十三章基因表达调控.doc

第十三章 基因表达调控
【大纲要求】
一、 掌握
1．基因表达的概念；
2．基因表达的方式；
3．原核生物操纵子调控模式。
二、了解
1．基因表达调控的基本原理；
2．真核生物基因表达调控 。
【重点及难点提要】
一、 重点难点
1．重点：乳糖操纵子基本结构及其在原核生物转录水平调控中的作用；真核生物基因组结构特点、参与转录水平调控的重要成分及其作用。
2．难点：原核生物阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节及其相互协调；真核生物顺式作用元件与反式作用因子的相互识别与作用。
二、 教学内容概要
基因表达就是指基因转录及翻译的过程，基因表达均表现为严格的规律性，即时间、空间特异性，其特异性由特异基因的启动序列和增强子与调节蛋白相互作用决定。某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，称为管家基因，管家基因表达方式称基本的或组成性基因表达；另有一些基因表达很易受环境变化影响，有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达产物增加，这种基因表达方式称为诱导；有些基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏。原核生物、单细胞生物调节基因的表达是为适应营养环境变化，维持生长和细胞分裂，而多细胞生物调节基因的表达除为适应环境，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件，其中转录起始是基因表达的基本控制点。基因转录激活调节基本要素涉及DNA序列、调节蛋白以及这些因素对RNA聚合酶活性的影响。除了转录起始水平的调节，其他水平如基因激活、转录后加工、翻译及翻译后加工对原核及真核生物的基因表达均有调节作用。
大多数原核基因调控是通过操纵子机制实现的。E.coli操纵子含Z、Y及A三个结构基因，还有包括一个阻遏蛋白结合位点O序列、一个启动序列P在内的调控区以及一个调节基因I。I基因与lac操纵区相邻，编码一种lac阻遏蛋白，阻遏蛋白、分解代谢物基因激活蛋白（CAP）与调控区结合位点的结合调节着操纵子基因的转录。
真核基因转录激活受顺式作用元件与反式作用因子相互作用调节。真核基因顺式作用元件按功能特性分为启动子、增强子及沉默子，真核基因启动子就是决定RNA聚合酶转录起始位点的DNA序列，增强子是远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列。反式作用蛋白就是指转录调节因子（或转录因子，TF），可分为基本转录因子和特异转录因子，基本转录因子是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA（tRNA、mRNA及rRNA）转录的类别，特异转录因子通过结合它的调节序列激活或阻遏特异基因的转录。所有基因的转录调节都涉及包括RNA聚合酶在内的转录起始复合物的形成。
【自测题】
一、选择题
【A型题】
1．操纵子学说的创立者是
A．Watson & Crick B．Nirenberg C．Krebs
D．Jacob & Monod E．Hens Kebs & Kurt Henseleit
2．诱导乳糖操纵子转录的诱导剂是
A．乳糖 B．葡萄糖 C．阿拉伯糖 D．半乳糖 E．AMP
3．在乳糖操纵子的表达中，半乳糖的作用是
A．作为辅阻遏物结合了阻遏物 B．作为阻遏物结合了操纵区 C．引物
D．使阻遏物变构而失去结合DNA的能力 E．该操纵子结构基因的产物
4．cAMP在转录的调控元件中作用是
A．cAMP转变为CAP
B．CAP转变为cAMP
C．cAMP—CAP形成复合物
D．葡萄糖分解活跃，使cAMP增加，促进乳糖利用来扩充能源
E．cAMP是激素作用的第二信使，与转录无关
5．原核生物转录起始前—10区的核苷酸序列称为
A．TATA盒 B．CAAT盒 C．增强子 D．Pribnow盒 E．调节子
6．与DNA结合并阻止转录进行的蛋白质称为
A．正调控蛋白 B．反式作用因子 C．诱导物 D．分解代谢物基因活化蛋白 E．阻遏物
7．下列哪些不是操纵子的组成部分
A．结构基因 B．启动子 C．阻遏物 D．Pribnow盒 E．操纵基因
8．转录因子（TF）
A．是原核生物RNA聚合酶的组分
B．是真核生物RNA聚合酶的组分
C．有α、β、γ三个亚单位
D．是转录调控中的反式作用因子
E．是真核生物的启动子
9．转录前起始复合物是指
A．RNA聚合酶与TATAAT序列结合
B．RNA聚合酶与TATA序列结合
C．σ因子与RNA聚合酶结合
D．阻遏物变构后脱离操纵基因的复合物
E．各种转录因子互相结合后再与RNA聚合酶、DNA模板结合
10．关于锌指的叙述正确的是
A．凡含Zn2+的蛋白质均可形成
B．凡含Zn2+的酶皆可形成
C．必须有Zn2+和半胱氨酸或组氨酸形成配价键
D．DNA与Zn2+结合就可形成
E．含有很多半胱氨酸通过二硫键形成
11．致癌病毒
A．使人体直接生癌
B．含有转化酶
C．遗传信息都贮存在DNA上
D．可以将正常细胞转化为癌细胞
E．用RNA作模板直接合成RNA
12．AATAAA序列是
A．原核生物的启动子
B．真核生物的启动子
C．真核生物mRNA加尾修饰点
D．原核生物的转录终止信号
E．真核生物的外显子、内含子交界序列
13．基因表达过程中仅在原核生物中出现而真核生物没有的是
A．tRNA的稀有碱基 B．σ因子 C．冈崎片段 D．DNA连接酶 E．AUG用作起始密码子
14．与RNA聚合酶结合，启动转录的是
A．操纵基因 B．调节基因 C．启动基因 D．结构基因 E．以上都不是
15．以乳糖代替葡萄糖培养细菌时可引起
A．诱导 B．阻遏 C．两者都是 D．两者都不是 E．衰减
16．顺式作用元件是指
A．基因的5’侧翼序列
B．具有转录调节功能的特异RNA序列
C．基因的5’、 3’ 侧翼序列
D．具有转录调节功能的特异蛋白质序列
E．位于基因侧翼具有转录调节功能的特异DNA序列
17．基因表达调控的主要环节是
A．基因活化 B．转录起始 C．转录后加工 D．翻译起始 E．翻译后加工
18．lac操纵子阻遏蛋白结合乳糖操纵子的是
A．P序列 B．O序列 C．CAP结合位点 D．Z基因 E．A基因
19．基本转录因子中直接识别结合TATA盒的是：
A．TFⅡA B． TFⅡB C．TFⅡD D．TFⅡE E．TFⅡF
20．构成最简单启动子常见功能组件是
A．TATA盒 B．CAAT盒 C．GC盒 D．上游调控序列 E．Pribnow盒
【X型题】
1．属于基因表达最终产物的是
A．tRNA B．mRNA C．rRNA D．蛋白质 E．以上都不是
2．cAMP对转录的调控包括
A．cAMP与分解代谢物基因活化蛋白结合
B．cAMP—CAP复合物结合在启动子前方
C．葡萄糖充足时，cAMP水平不高
D．葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖
E．葡萄糖和乳糖并存时，细菌对两种糖都利用
3．操纵子的启动序列
A．位于转录起始点上游－10及－35区域的共有序列
B．－10区域即Pribnow盒
C．－10区域是TATAAT序列
D．有保守序列，与RNA聚合酶结合牢固
E．－35区域通常是TTGACA序列
4．操纵子
A．只在真核生物中存在
B．启动序列是操纵子的成分
C．是经常处于关闭状态的
D．含有结构基因
E．阻遏物是操纵子的成分
5．真核生物调控转录的顺式作用元件包括
A．TATA盒 B．CCAAT盒 C．Pribnow盒 D．GC盒 E．酵母的上游活化序列
6．顺式作用元件
A．是DNA上的序列 B．又称为分子内作用元件 C．多数和RNA聚合酶直接结合
D．增强子不是顺式作用元件 E．以上说法均正确
7．上游活化序列
A．是一种顺式作用元件 B．又称TATA盒 C．发现于酵母
D．属于转录因子中的一种 E．又称Pribnow盒
8．原核生物与真核生物转录调控有如下区别
A．原核生物有启动子，真核生物没有
B．两者的RNA聚合酶完全不同
C．两者都以正调控方式为主
D．两者都以负调控方式为主
E．在真核生物中已发现很多蛋白质因子是参与转录调控的
9．不参与真核生物转录调控的蛋白质有
A．氨基酰-tRNA合成酶 B．转肽酶 C．DNA连接酶 D．TFⅡ E．SSB
10．基因表达调控的意义
A．适应环境，维持生存 B．调节细胞发育、分化，调节组织、器官形成
C．维持生长、分裂 D．维持个体生长、发育 E．以上均不是
11．下面关于启动子的描述正确的是
A．作为转录模板转录成RNA B．是DNA上的专一碱基顺序
C．属于反式作用因子 D．作为转录酶的结合位点 E．具有多聚U尾巴和回文结构
12．下列属于反式作用因子的DNA结合结构域模式有
A．锌指结构 B．富含脯氨酸结构域
C．酸性α-螺旋结构域 D．碱性α-螺旋结构域 E．碱性亮氨酸拉链

13．真核基因结构特点是
A．基因组结构庞大 B．基因不连续性
C．单顺反子 D．含重复序列普遍 E．一个启动基因后接有几个编码基因
二、填空题
1．启动子是结合______的DNA序列，操纵基因是结合______的部位。
2．乳糖操纵子和色氨酸操纵子的共同特点以______调控方式为主。
3．______是惟一能与DNA特异位点即TATA盒结合的转录因子。
4．反式作用因子包括三个功能域：______、______和结合其它蛋白质的结合域。
三、名词解释题

8

1．操纵子
2．顺式作用元件
3．基因表达
4．反式作用因子
5．阻遏
6．增强子
7．组成性基因表达

四、论述题
叙述乳糖（lac）操纵子的组成、功能及其调控机制。
【参考答案】
一、选择题
【A型题】
1．D 2．D 3．D 4．C 5．D 6．E 7．C 8．D 9．E 10．C 11．D 12．C 13．B 14．C 15．A 16．E 17．B 18．B 19．C 20．A
【X型题】
1．ACD 2．ABC 3．ABCDE 4．BCD 5．ABDE 6．AB 7．AC 8．BE 9．ABCE 10．ABCD 11．BD 12．ADE 13．ABCD
【解析】
【A型题】
5．D。 TATA盒与CAAT盒是典型的真核生物启动子中的一致性序列，TATA盒也称Hogness盒。增强子是真核生物中具有增强基因转录的DNA序列，原核生物转录起始前有两个一致性序列：－10区域即Pribnow盒，是TATAAT序列，－35区域通常是TTGACA序列。
7．C。原核生物几个功能相关的结构基因连同其上游的调控成分，称为一个操纵子。典型的操纵子由：结构基因、启动子（启动序列）、操纵序列及调节基因组成。因此A、B、E是对的。答案D是－10区一致性序列，由Pribnow首先发现，因此而得名。阻遏物是启动子组成中的调节基因的表达产物，也称阻遏蛋白。
10．C。 转录因子与DNA结合的部位称为DNA结合域。最常见的DNA结合域结构形式是锌指结构。特点是：DNA结合域中含有较多的Cys和His，借肽链的弯曲使2个Cys和2个His或4个Cys与一个锌离子络合成指状结构。具有锌指结构的反式作用因子，都含有几个相同的指结构。每个锌指结构的指尖部分可进入DNA双螺旋的大沟或小沟，与DNA结合。
16．E。 顺式作用元件是具有转录调节功能的特异DNA序列，按功能特性，真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子等。在大多数真核生物具有转录调节功能的特异DNA序列，几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列。
19．C。反式作用因子又称转录调节因子，按功能可分为两类：一类是基本转录因子，是RNA－pol结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）转录的类别，在基本转录因子中，只有TFⅡD是惟一具有位点特异的DNA结合能力的因子。另一类是特异转录因子，是个别基因转录所必需的，决定该基因的时间、空间特异性表达。分为转录激活因子（通常是一些增强子结合蛋白）和转录抑制因子（多数是沉默子结合蛋白）。各种特异转录因子在不同的组织或细胞中分布不一，所以基因表达状态、方式不同。
【X型题】
11．BD。真核基因顺式作用元件分为启动子、增强子及沉默子等。启动子是RNA－pol结合位点周围的转录调控组件。启动子包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件。机能组件中包括TATA盒，它控制转录起始的准确性及频率。除TATA盒外，GC盒和CAAT盒也是很多基因常见的。
二、填空题
1．RNA聚合酶；阻遏物
2．负
3．TFⅡD
4．DNA结合域；转录激活域
三、名词解释题
1．原核生物几个功能相关的结构基因连同其上游的调控成分，称为一个操纵子，是原核生物转录单位。
2．真核生物中可影响自身基因表达活性的DNA序列，称为顺式作用元件，按功能特性分为启动子、增强子和沉默子等。
3．基因表达包括转录和翻译过程，就是指DNA携带的遗传信息通过转录传递给RNA，mRNA通过翻译将基因的遗传信息在细胞内合成具有生物学功能的各种蛋白质的过程。rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。
4．由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用（DNA－蛋白质相互作用），调节其表达，这种蛋白质因子称为反式作用因子。
5．如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因，可阻遏基因表达产物水平降低的过程，称为阻遏(repression)。
6．远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列称为增强子。
7．某些基因产物，在生命全过程中都是必需的或必不可少的，其表达在几乎所有细胞中都持续表达或变化很小，这类基因表达被称为组成性基因表达。
四、论述题
1．操纵子：几个功能相关的结构基因连同其上游的调控成分，称为一个操纵子，是原核生物转录单位。
2．lac操纵子调控机制：
（1） 组成及功能
① 结构基因（S）：有三个，分别为Z、Y、A，为利用lac的三种酶（β－半乳糖苷酶、通透酶、乙酰基转移酶）编码。
②启动子（P）：由转录起始点、识别部位、结合部位组成，是RNA－pol与DNA结合的位点。
③操纵序列（O）：位于结构基因与启动子之间，阻遏蛋白（物）可与操纵序列结合，此处是控制基因转录的“闸门”。
④调控基因（I）：此基因可表达，其产物是阻遏蛋白。
⑤CAP结合位点：CAP（分解代谢物基因激活蛋白）分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当CAP与cAMP结合后，通过分子内DNA结合区与基因的CAP结合位点结合，使转录活性提高50倍。
（2） 调控机制
阻遏蛋白的负调控：
a．当无乳糖存在时，调控基因表达生成阻遏蛋白，并与O序列结合，阻碍RNA-pol与P序列结合，操纵子处于关闭状态。
b．当有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导而开放。有乳糖时，乳糖经通透酶催化，进入细胞，由原存在于细胞中的少数β-半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。半乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合，使蛋白质构象改变，而与O序列解离，基因开放。
CAP的正性调节：
阻遏蛋白的负调控解释了单一因素变化时，操纵子的调控机制。但细菌的生长环境是复杂的，当G与lac并存时，细菌首选G作为能源，而不是lac。其机理是：当有G存在时，细胞内cAMP浓度低（因G代谢产物能抑制细胞内腺苷酸环化酶和激活磷酸二酯酶，结果细胞内cAMP生成减少，分解加快，水平降低），CAP与cAMP结合受阻，影响CAP与DNA上CAP结合位点的结合，使lac操纵子表达下降。当没有G时，cAMP水平较高，cAMP与CAP结合，并与启动子附近的CAP位点结合，刺激RNA转录活性，使之提高50倍。
协调调节：
在lac操纵子中，lac启动子是弱启动子，RNA-pol与之结合的能力很弱，只有当CAP结合到启动子上游的CAP位点后，促进RNA-pol与启动子结合，才能有效转录。lac操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控机制，根据存在的碳源性质，及cAMP的水平协调调节lac操纵子的表达。
（王宏兰 李珅）