生物化学基因表达调控

生物化学基因表达调控
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• 相对于管家基因，另外一些基因极易受到外界环 境因素的影响。
• 在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或 增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制 性的表达。因此它们分别称为诱导表达 （induction expression）和阻遏表达 （repression expression）。这些基因分别称 为可诱导（inducible）基因和可阻遏 （repressible）基因。
Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
cAMP-CAP 结合部位
启动子 操纵序列
通透酶
阻阻遏遏蛋基白因
半乳糖苷酶 半乳糖苷转乙酰基酶
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调控序列
结构基因
lacI
Plac lacO lacZ lacY lacA
启 cAMP-CAP 动 结合部位 子
操纵序列
通透酶
阻阻遏遏蛋基白 因
• 转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。
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三、基因表达具有时空特异性
• 空间特异性（即组织特异性）：同一基因 产物在不同的组织器官中的分布是不同的， 某些基因在一种组织中暂不表达或永不表 达，而另外一些基因是相反的情况。
血红蛋白与肌红蛋白 同工酶
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•时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生 长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺 序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和 发育。
它们被称为反式作用因子（trans-acting
factor）。
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第二节 原核生物基因表达调控
Gene ExpressioΒιβλιοθήκη Baidu Regulation for Prokaryotes
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DNA
mRNA
蛋白
原核生物基因组是一个闭合环 状的DNA分子。
原核生物的细胞结构也比较简 单，它的全部物质（DNA， RNA和蛋白质）都包容在细 胞膜内。
• 诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环
境的改变而做出的两种表现形式。
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二、基因表达调控是多层次协调 的复杂过程
• 基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达 调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的 调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻 译水平的调控和翻译后水平的调控。
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一、诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普通方式
• 有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体 中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管 家基因（housekeeping gene）。
• 管家基因的表达只与启动序列（或称为启动子） 和RNA聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他 因素的影响。管家基因的表达方式称为组成性表 达（constitutive expression）。
原核生物基因组的转录和翻译
在同一空间内完成，时间上
转录
的差异不大。在转录过程终
翻译
止之前，mRNA就已经结合
在由rRNA和核蛋白体蛋白
共同构成的核蛋白体上，开
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始了蛋白质的生物合成。
一、 操纵子模型是原核生物基因表 达的基本模式
• 1960年，法国巴黎巴斯德研究所的 F. Jacob 和 J. L. Monod 发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的 培养基中不分泌 b-半乳糖苷酶，只有在只含乳糖 的培养基中才能分泌 b -半乳糖苷酶。分析表明这 是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码 b-半乳 糖苷酶的mRNA的结果。
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根据调节序列与结构基因的相对位置关系， 人们将这些调节序列称为顺式作用元件 （cis-acting element），包括启动子 （promoter）、增强子（enhancer）、沉 默子（silencer）等。
有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元
件结合，共同实现调节基因表达的目的，
血红蛋白亚基的合成量（％）
人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达
a
a
50
40
g
b
30
20
e
10
z
b
g d
6 12 18 24 30 36 胎儿期（周龄） 生物化学基因表达调控
3
6
新生儿期（月龄）
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四、基因表达受顺式作用元件和反 式作用因子共同调节
• 一个基因是否表达和表达多少与调节序列 （regulatory sequence）密切相关。调 节序列位于被调控的结构基因（structural gene）的上游，具有特定的核苷酸序列。
• 1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此 贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。
• 1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分
离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
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乳糖操纵子（Lac operon）的结构
调控序列
结构基因
lacI
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Replication 复制
中心法则
转录
Reverse transcription
逆转录
翻译
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• 基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的 单个遗传物质或整套基因。
• 基因表达：遗传信息经过转录和翻译等一系列过 程，合成特定的RNA和蛋白质，进而发挥其特定 的生物功能的全过程。
• 基因的表达是可调控的：生物体通过特定的蛋白 质-DNA以及蛋白质-蛋白质之间的相互作用来控 制基因表达的过程。其目的是满足自身发育的需 求及适应环境的变化。
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第一节 基因表达调控的基本性质
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
物质代
糖复合物
谢
糖、脂类、蛋白质、
核酸、蛋白质、 酶、维生素
核苷酸代谢； 生物氧化、 代谢的调节
癌基因与 抑癌基因
细胞信号转导 DNA、RNA、蛋白质
血液生化 肝胆生化
生物合成；基因表达调控；
综合篇
基因技术
遗传信息
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基因表达的调控
Regulation of Gene Expression
半乳糖苷酶 半乳糖苷转乙酰基酶
结构基因 lacZ、lacY、lacA: 分别编码 b-半乳
糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基
因呈多顺反子转录。
操纵序列（operator，o）: 阻遏蛋白的结合位
点。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，lac 的转录