基因的表达与调控本科10’.ppt

第二讲 基因的表达与调控 Song Fangzhou 2010.9,生命科学的中心法则,第二章 遗传信息（基因）的表达,第三章 基因表达的调控,第二节 遗传信息的复制,一、DNA复制的基本特点,二、原核生物染色体DNA的复制三、其它环状DNA分子的复制四、真核生物染色体DNA复制的特点,第一节 核酸与基因组的结构 一、核酸的结构 二、基因的概念 三、基因组（genome）和基因组结构,第三节 遗传信息的表达,一、转录 二、逆转录 三、原核生物RNA的生物合成,四、真核生物RNA的生物合成 五、翻译,第四节 外源基因的表达,一、外源基因在原核系统中的表达,二、外源基因在真核系统中的表达外源,三、外源基因表达的几种方式,众所周知，遗传信息储存与表达的物质基础是核酸。核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两大类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA），另一类为核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）。DNA存在于细胞核和线粒体内，RNA存在于细胞质和细胞核内。DNA和RNA是遗传的物质基础。（prion(朊病毒)是否也是遗传物质？）,一、核酸的结构,第一节 核酸与基因组的结构,（一）核酸的一级结构 核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。构成核苷酸的碱基（base）主要有五种，腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）及尿嘧啶（U）。核酸的一级结构就是指核酸分子中核苷酸的排列顺序，而正是在核酸的一级结构中储存着生物的遗传信息。如果核苷酸的排列顺序发生变化，它的生物学含义也就随之改变。,中心法则：DNA mRNA 蛋白质DNA排列顺序 RNA排列顺序 蛋白质(aa)排列顺序,DNA、RNA与蛋白质的关系:,（二）DNA的二级结构 是指由两条DNA单链形成的双螺旋、三股螺旋及四股螺旋结构。1.双螺旋结构 即典型的DNA双螺旋结构，且一般为右旋。但还发现有左手双螺旋DNA，这种左手双螺旋DNA可能参与基因表达的调控。2.三股螺旋结构 除了最常见的DNA双螺旋结构形式外，DNA也可以形成三股螺旋结构三股螺旋DNA（也称三链DNA，triple strand DNA,tsDNA）:,分子内三链DNA形成的4种同分异构体,（a）三股螺旋DNA（b）三股螺旋DNA三维投影图,（三）DNA的三级结构 DNA双螺旋进一步盘曲形成更 加复杂的结构，即螺旋的螺旋或超螺旋结构。（四）RNA的种类与功能1.mRNA 信使RNA(messenger RNA)占1%-5%携带遗传信息2.tRNA 转运RNA(transfer RNA)占15%转运氨基酸3.rRNA 核糖体RNA(ribosomal RNA)占80%合成场所4.具有催化活性的RNA核酶(ribozyme),5.核内不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)即 mRNA前体，经过一系列加工处理后才变成成熟的mRNA。6.小分子核内RNA(small nuclear RNA,snRNA)300个碱基以下7.反义RNA(antisense RNA)碱基序列正好与有意义mRNA(sense mRNA)互补的RNA,又称反意义RNA、调节RNA。,基因（gene）是DNA分子中的某一特定的核苷酸序列，经过复制可以传递给后代，经过转录和翻译可以产生维持正常生命活动的生物大分子（RNA和蛋白质）。基因具有可遗传性、可表达性、可移动性（转座单元、跳跃基因）、不连续性（内含子intron、断裂基因）和重叠性（重叠基因）的特征。,二、基因的概念,非编码序列,5,3,调控序列,非编码序列,内含子(intron),编码序列(外显子,exon),1.基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和。如人类基因组包含22条染色体和X、Y两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。2.基因组结构：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中的分布和排列情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。,三、基因组（genome）和基因组结构,（一）病毒基因组的结构特征1.病毒基因组的类型 病毒（virus）是最简单的生命形式。病毒基因组（virus genome）的核酸有DNA，也有RNA。可分为以下几种：（1）双链DNA（2）单链正股DNA（3）双链RNA（4）单链负股RNA（5）单链正股RNA,2.病毒基因组的结构特征（1）不同病毒基因组大小差异较大（2）不同病毒基因组可以是不同结构的核酸（3）病毒基因组有连续的也有不连续的（4）病毒基因组的编码序列大于90%（5）单倍体基因组（6）基因有连续的和间断的（7）相关基因丛集（8）基因重叠（9）病毒基因组含有不规则结构基因,（二）原核基因的结构特征1.原核基因组形式原核基因组常以操纵子（operon）的形式作为表达和调控的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。,大肠杆菌乳糖操纵子结构,lacI,lacY,P,lacO,lacZ,lacA,启动子,阻遏蛋白基因,结构基因,操纵基因,2.原核生物的RNA聚合酶和启动子,（2）原核启动子（promoter）启动子是基因5端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是RNA pol 和其他转录因子结合的部位。,（1）原核RNA 聚合酶（RNA polymerase）,原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiation site，IS）上游5-10bp处，由-35区和-10区组成，从启动子到终止子（terminator）为一个转录单位。-10区的碱基序列较保守，由T和A组成，大肠杆菌的-10区为TATAAT，故称TATA box或 pribnow box。-35区的碱基序列以TTG最为保守，大肠杆菌的-35区为TTGACA，因子识别并结合-35区，RNA聚合酶的特异性由 因子决定，而启动子的强弱则由-35区和因子的特异性和亲和力决定。从IS到-10区之间的5-10bp间隔称5-leader sequence(前导序列）。,大肠杆菌基因启动子图示,-35,-10,IS,5-leader,+1,上游,下游,5,启动子,大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不连续的方式排列在DNA上，因此这类基因也叫断裂基因（split gene）。不编码序列称内含子（intron），被分隔的编码序列叫外显子（exon）。因此，从DNA转录来的初级转录物是mRNA的前体，称核不均一RNA（nuclear heterogenous RNA，hnRNA），在进行翻译前必需通过转录后加工除去内含子，形成成熟mRNA，这一过程叫拼接（splicing）。由于真核基因不组成操纵子，不形成顺反子，真核基因表达受到多级调控系统的调节。,（三）真核基因的结构特证,mRNA,DNA,hnRNA,splicing,蛋白质,e,i,转录,翻译,与原核生物的RNA pol不同，真核RNA pol不能单独与启动子结合，必需要有转录因子的参与。（2）真核基因的II型启动子（promoter）真核基因的TATAbox为TATAATATA，并且距离IS较远。,（1）三种真核RNA 聚合酶（RNA polymerase）,没有-区。在IS上游还有 box、box和（八聚体）等结构，并与盒一起组成II型基因的启动子。必须明确，并不是所有的II型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期基因）。,O,C,GC,T,IS,由于II型启动子无-35区，也没有 因子，因此，RNA pol II与启动子的结合至少与4种转录因子（TFIIAD）有关。,总之,病毒、原核生物以及真核生物所贮存的遗传信息量有着巨大的差别。病毒基因组结构简单，所含结构基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且有较为完善的表达调控体系；真核生物基因组所含基因数量巨大，表达调节系统也更为精细。,基因组中的遗传信息决定着物种的遗传和变异。各种生物均通过其自身基因组核酸的完整复制将亲代的遗传信息忠实地传给子代，保证了物种的连续性。遗传信息的复制实际上就是基因组全部核酸序列的复制。基因组核酸的复制在不同生物中主要有四种形式，即DNA复制、DNA通过RNA中间体进行复制、RNA复制、RNA通过DNA中间体进行复制。,第二节 遗传信息的复制,大多数生物通过DNA复制完成基因组的复制，少数DNA病毒是通过RNA中间体复制其基因组DNA，许多RNA病毒是通过RNA复制完成其基因组的复制，逆转录病毒则是通过DNA中间体复制其基因组RNA。真核生物的端粒可通过逆转录完成复制过程。,（一）复制的起始点和方向 基因组中能单独进行复制的单位称为复制子，复制子中控制复制起始的位点称为复制起始点。在开始时，复制起始点处呈一叉形（Y型），称为复制叉。复制进行时，复制叉向前移动。复制的方向可有三种不同形式：一是从两个起始点开始，各以相反的单一方向复制出一条新链，形成两个复制叉；二是从一个起始点开始，以同一方向复制出两条链，形成一个复制叉；三是从一个起始点开始，同时沿两个相反的方向各复制出两条链，形成两个复制叉。,一、DNA复制的基本特点,DNA链复制方向的三种形式,a.2个起始点，2个复制叉,复制叉 复制叉,起始点1,旧链,起始点2,b.1个起始点，1个复制叉,复制叉,起始点,c.1个起始点，2个复制叉,起始点,复制叉,复制叉,1、半保留复制 DNA复制时，DNA双链中的互补碱基之间的氢键断裂，解为两条链，各以一条单链为模板，按碱基互补原则合成新的互补链，新合成的两个DNA分子和亲代DNA分子是完全一样的。在子代DNA分子中一条单链来自亲代，另一条单链是新合成的。这种复制方式称为半保留复制（semi-conservative replication）。,（二）复制方式,2、半不连续复制 DNA双螺旋的两条链是反向平行的，一条是5 3方向，另一条是3 5方向，两条链都能作为模板合成新的互补链。但是，生物体内所有DNA聚合酶的催化方向都是5 3，在复制过程中，DNA聚合酶以3 5方向为模板，随着复制叉的移动方向，连续合成新的互补链（称为前导链，leading strand）。但是DNA聚合酶不能随着复制叉的移动方向合成另一条模板链的互补链。另一条互补链是如何合成的呢？,1968年日本学者冈崎等发现了DNA连接酶并提出了不连续复制模型，即以5 3方向模板链为模板合成的互补链也是5 3方向延伸，但与复制叉的前进方向相反，只能倒着合成许多片段，这些片段称为冈崎片段（Okazaki fragment）；DNA连接酶再将冈崎片段连接成完整的DNA链，称为随从链（lagging strand）。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以DNA的复制是半不连续复制。随从链的合成比前导链迟一些，所以二者是不对称进行的。,复制叉行进方向,3,5,3,5,随从链,前导链,DNA复制大致分为三个阶段，即复制的起始、DNA链的延长和复制的终止。基本上包括：DNA双链解开；RNA引物的合成；DNA链的延长；切除引物、填补缺口、连接相邻DNA片段；切除和修复错配碱基。,（三）复制的基本过程,二、原核生物DNA的复制（P252-254）三、真核生物的DNA复制（P254-256）,第三节 遗传信息的表达,各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNA、rRNA等RNA的一级结构信息。除少数RNA病毒可将遗传信息直接从RNA输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从DNA分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于DNA中的信息转变成具体的RNA分子或蛋白质分子。通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。,DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成，这一过程称为转录。DNA不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递到RNA分子中，再通过翻译过程将RNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括转录和翻译两个阶段。,一、转录,转录（transcription）是以DNA为模板，以4种NTP为原料，依碱基配对规律，在DNA指导的RNA聚合酶催化下合成RNA的过程。通过RNA的合成，DNA分子中的遗传信息被转录到RNA分子中。以DNA为模板复制DNA和转录RNA都是酶促的核苷酸聚合过程，二者既有相似之处，又有不同点。相似之处在于：都以DNA为模板；都以核苷酸为原料，合成方向是，核苷酸之间以磷酸二脂键相连；服从碱基配对原则；都需依赖DNA聚合酶，产物是很长的多核苷酸链。,二者的不同点有：复制的原料是4种dNTP，而转录的原料是4种NTP，即ATP、GTP、CTP、UTP；复制过程中碱基配对关系是A-T、G-C，而转录过程中碱基配对关系是A-U、G-C；在复制过程中催化聚合反应的酶是DNA聚合酶，而在转录过程中催化聚合反应的酶是RNA聚合酶；在复制时，DNA分子的两条多核苷酸链都能作为模板，产物是与模板等长的整体分子，带有基因组的全套遗传信息；而转录一种RNA分子时只利用DNA分子中的一条链为模板，而且只是从一个基因或一个操纵子转录，转录单位的模板上的位置和数量随细胞的生活状态而改变，因此，不同时间里产物的数量、性质和大小都不相同。,1.逆转录的概念 所谓逆转录，是指以RNA为模板，利用宿主细胞中4种dNTP为原料在引物的3 端以5 3 方向合成与RNA互补的DNA链的过程，此过程与中心法则相反，故称为逆转录（reverse transcription）。在逆转录过程中以RNA指导的DNA聚合酶称为逆转录酶（reverse transc-riptnase）。实际上，逆转录并非转录，而是一种复制形式，必须有引物存在才能完成。,二、逆转录,2.逆转录酶,1970年Temin在Rous肉瘤病毒、Baltimore在白血病病毒中各自发现了逆转录酶，以后发现所有RNA肿瘤病毒中都含有逆转录酶。逆转录酶是逆转录病毒RNA编码的，是多功能酶：具有RNA指导的DNA聚合酶活性，能和其它DNA聚合酶一样，沿5 3方向合成DNA，并需要引物提供3OH；,具有RNA酶H（RNaseH）活性，能特异性水解RNA-DNA杂交体上的RNA；具有DNA指导的DNA聚合酶活性，以逆转录合成的单链DNA为模板合成互补DNA链。逆转录酶对DNA没有3 5外切酶活性，因此它没有校对功能，错误率相对较高。,3.逆转录合成cDNA的过程,cDNA是指以mRNA为模板，在反转录酶的作用下在体外反转录合成的双链DNA（简称cDNA,),mRNA,5,3,5,3,以mRNA为模板合成一小段cDNA,5,3,反转录酶除去杂交双链中的mRNA,5,3,单链DNA的合成,3,5,除去杂交链中的大部分mRNA,引物,3,合成一段双链DNA,5,3,除去mRNA,5,3,完成双链DNA的合成,5,3,5,(1)RNA聚合酶 原核生物细胞中只有1种RNA聚合酶，兼 有合成mRNA、tRNA和rRNA的功能。反应时需要有Mg或Mn的存在，该酶缺乏3 5外切酶活性，所以它没有校对功能。（2）转录模板 以模板链（无意链）为模板，合成mRNA，与复制一样5 3方向延伸。（3）转录过程 分为起始、延长和终止三个阶段。,三、原核生物RNA的生物合成,（4）转录产物的加工 转录产物是mRNA分子，一般不需加工。tRNA前体的加工主要包括剪切作用：切除前导序列、拖尾序列及间隔序列；添加和修复3端CCA序列，由tRNA核苷酸转移酶催化完成；某些碱基的化学修饰，在特异酶的催化下经化学合成成熟tRNA分子中的稀有碱基。rRNA前体的加工：在核酸外切、内切酶的共同作用下，将各种前体的多余核苷酸切除，即可得到成熟的RNAs。,核糖体RNA转录物前体,tRNA(4S),5S,23S,16S,甲基化,CH3,裂 解,中间产物,tRNA,5S,25S,17S,核酸酶,核酸酶,成熟RNAs,tRNA,23S rRNA,5S rRNA,16S rRNA,原核生物rRNA前体的加工,真核生物的转录机制尚不完全清楚，其基本过程可能与原核生物类似，但更复杂。（1）RNA聚合酶 有三型，分别称为RNA聚合酶（A）、（B）、（C），识别不同的启动子而转录不同的基因。RNA聚合酶在核仁，主要转录5.8S、18S、28S rRNA基因；RNA聚合酶在核浆，主要转录编码蛋白质的基因，即主要转录产生mRNA；RNA聚合酶在核浆，主要转录tRNA和5S rRNA基因。,四、真核生物RNA的生物合成,（4）转录产物的加工（P271-277）；包括mRNA前体的加工：5端加帽、3端加poly(A)尾、剪接以及编辑等；tRNA前体的加工，包括剪接去除内含子、剪切5端先导序列、添加或修复3端CCA以及碱基的化学修饰等；rRNA前体的加工主要是剪接和化学修饰。,（2）转录单位 一个转录单位只有一个结构基因。（3）转录过程 也分为起始、延长和终止三个阶段(P269-270),贮存于结构基因中的遗传信息从DNA转录到mRNA，后者在蛋白质的生物合成过程中作为直接模板，在核糖体、tRNA、以及多种蛋白质因子共同参与下，把mRNA中的核苷酸序列转换成蛋白质中的氨基酸顺序，因为mRNA的核苷酸序列与蛋白质的氨基酸序列是两种不同的分子语言，所以常把mRNA中的遗传信息转换成为蛋白质氨基酸序列的过程称为翻译（translation）。,五、翻译,1、遗传密码,1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中，由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成，因此显然要求有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至胞浆中。后来的研究证实，这种中间物即信使RNA。mRNA的核苷酸序列与DNA序列相应，决定着合成蛋白质的氨基酸序列。它如何指导氨基酸以正确的顺序连接起来呢?不同的mRNA碱基组成和排列顺序都不同，但都只有A，G，C，U 4种碱基。如果一个碱基就可以决定一个氨基酸，则只有四种变化方式，如果两个碱基决定一个氨基酸，则只有16种变化,方式，都不能满足20种氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码(genetic code)或三联体密码，这样就可以有64种不同的密码，但此情况下必须假定有一些氨基酸使用两个以上的密码。这一假定很快就被证明是对的。遗传密码具有以下特征：(1)起始密码子和终止密码子：AUG除代表蛋氨酸外，在mRNA 5端出现的第一个AUG还兼作肽链合成的起始密码；UAG、UAA和UGA是肽链合成的终止密码子；,(2)方向性：起始密码子总是位于编码区5末端，终止子位于3末端，每个密码子的三个核苷酸也是5 3方向阅读，不能倒读。从而决定了翻译过程也只能从5 3方向阅读密码。(3)连续性：密码子之间不重叠使用核苷酸，也无核苷酸间隔；(4)简并性：一种氨基酸可有多个密码子；(5)通用性：所有生物从最低等的病毒直至人类，蛋白质合成都使用同一套密码子表，仅有极少的例外,如特殊细胞器线粒体、叶绿体所用的密码稍有不同。(6)摆动性：密码子与反密码子配对辩认时，有时不完全遵照碱基互补规律，尤其是密码子的第三位碱基对反密码子的第一位碱基，即使不严格互补也能辨认配对，这种现象称为摆动。,ACA TGC CCA CCG TGC CCA GCA CCT GAA CTC CTG GGG GGA CCG TCA 45 GTC TTC CTC TTC CCC CCA AAA CCC AAG GAC ACC CTC ATG ATC TCC 90 CGG ACC CCT GAG GTC ACA TGC GTG GTG GTG GAC GTG AGC CAC GAA 135 GAC CCT GAG GTC AAG TTC AAC TGG TAC GTG GAC GGC GTG GAG GTG 180 CAT AAT GCC AAG ACA AAG CCG CGG GAG GAG CAG TAC AAC AGC ACG 225 TAC CGT GTG GTC AGC GTC CTC ACC GTC CTG CAC CAG GAC TGG CTG 270 AAT GGC AAG GAG TAC AAG TGC AAG GTC TCC AAC AAA GCC CTC CCA 315 GCC CCC ATC GAG AAA ACC ATC TCC AAA GCC AAA GGG CAG CCC CGA 360 GAA CCA CAG GTG TAC ACC CTG CCC CCA TCC CGG GAT GAG CTG ACC 405 AAG AAC CAG GTC AGC CTG ACC TGC CTG GTC AAA GGC TTC TAT CCC 450 AGC GAC ATC GCC GTG GAG TGG GAG AGC AAT GGG CAG CCG GAG AAC 495 AAC TAC AAG ACC ACG CCT CCC GTG CTG GAC TCC GAC GGC CCC TTC 540 TTC CTC TAC AGC AAG CTC ACC GTG GAC AAG AGC AGG TGG CAG CAG 595 GGG AAC GTC TTC TCA TGC TCC GTG ATG CAT GAG GCT CTG CAC AAC 630 CAC TAC ACG CAG AAG AGC CTC TCC CTG TCT CCG GGT AAA 669,“863”项目：从正常人脾细胞中用RT-PCR方法得到的人源乙肝病毒表面抗体（抗-HBs）全基因序列,2、核糖体 是rRNA与蛋白质组成的复合物，是蛋白质合成的场所。3、tRNA 既能识别mRNA分子上的遗传密码，又能与相应的氨基酸结合，按mRNA序列的指示，将氨基酸逐个携带进入核糖体，以合成多肽链。,蛋白质生物合成体系由氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP及Mg2+等共同组成。mRNA是蛋白质合成的模板，tRNA在翻译过程中起接合器作用，核糖体是蛋白质生物合成的场所和装配机。参与蛋白质合成的氨基酸在特异的氨基酰tRNA合成酶催化下，与其相应的tRNA结合成氨基酰-tRNA，经核糖体循环合成多肽链。,4、肽链的翻译后加工,多数蛋白质肽链合成后，需要经过一定的加工或修饰，才能成为具有一定构象和功能的蛋白质。加工包括：肽链折叠、二硫键生成、亚基聚合、肽段水解切除以及某些氨基酸残基铡链基团的化学修饰等。,小 结（中心法则）,复 制,DNA,DNA,RNA,Prion,转录,逆转录,翻译,?,?,改 变,构象,复制,RNA,第三章 基因表达的调控,一、基因表达的概念 1.基因表达（gene expression）是指基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。但编码rRNA和tRNA的基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。2.管家基因（housekeeping gene）在生命全过程都必需，且在生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因，较少受环境因素的影响。,第一节 基因表达与调控的概念,3.组成性基因表达（constitutive gene expression）像管家基因这类基因较少受环境因素的影响，在个体各个生长阶段的几乎全部细胞组织中持续表达或变化很小的基因表达方式称为组成性基因表达。4.诱导表达（induction expression）有些基因极易受环境变化影响，在特定环境信号刺激下，其表达表现为开放或增强，这种表达方式称为诱导表达。5.阻遏表达（repression expression）由于环境变化影响，在特定环境信号刺激下，其表达表现为关闭或下降，这种表达方式称为阻遏表达。,诱导和阻遏是同一事物的两种表现方式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。6.协调表达（coordinance expression）在生物体内，各种代谢途径有条不紊地进行，则是在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达，即称为协调表达。这种调节则称为协调调节（coordinance regulation）。二、基因调控的概念 在同一机体的各种细胞内含有相同的遗传信息，即相同的结构基因，它们在各种细胞中并非同时表达，而是根据机体生长、,发育、繁殖的需要，随着环境的变化，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。这就是所谓的调控，即基因表达的调节和控制（regulation and control）。基因表达调控在机体适应环境、维持自身的生长和增殖及维持个体发育与分化等方面均具有重要的生物学意义。整个基因表达的过程分为几个阶段，即基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工等。在上述各个环节中均存在着基因表达调控的控制点。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。,原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，转录环节是最主要的调控位点。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的实质无非是两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。,第二节 原核生物基因表达的调控,一、转录水平的调控,（一）影响转录的因素,二、翻译水平的调控,（二）转录的调控机制,（一）SD序列对翻译的影响,（二）mRNA的稳定性,（三）翻译产物对翻译的调控,（四）小分子RNA的调控作用,原核生物mRNA结构的特点：,（1）原核生物mRNA往往是多顺反子的，即每分子mRNA 带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有 核糖体识别、结合部位。在5端和3端也有非编码 区。,（2）mRNA 5端无帽子结构，3端一般无多聚A尾巴。,（3）mRNA一般没有修饰碱基，即这类mRNA的分子链完 全不被修饰。,原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。,一、转录水平的调控,1.启动子,2.因子,3.阻遏蛋白,4.正调控蛋白,5.倒位蛋白（inversion protein）,（一）影响转录的因素,6.RNA聚合酶抑制物,7.衰减子,（1）启动子决定转录方向及模板链,1.启动子,基因转录时，因子识别并结合-35区，而RNA聚合酶结合于-10区，全酶结合DNA后覆盖的区域是-40+20。开始合成RNA后，RNA聚合酶是沿着信息链的5 3方向移动，只能以信息链的互补链为模板合成RNA。,5TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG3,-35,-10,+1,3 ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC5,AGGUCCACG,RNA 3,转 录,5,RNA聚合酶,因子,（2）启动子决定转录效率,在E.coli启动子中，在-35和-10的两个序列称为一致性序列（consensus sequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：-35：T82G78A65C54A95；-10：T80A95T45A60T96。一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNA）则与上述序列相差较大，这种调控作用与因子的作用有关。识别E.coli启动子中一致性序列的因子主要是70亚单位。启动子序列与上述序列越接近，70与之结合的能力越强。,因子与RNA聚合酶紧密结合，转录启动后，大约合成至8个核苷酸时，因子解离，游离的因子本身并不直接结合特定的DNA。不同的因子可以竞争结合RNA聚合酶。环境变化可诱导产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。,2.因子,sigma,rpoH基因,翻译被阻遏,低温或稳定生长状态,32 减少,70-RNA聚合酶增多,正常基因表达,温度突然升高,阻遏解除,32 浓度大大增加,形成32 RNA聚合酶,合成热休克蛋白,转录mRNA,32控制热休克蛋白基因的表达,热休克蛋白基因的启动子,阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白在一定的条件下与DNA结合。在E.coli中，主要有诱导（induction）和阻遏（repression）两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。,3.阻遏蛋白（repressor）,与负调控相反，当调控蛋白结合于特异DNA序列后促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。E.coli中的一些弱启动子，本身结合RNA聚合酶的作用很弱，对于这些启动子来说，正调控作用是很重要的。（1）CAP蛋白（分解代谢物基因活化蛋白 catabolite gene activator protein）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。CAP结合DNA由cAMP(cyclic APM,环腺苷酸)控制。,4.正调控蛋白,（2）ntrC蛋白,葡萄糖,cAMP,cAMP,cAMP CAP,CAP,DNA,其它糖代谢操纵子,cAMP,CAP,转录,CAPDNA,受体蛋白,5.倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异性的重组酶（site-specific recombination enzyme）。,倒位基因 启动子,阻遏物基因,启动子,H2,H 1,H2,H 1,启动子,启动子,阻遏物蛋白,H2蛋白,阻遏物基因,可倒位区,H 1蛋白,mRNA,ON,ON,ON,ON,ON,OFF,OFF,OFF,mRNA,OFF,7.衰减子 细胞中的mRNA转录和蛋白质翻译合成是偶联在一起的。这一特点使细菌的一些操纵子中的特殊序列可以在转录过程中控制转录水平。这些特殊的序列称为衰减子（attenuator）。又称弱化子。位于上些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的顺序。如色氨酸操纵子中的衰减子位于L基因中。,6.RNA聚合酶抑制物,在氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNA增加，在ATP的存在下，使RNA聚合酶构象改变，活性降低，rRNA和tRNA合成减少或停止。富含氨基酸时则相反。,乳糖操纵子调控的机制,（二）转录的调控机制,在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，E.coli和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是细胞二度生长现象。这种分解代谢产物阻遏有时也称为葡萄糖效应。,在葡萄糖不存在、乳糖存在时，CAP发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。其他几种情况，基因都处于关闭状态。,CAP,CAP结合位点,启动子 操纵基因,结构基因,+葡萄糖+乳糖,+葡萄糖-乳糖,-葡萄糖-乳糖,-葡萄糖+乳糖,开放,关闭,关闭,关闭,转录,mRNA,阻遏物,RNA聚合酶,乳糖操纵子的实际应用,lacZ 基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物-半乳糖苷酶可以将X-gal分解产生显示出蓝色的反应，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有重组DNA的菌落为无色，而含非重组DNA的菌落为蓝色。,1.SD序列（SD sequence）的顺序及位置对翻译的影响 SD序列，在mRNA的翻译起始信号（AUG）前的核糖体结合部位，它是与核糖体16S rRNA 3末端序列互补的核苷酸序列。一般与核糖体结合强的SD序列翻译效率较高。不同的SD序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。SD序列与起始密码子之间的距离，也是影响mRNA翻译效率的重要因素之一。另外，某些蛋白质与SD序列的结合也会影响mRNA与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。,二、翻译水平的调控,（一）SD序列对翻译的影响,在紧靠起始密码子（AUG）的上游有一段约6-8(8-13)个核苷酸的序列5-AGGAGGU-3，是核糖体与mRNA 的结合部位，叫Shine-Dalgarno序列（由澳的这两位科学家发现），简称SD序列（起始翻译作用）。,2.mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 在某些mRNA分子中，核糖体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合。,细菌mRNA通常是不稳定的。mRNA的降解速度是翻译调控的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为mRNA不断合成以及mRNA合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细菌mRNA降解很快。E.coli的许多mRNA在370C时的平均寿命大约为2min，很快被酶解。,（二）mRNA的稳定性,细菌的生理状态和环境因素都会影响mRNA的降解速度。另外，mRNA的一级结构和次级结构对mRNA的稳定性也有很大的影响，一般在其5端和3端的发夹结构可保护其不被外切酶迅速水解。mRNA的5端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。不同操纵子转录出的mRNA分子的平均寿命是不同的，有些mRNA编码的蛋白质是持续存在的,mRNA也较稳定.如:RNase识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使RNA能够被其它RNA酶降解。而这种发夹结构可能是其它RNA酶所不能破坏的。如果这种发夹结构被保护，mRNA的寿命就延长了。,有些mRNA编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生调控作用。1.核糖体蛋白 在细菌中，每个核糖体含有约50种不同的蛋白质，必须以同样的速率合成，而且，合成这些蛋白质的速率是与细胞增殖相适应的。生长条件的改变，可以导致所有核糖体组分的迅速增加或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起着关键作用。2.翻译终止因子RF2调节自身的翻译 RF2识别终止密码UGA和UAA,RF1识别终止密码UAG和UAA。,（三）翻译产物对翻译的调控,1.调整基因表达产物的类型 2.低水平表达基因的控制,（四）小分子RNA的调控作用,主要有两种类型：,低渗,高渗,ompR蛋白,ompF基因,micF基因,ompC基因,启动子,启动子,ON,ON,ON,OFF,OFF,OFF,ompF蛋白,ompC蛋白,ompCmRNA,变构的ompR蛋白,已转录的ompF mRNA,mic mRNA,mic mRNA：mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA）,转录,核糖体,mRNA,核糖体,DNA,protein,阻遏RNA,阻遏RNA,pIN启动转录,pOUT启动转录,pOUT,Tn 10 转位酶mRNA,Tn 10 转位酶mRNA,pIN,第二节 真核生物基因表达的调控,真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。,真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。真核生物基因表达的