的共有序列中仅有,T-A,对，两侧有富含,G-C,的区域。,采用突变研究已证明了,TATA,框具有极重要作用：,TATA,框的突变会严重降低转录效率，两侧序列的突变不会影响基因表达。,这种降低转录的现象是由于它失去了与反式作用转录因子结合的能力，,这些转录因子具有激活转录的功能。,珠,蛋白基因,启动子点突变效应,(CAAT),启动子核心区的上游邻近还有几个对转录作用有重要意义的元件，如,CAAT,框,，它的保守序列为,CAAT,或,CCAAT，,常位于-70至-80位。跟,TATA,框一样，在,CAAT,框中突变也会严重减弱转录，而两侧序列影响很小；另外还有一个元件为,GC,框,，它的保守序列为,GGGCGG，,通常位于-110，以多拷贝存在，它的重要性也用突变得到证实。,2,. 增强子,除了启动子区以外，大多数真核基因的转录受到另一种,顺式作用,DNA,序列即增强子,的影响。象启动子一样，,这些序列能与反式作用调控蛋白相互作用，它能明显地增强转录起始的效率，,增强子与启动子在某些特征上具有区别：,1.增强子的位置无法固定，它可以位于基因的上游， 下 游或中间。,2.增强子常常对相当远距离的靶基因行使作用，有时多达50,kp,。,3.,增强子的方向可反向，对它的作用不会有大的影响。,4.假如一个增强子在基因组移动到另一位置，或者某一不相关基因插入到一增强子附近，那么该插入基因的转录受到正向调控。,当增强子远离启动子或转录起始位点时，它们是怎样调控转录作用的？,增强子可以被转录因子结合，改变染色质的构型（通过,DNA,弯曲或环化），这样就可能使远距离的增强子和启动子变得邻近，,从而组成有活性的转录复合体，在这样一种新的构型中，转录活性就会高于基础水平，从而增加了,RNA,合成的总体效率。,二,.,转录因子,已鉴定,许多蛋白质对转录起始是必需的，但并不是,RNA,聚合酶分子的一部分，这些蛋白质称为转录因子。,它们能控制基因在何处，何时，以何种程度表达。这些蛋白是摸式的调节物，常含有两个功能域：,1.,DNA,结合结构域:,能结合到,DNA,序列上，包括启动子和增强子的调控区；,2. 反式激活结构域（,trans-activating domain）：,其通过蛋白与蛋白之间相互作用激活转录，,由蛋白质因子参与的转录调控作用主要是正向调控。在讨论这些因子怎样调节基因表达之前，我们先来了解它们是怎样结合到核酸上的。,转录因子的结构模式：,真核生物因子的,DNA,结合结构域有多种形式，它们具有不同的三维结构。有三种主要的结构模式：,（1,）螺旋,-,转角,-,螺旋结构,（,helix-turn-helix，HTH）,最早发现于原核生物激活蛋白和阻遏蛋白，,X,光衍射分析表明，在许多真核生物,DNA,结合蛋白有,HTH,结构，,这类蛋白有两个邻近的,螺旋，其间由多个氨基酸组成的转角分开，这种结构使其能与,DNA,结合。,转录因子中的螺旋-转角-螺旋结构(,a),以及与,DNA,的相互作用(,b),羧基端,螺旋为识别螺旋，其氨基酸残基直接与靶,DNA,大沟的残基专一性结合，另一,螺旋中的氨基酸和,DNA,中的磷酸戊糖骨架发生非特异性结合。,（2）锌指结构（,Zine,fingers）,锌指结构是真核生物转录因子主要结构家族中的一种，它们从许多方面参与基因调控。该结构由一小群氨基酸与一个锌原子结合，在蛋白质中形成相对独立的一种结构域。,辛指结构的蛋白质：,含有一串重复间隔的,2,个半胱氨酸（,Cys,）,和2,个组氨酸（,His），,这些间隔的半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合，因此把氨基酸折叠成环（形如指）。,每个指大约由,23,个氨基酸，在半胱氨酸和组氨酸之间的环由,12-14,个氨基酸，每个环之间由,7-8,个氨基酸连接。环中的氨基酸能与特定的,DNA,序列结合，在一个锌指转录因子中常有,2-13,个指组成。,半胱胺酸和组氨酸残基与锌原子共价结合的锌指结构。,锌指能与,DNA,双螺旋的大沟结合并且环绕着,DNA，,在大沟中，锌指能与,DNA,的一组碱基结合并形成氢键，,（3,）亮氨酸拉链结构（,leucine,zipper）,为转录因子与,DNA,结合区的一种结构模式。最早见于大鼠肝脏的一种蛋白，在肽链羧基端一段,35,个氨基酸残基中，由,4,个亮氨酸残基被,7,个氨基酸隔开，富含亮氨酸的区域形成一个螺旋，每个螺旋有一个亮氨酸残基突出，这样使亮氨酸排成一排，位于螺旋的同一方向。,这类蛋白质常以二聚体形式与,DNA,靶位点结合，两个分子相应的,螺旋之间靠亮氨酸残基的疏水作用形成拉链式结构。该结构能结合到,DNA,的磷酸残基和特定的碱基上，该二聚体形如一把剪刀。,亮氨酸拉链结构。,(,a),由于在二条多肽链中每隔一个,螺旋有一个亮氨酸残基，从而形成二聚体，(,b),与,DNA,相互作用,转录复合体的组装,由,RNA,聚合酶,II,转录的真核基因为,II,型基因，可作为,mRNA,合成启动的模型。该模型的中心是,促进模板与,RNA,聚合酶,II,结合的各种反式作用蛋白因子，这些转录因子称为,TFIIA,TFIIB,等,。,TFIID,是多亚基蛋白复合体，其中一个蛋白能直接与启动子的,TATA,框,DNA,序列结合，称为,TATA,结合蛋白（,TATA-binding protein，,简称,TBP）。,真核转录复合体的组装,TBP,结合到,TATA,框，使,DNA,弯曲。在启动转录前，一组转录因子（,TFIIB,等）和,RNA,聚合酶,II,结合上去,。,TFIIH,表现为解缧旋酶活性，在转录过程中打开双缧旋,一些转录因子共同结合到增强子上，然后再结合到转录复合体上，会极大地提高转录的水平,第五节 类古醇激素对基因调控的作用,激素对基因的调控作用可用（图）表示：激素穿过细胞膜进入细胞与激素受体蛋白结合，然后，受体和激素的复合体转运到核中，从而激活基因转录。,受体都有三个功能域：,可变的,N,端功能域，对每个受体是特定的；,短的高度保守的能与,DNA,结合的中心功能域；,与激素结合的,C,端功能域。,与,DNA,结合的中心功能域包括2个锌指结构，激素受体中的锌指结构与特定的,DNA,序列相结合，该序列称为,激素应答元件（,hormone-responsive element, HRE）。,HRE,与启动子和增强子具有某些共性：它们有一些短的共有序列，,HRE,常位于转录起始点上游几百个,bp,，,而且可以有多个拷贝；它们也经常位于启动子或增强子序列中。,尽管激素受体结合到,HRE,对激活特定基因是必须的，但其自身并不足以引发激活。受体与,HRE,结合可改变,HRE,和邻近区间染色质的结构，促进其它转录因子的相互作用，改变,HRE,和邻近区间染色质的结构会有利于转录因子和,RNA,聚合酶结合到别的位置包括启动子上，从而引发转录。,