第8章 原核基因的表达与调控

第9章基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式1.本章教学要求一、基因表达调控基本概念与原理1.掌握基因表达及基因组的概念，主要特点及主要表达方式。

2.了解基因表达调控的生物学意义。

3.熟悉基因表达调控的基本要素（原理）。

二、原核基因转录调节1.熟悉原核基因转录调节特点。

2.掌握乳糖操纵子结构，熟悉调节机制（包括阻遏蛋白负性调节、CAP正性调节及协调调节三个概念）。

3.了解其他转录调节机制。

三、真核基因转录调节1.熟悉真核基因组的结构特点及真核基因表达调控特点。

2.掌握以下概念：顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子，熟悉沉默子、基本转录因子、特异转录因子概念。

3.了解转录因子的结构特点。

Chapter 9 Controlling of the Gene Expression(Part One)9.1基因表达调控的基本概念9.2原核基因调控机制9.3乳糖操纵子9.4色氨酸操纵子9.5其他操纵子9.1 基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念•gene expression：是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个过程。

也即基因转录及翻译的过程。

•对这个过程的调节就称为gene regulation。

•rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

二、基因表达的方式(一)组成性表达(constitutive expression)(二)适应性表达(adaptive expression）（一）组成性表达1、概念：又称组成性基因表达(constitutive gene expression)是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。

其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。

这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。

2.特点①不易受环境变化影响,表达产物是整个生命过程中都持续需要的,是细胞存活所必须的。

②表达水平较恒定。

3. 意义维持生命（二）适应性表达1.概念指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

包括：①诱导—随环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；②阻遏--相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。

2.特点易受环境变化影响3.意义适应环境三、基因表达的时间性和空间性1、时间特异性（temporal specificity）•按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。

•多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。

2、空间特异性(spatial specificity)•是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。

故又称为细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity)。

四、基因表达调控的生物学意义•适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）•维持个体发育与分化（真核）五、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控•基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为–转录水平（基因激活及转录起始）–转录后水平（加工及转运）–翻译水平–翻译后水平•但以转录水平的基因表达调控最重要。

（二）基因转录激活调节基本要素1．顺式作用元件（cis-acting element）：又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。

•在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。

•在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）2．反式作用因子（trans-acting factor）•又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。

反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。

•原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；•而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。

3．顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用•大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。

这种结合通常是非共价键结合。

9.2 原核基因调控机制内容提要：•原核基因表达调控环节•操纵子学说•原核基因调控机制的类型与特点•转录水平上调控的其他形式一、原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控（transcriptional regulation）2、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）① mRNA加工成熟水平上的调控②翻译水平上的调控二、操纵子学说1、操纵子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出，获1965年诺贝尔生理学和医学奖2、操纵子的定义操纵子是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。

操纵基因受调节基因产物的控制。

三、原核基因调控机制的类型与特点1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：正转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控成为正转录调控。

负转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为负转录调控。

2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：•可诱导调节（P238）：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。

例：大肠杆菌的乳糖操纵子诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。

•可阻遏调节（P238）：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

即在某些物质的阻遏下使基因关闭。

•例：色氨酸操纵子•合成代谢蛋白的基因酶合成的阻遏操纵子模型3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。

根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：•在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；•在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。

负控诱导•在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；负控诱导负控阻遏•在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。

负控阻遏4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。

根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏•在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；•在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。

正控诱导•在正控诱导系统中，效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态；正控诱导正控阻遏•在正控阻遏系统中，效应物分子(辅阻遏物)的存在使激活蛋白处于非活性状态。

正控阻遏四、转录水平上调控的其他形式1、σ因子的更换在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的 因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。

大肠杆菌中的各种σ因子比较•温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要•枯草芽孢杆菌芽孢形成有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响9.3 乳糖操纵子(lac operon)内容提要：乳糖操纵子的结构酶的诱导¡ª¡ªlac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题一、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构1) 结构基因：分解乳糖的三种酶，使乳糖分解，产生能量。

2) 操纵基因3) 启动子4) CAP5) i基因：上游，产生阻遏物。

结构基因•Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖•Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。

•A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

二、酶的诱导¡ªl a c体系受调控的证据义务诱导物(gratuitous inducer)：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为义务诱导物，如IPTG（异丙基- β–D-硫代半乳糖苷）。

三、乳糖操纵子调控模型主要内容：① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码②这个mRNA分子的启动子紧接着O(operater，操纵基因)区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。

③操纵基因(operater)是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。

④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。

⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。

当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。

（一）阻遏蛋白的负性调节：（分解代谢）——可诱导调控1) 无乳糖存在时，阻遏物可以结合在操纵基因上—→阻止转录过程—→基因关闭2) 有乳糖存在时，乳糖与阻遏物结合—→阻遏物变构—→阻遏物不能结合操纵基因—→转录进行—→基因开放•可诱导调控的操纵子，其基因表达产物都是利用某种营养物的酶体系（分解代谢）有营养物——相应基因开放无营养物——细胞就没必要产生相应的酶（二）CAP的正性调节1．调控机理：代谢物激活蛋白（CAP）/ 环腺甘酸受体蛋白（CRP）•细菌中有一种能与cAMP特异结合的环腺甘酸受体蛋白(cAMP receptor protein,CRP)–当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的；–当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为代谢物激活蛋白(Catabolite Activator Protein, CAP)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。