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1、第二讲 遗传信息表达的调控基因表达（gene expression） 是指基因组中结构基因经过转录、翻 译等过程，合成蛋白质，进而发挥其 特定的生物学功能的全过程。RNA 的合成 4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 转录单位：结构基因、启动子、终止子 按碱基配对原则, 沿5-3方向 真核生物有三型RNA聚合酶 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 转录后的产物经加工成为成熟的RNA蛋白质的合成 合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核 糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP 、Mg mRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码 子 tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所 和装配机 核糖体循环：起始、
2、肽链延长和终止 翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚 单位的聚合Transcription5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3 coding (= non- template) strand 3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5 template strand5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3 mRNA 基因表达及其调控的特点 管家基因（housekeeping gene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表 达的基因。 组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较少受环境影响，在
3、个体各生长阶段的 几乎全部组织中持续表达或变化很小 。 诱导表达（induction expression）有一些基因表达极易受环境影响，在特 定环境信号刺激下，基因的表达开放 或增强。 阻遏表达（repression expression）在特定环境信号刺激下，基因的表达关 闭或减弱。 时间特异性（temporal specificity）在多细胞生物，从受精卵到组织、器官 形成的各个发育阶段，相应的基因严 格按照一定的时间顺序开启或关闭。 空间特异性（spatial specificity）在个体生长全过程，某基因产物在不同组 织空间顺序出现。 协调表达（coordinated expre
4、ssion）功能相关的一组基因，协调一致，共 同表达。又称协调调节（coordinated regulation）基因表达的调控（gene expression regulation ） 是指各种细胞中相同的遗传信息，有 规律的选择性、程序性、适度的表达 以适应机体生长、发育、繁殖以及环 境变化的需要，发挥其生理功能的调 节和控制。组织特异性表达和时相性 Tissue-specific gene expression multiple organ/tissue pattern (sonic hedgehog gene) Specific tissue, cell lineage or cell
5、 type Individual cells (TCR) Intracellular distribution组织特异性表达和时相性 (Cont) Temporal restriction of gene expression Cell cycle stage Developmental stage Differentiation stage Inducible expression基因表达调控的生理意义 适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化基因表达调控的基本原理 基因表达的多级调控 基因转录激活调节基本因素 特异DNA序列 调节蛋白 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 RNA聚合
6、酶第一节 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 启动子 因子 阻遏蛋白 正调控蛋白 倒位蛋白 RNA聚合酶抑制物 衰减子操纵子（operonoperon）调控区信息区启动子操纵基因启 动 子 决定转录方向及模板链： E. coli的启动子长 约40-60bp，至少包括三个功能区。 起始部位（initiation site） 1 结合部位（binding site） -10bp，RNA聚 合酶与之结合 T80A95T45A60A50T96 识别部位（recognition site） -35bp，因 子与之结合 T82G78A65C54A95因子 不同的因子可以竞争性的
7、结合RNA 聚合酶,环境变化可由到产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。阻遏蛋白（repressor） 与DNA结结合后都是抑制转录转录 ，这这种 基因表达调调控的方式称为负调为负调 控。正调控蛋白 与DNA结结合后促进转录，这这种基因表 达调调控的方式称为为正调控。 CAP蛋白(catabolic gene activator protein ，CAP) 分解代谢谢物基因活化蛋白 ntrC蛋白 是大肠肠杆菌氮代谢谢基因激活蛋 白，其自身活性可通过过ntrB使其磷酸化（ 有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节调节consensusTATA (Pribnow) boxE. coli Promot
8、ers 倒位蛋白（inversion protein） 是一种位点特异的重组组酶。沙门门菌H1和 H2鞭毛蛋白分别别由两个基因编码编码 ，在一 个细细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为为主。衰减子（attenuator） 又称弱化子，位于操纵纵子中第一个结结构基 因之前，是一段能减弱转录转录 作用的序列。RNA聚合酶抑制物 细细菌在缺乏氨基酸的环环境中，RNA 聚合酶活性降低，RNA（ rRNA,tRNA）合成减少或停止 这这种现现象称为严谨为严谨 反应应（stringent response）Positive vs. Negative Regulation Allosteric Effectors
9、Binding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator.（二） 转录的调控机制 乳糖操纵子调控的机制 阿拉伯糖操纵子的调控机制 色氨酸操纵子的调控机制1.乳糖操纵子（lac operon）结构特点 三个结构基因Z、Y、A，分别编码-半乳 糖苷酶(-galactosidase)、透酶(permease) 和半乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase) 其上游还有一个启动子（P）和一个操纵 基因（O） 启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点Organizat
10、ion of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiationRegulation of Gene ExpressionIPTG also inducesSplitslactoselactose transport?（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖cAMPAMPACAdenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of LacAdenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (cAMP) from ATPHig
11、h glucose adenylate cyclase is inhibited (indirectly, via a catabolic product) Therefore cAMP levels are LOW Absence of glucose adenylate cyclase is NOT repressed Therefore cAMP levels are HIGHcAMP forms a complex with the CAP protein, which allows it to then bind to the CAP site upstream of the Lac
12、 operon. Binding of the CAP protein is required to allow RNA polymerase to bind to the lac promoter and turn on transcription. In the absence of CAP binding, there is no (or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose.glucoseCAP Binding Bends DNAvThis DNA bendin
13、g results in more efficient RNA polymerase bindingCAP mediates glucose repression of LacPromotes transcription调控机制 I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与 操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶 作用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转 变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因 解聚，结构基因转录。Lactose Glucose - +- -+ -+ +LacICAP-cAMPFour States of the
14、Lac Operon2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）结构特点 结构基因 B、A、D，分别编码异构酶（ isomerase）、激酶（kinase）、表位酶 （epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖 调控区 由启动子（P）、起始区（I）和 操纵基因（O）构成CAP调控机制 C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC， AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和 araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC 蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。 在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。The Arabinose Operon This loop preve
15、nts RNA transcription (NOT true for all loops)No Arabinose present, operon OFFArabinose present, Glucose absent, operon ON调控作用 有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放3.色氨酸操纵子（trp operon）结构特点 E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E 、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸， 上游调控区由启动子（P）和操纵基因（ O）组成 R基因编码阻遏蛋白Genomic Organization of t
16、he Trp Operon 调控机制 阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结 构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L 基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相 邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻 译的偶联是产生衰减的基础。调控作用 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身 合成。Control of Gene Expression in the Trp Operon1) The enzyme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by Trp (feedback control).2) In the presence of Trp, a repressor protein binds to an oper
