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1、 机体能在基因表达过程的任何阶段 进行调节，即可在转录、转录后加工及 翻译阶段进行调节。原核生物的基因组 和染色体结构比较简单，转录和翻译可 在同一时间和位置上发生，基因表达的 调节主要在转录水平上进行。真核生物 由于存在细胞核结构的分化，转录和翻 译过程在时间和空间上被彼此隔开，且 在转录和翻译后还有复杂的加工过程， 因此基因表达在不同水平上都要进行调 节。 Date 1 原核基因表达的调控 一、操纵子 二、乳糖操纵子的表达调控 Date 2 一、操纵子(operon) 细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开
2、认识基因表达调控 分子机理的窗口的。 Date 3 1.操纵子的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖 、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基 中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖 ，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间 的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁 殖增长。 Date 4 Date 5 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 ?半乳糖 苷酶(? -galactosidase)。 Date 6 在环境中没有乳糖或其他? -半乳糖苷时， 大肠杆菌合成? -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖 2-3
3、分钟后，细菌大量合成? -半乳糖苷酶，其 量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时 ，菌体内的? -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白 量的3%。 在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖 前，也能测出细菌中? -半乳糖苷酶活性显著增 高的过程。 Date 7 Date 8 这种典型的诱导现象，是研究基因表达调 控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应 现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗 传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操 纵子（lac operon）学说。 Date 9 据外媒报道，1965年诺贝尔医学或生理学 奖得主之一、法国分子遗传学家弗朗索瓦?雅各 布（Francois
4、 Jacob）于2013年4月19日在法国巴 黎逝世，享年92岁。 雅各布1920年6月17日生于法国东北部城市 南锡，1947年获得巴黎大学医学博士学位。在 他的研究生涯中，雅各布与Jacques Lucien Monod、Andre Lwoff在微生物遗传调控方面做 出了杰出的贡献。最显著的贡献是确立了Jacob -Monod操纵子模型，解释了原核基因调控的原 理。他还研究了作为DNA和核糖体之间媒介， mRNA参与蛋白质合成的作用机制。这些工作 ，让Francois Jacob与Jacques Lucien Monod、 Andre Lwoff分享了1965年诺贝尔医学或生理学 奖。 D
5、ate 10 lCollaboration between mentor and student won a Nobel Prize. It has not been common in the history. Only the lucky ones, who were willing to share the credit and lived long, panned out in the end. That was why I remember this story: lThe teacher-student team: François Jacob (1920-2013),
6、student. Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge. André Lwoff (1902-1994), Jacob's mentor. Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and André Lwoff (1902-1994). Date 11 业内人士评论认为，沃森和克 里克发现了DNA结构，雅各布等人 的工作则揭示了遗传信
7、息如何传递 。 “Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants,“ claimed by Jacques Monod. “大肠杆菌的基因调控的任何发现, 也 适用于大象基因调控。” Date 12 2. 操纵子的基本组成 乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。 下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子 的最基本的组成元件（elem
8、ents）。 Date 13 它由依次排列的调节基因、cAMP受体蛋 白CRP位点、启动子、操纵基因和3个相连 的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。 Date 14 (1) 结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可 称为结构基因(structural gene, SG)。一个 操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达 十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅 读框(open reading frame), 5端有起始密 码ATG，3端有终止密码TAA、TGA或TAG。各 结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基 因群。 Date 15 至少在第一个结构基因5侧具有核糖体 结合位点(riboso
9、me binding site, RBS)， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。 Date 16 乳糖操纵子含有、和3个结构基因。 基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、 分子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成 有活性的-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别 乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄 糖； Date 17 基因长780bp，编码有26
10、0个氨基酸、分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌； 基因长825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。 Date 18 基因5侧具有大肠杆菌核糖体识别结 合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序 列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结 合在转录产生的mRNA上。 由于、三个基因头尾相接，上 一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的 Date 19 翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子（polycistron）mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来
11、而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白质。 Date 20 Date 21 (2) 启动子 启动子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶 识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操 纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5侧上游，控制整个结构基因群的转录。 用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合， 再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解， 由此可以测出启动子的范围及其序列。 Date 22 (3) 操纵区 操纵区（operator）是指能被调控蛋白 特异性结合的一段DNA序列，常
12、与启动子邻近 或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操 纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱 。 Date 23 以前将操纵区称为操纵基因（operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编 码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白 质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作 用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动 子一样，操纵序列就可称为操纵区。operon 译为操纵子，即基因表达操纵的单元之意。 Date 24 以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区 （o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之 间，部分序列与启动子序列重叠。 仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具 有回文（pali
13、ndrome）样的对称性一级结构， 能形成十字形的茎环（stem loop）构造。不 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。 Date 25 阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。 最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的 序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中 Date 26 同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖操纵子中的操纵序列就是典型的例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、
14、阻止或增强、开放，都可称为操纵区。 Date 27 （4） 调节基因 调节基因(regulatory gene)是编码能与 操纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有 ： 阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵 区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其 介导的调控方式为负调控(negative regulation)； Date 28 激活蛋白(activating protein)：与操纵区结合后能增强或起动其调控的基因转录，所介导的调控方式为正调控(positive regulation)。 Date 29 某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调 控蛋白的空间构像发生变化，从
15、而改变其对基 因转录的影响，这些特定物质可称为效应物（ effector）。有两种： 诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分 子； 阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能 导致阻遏发生的分子。 Date 30 例如在乳糖操纵子中，调节基因lac I位 于Plac邻近，有其自身的启动子和终止子，转 录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产 生由347个氨基酸组成的调控蛋白R。 在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分 子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操 纵区紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基 因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白； Date 31 当环境中有足够的乳糖时
16、，乳糖与R结合 ，使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体， 失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解 除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录 合成利用乳糖的酶类。 在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起 到去阻遏作用(derepression)，诱导了利用乳 糖的酶类基因转录开放。 Date 32 许多调控蛋白都是变构蛋白（allosteric protein），通过与上述类似的方式与效应物结合改 变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达 的作用。 Date 33 （5） 终止子 终止子（terminator，T）是给予RNA聚 合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子 中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一 个终止子。 Date 34 它们都在结构基因的附近，只能对同一条 DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗 传学实验上称为顺式作用（cis-action），启 动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件（ cis-acting element）。 调控基因可以在结构基因群附近、也可以 远离结构基因，它是通过其基因产物调控 蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同 一条
