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1、第四章第四章 基因表达的调控基因表达的调控 基因表达主要包括（基因）转录和（蛋基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译使信息分子白质）翻译使信息分子DNADNA转变成有功能蛋白转变成有功能蛋白质的过程，这一过程在体内受到精密的调控，质的过程，这一过程在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调控称为基因表以保证功能的有序性。这一调控称为基因表达的调控，简称基因调控。达的调控，简称基因调控。 基因表达过程分为基因活化、转录、转基因表达过程分为基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工等阶段。在上录后加工、翻译、翻译后加工等阶段。在上述各环节都存在基因表达调控的控制点。述各环节都存在基因
2、表达调控的控制点。基因表达调控基因表达调控 基因表达及其调控的特点w组成性基因表达组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。乎全部组织中持续表达或变化很小。w管家基因管家基因（housekeeping gene）在一个在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。基因。 诱导表达诱导表达（induction expression）有一些基有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号因表达
3、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。刺激下，基因的表达开放或增强。w阻遏表达阻遏表达（repression expression）在特定环在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。w协调表达协调表达:在生物体内在生物体内,各种代谢途径有条不各种代谢途径有条不紊地进行紊地进行,这是在一定机制控制下这是在一定机制控制下,功能相关功能相关的一组基因的一组基因,协调一致协调一致,共同表达。共同表达。 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化维持个体发育与分化基因表达调
4、控的环节：基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工翻译后加工 第一节第一节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节原核生物基因多以操纵子形式存在。操纵子原核生物基因多以操纵子形式存在。操纵子由调控区和信息区组成。上游调控区包括启由调控区和信息区组成。上游调控区包括启动子与操纵元件二部分。启动子是同动子与操纵元件二部分。启动子是同RNARNA聚聚合酶结合并启动转录的特异性合酶结合并启动转录的特异性DNADNA序列，操序列，操纵元件是特异的阻遏物结合区。纵
5、元件是特异的阻遏物结合区。 影响原核生物转录的因素影响原核生物转录的因素 1 1、启动子、启动子 2 2、因子的种类与浓度因子的种类与浓度 3 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 4 4、正调控蛋白、正调控蛋白 5 5、倒位蛋白通过、倒位蛋白通过DNADNA重组倒位而调节基因表达重组倒位而调节基因表达 6 6、衰减子、衰减子 7 7、RNARNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 1 1、启动子、启动子 促进促进DNADNA转录的转录的DNADNA顺序，是顺序，是DNADNA分子上可与分子上可与RNA polRNA pol结结合并使之转录的部位。又称启动基因，但启动子本身不被合并使之转录的部位。又称启动基因，但启动
6、子本身不被转录。转录。 如如E.coliE.coli启动子全长约启动子全长约404060bp60bp，3 3个功能部位，个功能部位，2 2个个重要功能：重要功能：（1 1）起始部位：）起始部位： 转录合成的第一个互补碱基对，用转录合成的第一个互补碱基对，用+1+1表表示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有O O的位置。的位置。（2 2）结合部位：）结合部位： RNA pol RNA pol 与启动子结合位置，位于与启动子结合位置，位于- -10bp10bp，同源性强，又称，同源性强，又称TATA boxTATA box或或pribnowpribno
7、w盒。盒。（3 3）识别部位：）识别部位： 位于位于-35bp-35bp，RNApolRNApol识别启动子部位，识别启动子部位，保守性极强。保守性极强。 （1 1）决定转录方向及那一条）决定转录方向及那一条DNADNA链作模板。链作模板。（以信息（以信息链的互补链作模板，转录链的互补链作模板，转录mRNAmRNA与信息链一致）与信息链一致）（2 2）决定转录效率。）决定转录效率。 E.coliE.coli启动子，在启动子，在-35-35、1010的的两个区序列称为一致性序列。通过比较大量的两个区序列称为一致性序列。通过比较大量的E.coliE.coli启动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率
8、为启动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率为-35-35区：区：TGACATGACA；-10-10区：区：TATAATTATAAT。如果某一个启动子与上述序。如果某一个启动子与上述序列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。启动子功能：启动子功能：原核生物转录起始区的一致性序列原核生物转录起始区的一致性序列 2、 因子的种类与浓度因子的种类与浓度不同的因子不同的因子可以竞争性的结合可以竞争性的结合RNARNA聚合酶聚合酶, ,环境变化可环境变化可产生特定的产生特定的因子，从而打开一套特定的基因。因子，从而打开一套特定的基因。通过对通过对大肠杆菌基因组序列分
9、析后，发现存在大肠杆菌基因组序列分析后，发现存在6种种因子，并因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。因子705438322824编码基因rpoDrpoNrpoHrpoSrpoFrpoE主要功能参与碳代谢过程基因的调控参与多数氮源利用基因的调控参与分裂间期特异基因表达调控热体克基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控过渡热休克基因的表达调控 3、阻遏蛋白、阻遏蛋白阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用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。根据其作用特征可分为的蛋白质。根据其作用特征可分为负控诱导负控诱导和和负
10、控阻遏负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，导物）结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用部位是操纵区。作用部位是操纵区。 4、正调控蛋白、正调控蛋白正调控蛋白结合于特异正调控蛋白结合于特异DNA序列后，具有促进基因的转序列后，具有促进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。根据正调控录，这种基因表达调控的方式称为正调控。根据正调控蛋白的作用性质分为蛋白的作用性质分为正控诱导
11、系统正控诱导系统和和正控阻遏系统正控阻遏系统。在。在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使正调正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使正调控蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子控蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。的存在使激活蛋白处于非活性状态。 5 5、倒位蛋白通过、倒位蛋白通过DNADNA重组倒位而调节基因表达重组倒位而调节基因表达倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。 6、衰减子、衰减子衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱
12、转录作用的序列。如色氨酸基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。如色氨酸操纵子序列内含有一段衰减子序列操纵子序列内含有一段衰减子序列.7、RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物细菌在缺乏氨基酸的环境中，细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNARNA聚合酶活性降低，聚合酶活性降低，RNARNA（rRNA,tRNArRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为）合成减少或停止，这种现象称为严谨反严谨反应应。机制：当氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的。机制：当氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的tRNAtRNA增增加，在加，在ATPATP存在下，产生存在下，产生pppGpppppGpp和和ppGppppGpp，后者与，后
13、者与RNARNA聚合聚合酶结合形成复合物，进而使酶结合形成复合物，进而使RNARNA聚合酶构象变化，活性降聚合酶构象变化，活性降低。低。 二、转录的调控机制二、转录的调控机制在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控的。比较典型的是一些糖代谢有关的操纵子。复合调控的。比较典型的是一些糖代谢有关的操纵子。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 操纵子模型的提出操纵子模型的提出 莫洛莫洛(Monod)(Monod)和雅各布
14、和雅各布(Jacob)(Jacob) 获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖 （1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌中普遍存在。 在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后23分钟，一半乳糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量的510%。 (一半乳糖苷酶水解乳糖半乳糖+葡萄糖 2个单糖)。 若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年代乳糖操纵子模型提出1966年分离得到该操纵子的阻遏蛋白1975年乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。1.1.
15、乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子） （2）乳糖操纵子（Lactose operon ，Lac operon）结构示意图CAPCAMPIPOZYA结构基因区（信息区）RNA pol调控区调控区 I-调节基因P-启动子O-操纵基因（OP有一定的重叠）CAP结合位点结构基因Z-半乳糖苷酶基因（ -galactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（ -galotoside porinerase）A-硫代半乳糖转乙酰基酶（trans acetylase）（3 3）调控机理）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调
16、控，即正、和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。负调控。CAP（正控）（正控）:通过通过结合到启动子上游结合到启动子上游CAP结合位点，促进结合位点，促进RNApol与与P的结合，才能有效的转录，原因是：的结合，才能有效的转录，原因是：Lacp是弱启动子，与一致序列的差异极大是弱启动子，与一致序列的差异极大，CAP位点结合位点结合cAMP-CAP复合物后，复合物后，改变了改变了RNApol空间结构空间结构,增强增强了了RNApol与与P的结合的结合的牢固性。所以的牢固性。所以CAP是是Lacoperon的正控因子。的正控因子。阻遏蛋白（负控）阻遏蛋白（负控）调节基因调节基因I（除（除Lacoperon用用I外，其余均用外，其余均用R）产生的阻遏蛋）产生的阻遏蛋白结合到操纵基因白结合到操纵基因O上，由于上，由于启动子启动子p与操纵基因有一定的重叠，与操纵基因有一定的重叠，妨碍妨碍RNApol与与P的结合，的结合，就抑制了结构基因的转录，诱导物（或就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物）可以去阻遏，实现对基因的转录，这是称效应物）可以去阻遏，实现对基因的转录，这是Lacoperon的的负
