第七章 基因的表达与调控(上)
基因的表达与调控(1)
三、基因表达的规律 ——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity）
7.2.2 lac Operon的模型及其影响因子
调节基因
操纵位点
ß-半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 乙酰基转移酶
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。
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)
在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的 空间特异性。
2. 真核生物的调节蛋白
反式作用因子
能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的
一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。(trans-acting factor) 按其功能不同，常有以下三类：
基本转录因子 转录调节因子 共调节因子
（1） 基本转录因子（TF）
是指能够在启动子部位与核心序列TATA盒和RNA PolⅡ 结合，形成转录前起始复合物（PIC）的一类调节蛋白，以起 动转录。
❖ 可诱导负控制系统 ❖ 可诱导正控制系统 ❖ 可阻遏负控制系统 ❖ 可阻遏正控制系统
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
基因的表达与调控技术优秀课件
细菌质粒pUC18
1．该质粒比较小，可以插入一段较长的DNA片段。 2．进入宿主细菌细胞后，pUC18在每个细胞中可复制
形成大约500个拷贝。 3．在pUC18中有一小段人为设计和插入的具有多种限
➢ DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突 变。在一个基因内发生的点突变通常有两种情况： 一是一种碱基或核苷酸被另一种碱基或核苷酸所替 换；二是一个碱基的插入和缺失
点突变——替换 ➢ 一种碱基被另一种替换
点突变——替换 同义突变：不改变相应的氨基酸序列（密码子的简并性）
错义突变：改变了氨基酸序列
重组DNA技术，又称为基因或分子克隆技术， 是基因工程的核心技术。该技术包括了一系列 的分子生物学操作步骤。
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 重组DNA操作一般步骤：
（1）获得目的基因； （2）重组DNA分子的构建； （3）转化或转染； （4）对转化子筛选和鉴定； （5）特定遗传性状的表达。
➢ 获得需要的目的基因常用的方法：
➢ 由于环境因素，或遗传因素，或环境与遗传因素 的相互作用等，都可能导致基因突变的发生，也 可能导致基因表达调控的失常。其结果便造成了 某些与基因相关的人类疾病的发生。
➢ 从分子水平来解释某些与基因表达相关的人类重 大疾病为基因诊断和治疗提供了依据。
癌症
➢ 癌症和心血管疾病成为威胁人类健康的两大恶魔。 ➢ 癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病，其根源是体细
• 染色体数目的变异 –整倍体变异：多倍体，单倍体 –非整倍体变异：三体，缺体
• 染色体结构的变异 –缺失（deletion） –重复（duplication） –易位（translocation） –倒位（invertion）
基因的表达和调控PPT讲稿
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白
阻遏蛋白
正转录调控
负转录调控
正转录调控 如果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 正转录调控。
✓ 在正控诱导系统中，诱导 物的存在使激活蛋白处于活 性状态，转录进行。
✓ 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，转录不进行。
• 当基因转录使转录产物（RNA）到
不同长度时，核糖体会在对应的 DNA位置上；此时RNA可以形成 某种形式的二级结构；由此决定延 伸复合物的结合能力，从而决定基 因能否继续转录。
细菌的应急反应
• 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－
－氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难 关，细菌会产生一个应急反应－－停止包括生 产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部 生物化学反应过程。
时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的。
即通过调节mRNA的合成来实现的
✓ 一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因
表达，常常是每世代每个细胞合成1～2个mRNA分 子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实 际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。
5．1 原核基因表达调控总论
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸
(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两 种物质的诱导物是空载tRNA。
• 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基
酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转 移酶，使ppGpp大量合成。
• ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧
• 在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻
第7章原核生物基因表达的调控
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。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
7 基因的表达调控ppt课件
• 基因表达=基因转录+翻译 • 基因表达的调控:
生物体随时调整不同基因的表达状态,以适 应环境、维持生长和发育需要
.
1
基因的表达调控包括
• 转录前基因水平的调控 • 转录水平的调控 • 转录后水平的调控 • 翻译水平的调控 • 翻译后蛋白质的加工
.
2
基因表达的调控方式 阻遏
– 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达 1012个核糖体
– 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因 拷贝数异常增加
③ 基因重排(gene rearrangement)：
– 如免疫球蛋白基因重排，多样性
.
4
.
5
.
6
（一） 转录前基因水平的调控
④ DNA甲基化(DNA methylation)：
• 染色质重塑的基本生化特点是染色质的一定区域 对核酸酶敏感性的改变。对应的物理改变是核小 体的位置和状态的改变。
• 表观遗传现象之一。
.
11
含有甲基化CpG DNA结合功能
DNA甲基化与染色质重建 域的MeCP2在远离转录装置和
RNA多聚酶的位置与裸露DNA
中已甲基化的顺序结合。
非特异 性与5-
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)
.
3
一、真核生物基因表达的调控
（一） 转录前基因水平的调控
① 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育 所必需的全部基因
② 基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝 数
第章基因表达和调控ppt课件
广泛表达
弱化子attenuator
▪ 大肠杆菌的色氨酸支配子 ▪ 在trp mRNA 5’端trp E基因的起始密码子
前有一个长162bp的DNA序列称为前导区， 其中第123~150位核苷酸假设缺失，trp基 因的表达程度可提高6倍
▪ 当mRNA开场所成后，除非培育基中完全不
含有色氨酸，否那么转录总是在这个区域 终止
原核生物：支配子 真核生物：“同表达基因群〞 (synexpression group)，时间和空间上
2. 转录后的调控
▪ (1) 转录后RNA的切割调控 ▪ (2) mRNA的修饰和加工 ▪ ① 选择性剪接或可变剪接 ▪ ② 甲基化：6-甲基腺嘌呤(6mA)，
5′Apm6ApC3′和 5′Gpm6ApC3′
一、调控元件
▪ 1. 启动子 ▪ 上游(Upstream)：基因转录起点前面即5’
端的序列
▪ 下游(Downstream)：基因转录起点后面即
3‘端的序列，把起点的位置记为+1
▪ 启动子区：RNA聚合酶同启动子结合的区
域
原核生物启动子
▪ Pribnow box (-10 sequence)：
原核基因转录起始点的上游10碱基处(-10bp) 的序列，其根本构造是TATAATG
eukaryotes
DNA sequences involved in the control of transcription: enhancer
eukaryotes
eukaryotes
Structure of the enhancer of SV40
眼特异加强子 肠特异加强子
广泛加强子
只在眼 中表达
▪ ③ RNA编辑 ▪ 翻译扩增Translational amplification：在转录
分子生物学07
(2) DNA顺序重复
轻度、中度、高度重复序列三种：
轻度重复序列：单拷贝基因；一个基因组中有一个或几个拷贝 的序列；例如结构基因基本上属于不重复序列，如蛋清蛋白、 蚕的丝心蛋白等。
中度重复序列：l0个至几百个拷贝的序列;各种rRNA、tRNA及 某些结构蛋白基因（如组蛋白基因）。
高度重复序列：从几百到几百万个，通常说的卫星DNA就属于 高度重复序列。
顺式作用元件：是指那些与结构基因表达调控
相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合 的特异DNA序列。包括启动子、上游启动子元 件、增强子、加尾信号和一些反应元件等。
反式作用因子：是指真核细胞内含有的大量可 以通过直接或间接结合顺式作用元件而调节基 因转录活性的蛋白质因子。
增强子：位于真核基因中远离转录起始点，能 明显增强启动子转录效率的特殊DNA序列。它 可位于被增强的转录基因的上游或下游，也可 相距靶基因较远。
从不连续基因到成熟mRNA之间存在着一个基因转录的中间体,叫做初级 转录物，叫做不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA), 这个 基因的初级转录物既含有外显子又含有内合子序列，
从不均一核RNA到成熟mRNA要经过一转录后的加工拼接过程。
真核生物基因的不连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又 一重要特征。
5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的，基因的5' 端和3' 端往往富含甲 基化位点，而启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密 切相关。对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失去转录活性。 当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可以恢复其 转录活性。若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动子仍无转录活性。 因为甲基化对转录的抑制强度与MeCPl（methyl CpG-binding protein l）结 合DNA的能力成正相关，甲基化CpG的密度和启动子强度之间的平衡决定 了该启动子是否具有转录活性。
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；
第七章、原核生物基因表达调控
本章重点：操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点：弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
1
第一节、原核生物基因表达调控总论
原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻 莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有根据 环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代 谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存 和繁衍。原核生物中，营养状况和环境因素对 基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤 其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是 基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素 的影响力大为下降。
16
17
3．调节基因（阻遏基因I）和操纵基因（操纵区O）的发现 （1）已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久（组成） 型突变体，为分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。 （2）I+→ I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达，所以I基因（阻遏基因I）被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac被抑制。 （3）遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间，所以，lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一 个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为 操纵基因。
【教学】第七章 真核生物基因的表达调控
一、基因丢失（Gene loss）
在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因 而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆 虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢 失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖 细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。 例如：在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高
编辑ppt
2、组蛋白和核小体对基因转录的影响
组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。组蛋 白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组 蛋白基因又能够恢复转录;
核小体结构影响基因转录，转录活跃的区域也 常缺乏核小体的结构。
编辑ppt
第三节 转录水平的基因表达调控
（ Transcriptional Regulation ）
翻译水平的调控 Translational Regulation
蛋白质加工水平的调控 Protein maturation and Processing
编辑ppt
第二节 DNA水平的基因表达调控
（Gene Regulation at DNA level）
❖基因丢失 ❖基因扩增 ❖基因重排 ❖DNA甲基化状态与调控 ❖染色体结构与调控
⑥ 许多增强子还受外部信号的调控， 如：金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强 子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。
编辑ppt
增强子的作用原理是什么呢？
增强子可能有如下3种作用 机制：
① 影响模板附近的DNA双螺 旋结构，导致DNA双螺旋弯 折或在反式因子的参与下， 以蛋白质之间的相互作用为 媒介形成增强子与启动子之 间“成环”连接，活化基因 转
1、根据基因表达调控的性质可分为两大类：
第一类是瞬时调控或称为可逆调控，它相当于原 核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控 包括某种底物或激素水平升降，及细胞周期不同 阶段中酶活性和浓度的调节。
第七章第六节
(B) 转录延长调节
(C) 转录激活调节
(D) 翻译水平调节
(E) 转录／翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CAP-cAMP (E)异构乳糖 9、与O序列结合 A
10、与P序列结合 B 11、 与CAP结合 C 12、与CAP位点结合
D
13、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在
GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专
一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸
时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖 体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达， 抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。
3、简述Trp操纵子的调控机制。
名词解释： 操纵子、基因表达与基因调控、组成型表达与适应型表达、弱化 子（衰减子）、结构基因与调节基因
RNA(mRNA—interfering complementary RNA，
micRNA)。
☆ 基因调控不只是通过蛋白与核酸的相互作用而实 现
四、 反义RNA的调节作用
• 反义RNA主要通过以下三种方式调控翻译： • 1、反义RNA与mRNA上核糖体结合位点结合，使核糖体 脱落，使得翻译不能起始。 • 2、反义RNA可与目的基因的5 ’UTR或翻译起始区的 Shine-Dalgarno序列结合，使mRNA不能与核糖体有效 地结合，从而阻止蛋白质的合成。 • 3、反义RNA也可与mRNA结合，形成双螺旋结构，由于 所形成的双螺旋结构成为内切酶的特异底物，使与其 结合的RNA变得不稳定。
第六节
分子生物学基础第七章真核基因表达的调控第三节真核基因表达转录水平的调控
第七章 真核基因表达的调控
第三节 真核基因表达转录水平的调控
一、真核基因转录与染色质结构变化的关系 DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质， 染色质的结构影响转录，至少有以下现象： 1．染色质结构影响基因转录 在真核细胞中以核小体为基本单位的染色质是真核基 因组DNA的主要存在方式。DNA盘绕组蛋白核心形成核小体， 妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠近和结合，使基因的 活性受到抑制。 2．组蛋白的作用 组蛋白H1及核心组蛋白共同参与核小体的组装与凝聚。 在特殊氨基酸残基上的乙酰化、甲基化或磷酸化等修饰， 可改变蛋白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，从而 调节基因的活性。
第三节 真核基因表达转录水平的调控
图7-6 碱性螺旋-环-螺旋结构图
第三节 真核基因表达转录水平的调控
螺旋-转角-螺旋结构域是最早发现于原核生物中的一个关键因子， 该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。 其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列 相识别的氨基酸。其结构如图7-3所示。
图7-3 螺旋-转角-螺旋结构及其与 DNA的结合
第三节 真核基因表达转录水平的调控
2．增强子 增强子是指能使基因转录频率明显增加的DNA序列。增强子的作 用有以下特点。 ①增强效应十分明显。一般能使基因转录频率增加10~200倍，有 的可以增加上千倍， ②增强效应与其位置和取向无关。 ③大多为重复序列。 ④增强效应有严密的组织和细胞特异性。说明只有特定的蛋白质 （转录因子）参与才能发挥其功能。 ⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。 ⑥许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区 上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。 ⑦增强子要有启动子才能控
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——原核基因表达调控模式1．本章教学目的要求：介绍原核调控的特点及多种原核调控的系统。
2．教学内容及要求：要求掌握乳糖操纵子与负控诱导系统和色氨酸操纵子与负控阻遏系统；理解转录后调控；了解其他调控。
3．重点、难点：乳糖操纵子与负控诱导系统和色氨酸操纵子与负控阻遏系统。
4．教学方法教学手段说明：课件讲授。
5.授课学时：6学时1.基因表达的概念及意义基因表达 (gene expression) 是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的物质如蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。
注意：由rRNA 和 tRNA 编码基因转录生成 RNA 的过程也属于基因表达，也就是说并非所有基因的表达过程都会产生蛋白质。
其生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育与分化。
2. 基因表达的时间特异性和空间特异性(1) 基因表达的时间特异性 (temporal specificity) 是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。
(2) 基因表达的空间特异性 (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。
3.基因表达的方式。
(1) 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，一般只受启动序列或启动子与RNA 聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节。
这类基因通常被称为管家基因 (housekeeping gene) 。
(2) 诱导和阻遏表达：区别于组成型基因表达，诱导和阻遏表达极易受环境变化影响。
诱导 (induction) 表达是指在特定环境因素剌激下，基因被激活，从而使基因的表达卢物增加。
这类基因称为可诱导基因。
阻遏 (repression) 表达是指在特定环境因素剌激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
这类基因称为可阻遏基因。
4. 基因表达调控的概念及基本原理基因表达调控 (gemregulation 或 gene control): 指相同的结构基因并非在各种细胞中同时表达，而是根据机体生长、发育、繁殖的需要，随着环境的变化，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能，这个调节的过程称之为基图表达调控。
（1）基因表达是多级水平上进行的复杂事件，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）, 翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。
(2) 基因转录激活调节基本要素：①顺式作用无件 (cis-acting element): 又称分子内作用无件，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。
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无件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。
③顺式作用无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无件，而与 DNA 分子结合。
这种结合通常是非共价键结合。
5. 原核基因调控机制的类型和特点原核生物的基因调特主要发生在转录水平上，其调控机制可以分为负调控和正调控。
在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(moressor) 阻止结构基因转录，其作用部位是操纵区，它与操纵区结合，转录受阻。
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator), 激活蛋白结合与 DNA 的启动子及 RNA 聚合酶后，转录才会进行。
原核基因转录调节的特点主要为：①σ因子决定 RNA 聚合酶识别特异性；②操纵子模型的普遍性；③阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。
6.弱化子基因活性的影晌弱化子是指当操纵子被阻遏 ,RNA合成被终止时；起终止转录信号作用的那一段核苷酸。
弱化子对基因活性的影响是通过影响前导序列 mRNA 的结构而起在用的，起调节作用的是某种氨基酸 -tRNA 的浓度。
如在色氨酸操纵子中就是色氨酸 -tRNA 的浓度。
7. 降解物对基因活性的调节使基因由原来的低水平表达变成高水平表达，就是降解物抑制作用的调节，这是一种通过提高转录强度来调节基因表达的积极方式，如葡萄糖效应。
8. 细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸的全面匮乏，为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应，停止包括生产各种 RNA 、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸 (ppGpp) 和鸟苷五磷酸 (pppGpp) 。
产生这两种物质的诱导物是空载 tRNAO9. 乳糖操纵子原核生物乳糖操纵子 (Lac operon) 的控制区包括调节基因，启动基因（其 CRP 结合位点位于 RNA 聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由ρ一半乳糖苷酶基因 (lacZ), 通透酶基因 (lacY) 和乙酸化酶基因 (lacA) 串联在一起构成。
当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时，乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白与操纵基因分离；另一方面，细胞中 CAMP 浓度升高 ,CAMP 与 CRP 结合并使之激活 ,CRP 与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶与启动基因结合，基因转录激活。
10. 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 (trp operon) 属于阻遏型操纵子，主要调控主一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。
色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。
而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。
色氨酸操纵子的调控还涉及转录弱化(attenuation) 机制。
即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一弱化区域，当细胞内色氨酸浓度很高时，通过与转录相祸联的翻译过程，形成一个弱化子结构，使 RNA 聚合酶从 DNA 上脱落，导致转录终止。
弱化作用要具备三个重要的条件：①是前导顺序中要有相应氨基酸的密码子；②要具有四组配对区；③转录和翻译必须藕联。
真核生物的转录和翻译是分别在核和随质中进行，不能藕联，所以也不存在这种形式的调节。
11. 其他操纵子(1) 半乳糖操纵子结构特点是：①它有两个启动子 P1和 P2, 其 mRNA 可从两个不同的起始点开始转录；②它有两个操纵基因OE 和 OI, OE在上游，位于 CAP 位点之内 ,OI在基因 gal 内部；无论是 OE 还是OI离启动子都有一段距离，不直接毗邻。
调节机制如表 6.1 所示：表 6.1 条件表达有Glu 有Gal无Gal P2启动S2开始转录galE，组成型表达OE和OI相互作用，成环，转录只进行20碱基便停止无Glu 有Gal无Gal P1启动，3个基因转录P1不启动(2) 阿拉伯糖操纵子是指令合成糖分解代谢所需酶系的操纵子，它具有正、负调节的功能。
阿拉伯糖的代谢是由 araB、araA 和 araD 基因所编码的三种酶的催化的。
其特点是：① AraC 蛋白是双功能的，单纯的 C 蛋白结于 ara01(-100~-144), 起到阻遏的作用；当 C 蛋白和诱导物 Ara 结合形成的复合体是 GIld, 即诱导型的 C 蛋白，它结合于 araI 区 (-40~-78) 使 RNA Poi 结合于PBAD 位点（十 140), 转录 B、A、D 三个基因；② C 蛋白结合 ara01 时也反馈性地阻遏了其本身的表达；③ C 蛋白的两种状态 (GIld 和 Crep) 功能不同，结合的位点也不同 Cind 结合于 araI；Crep可结合于 ara01 和 ara02;④ ara 操纵子的 C 蛋白还可以调节分散的基因 araE 和 F, 因此此转录单位也称调节子(regulon)；⑤本操纵子有两个启动子 Pc 和 PBAD, 可以双向转录；⑥ Pc 启动子和 araO1 重叠。
调节机制如表 6.2 所示：表 6.2条件表达有 Ara有Glu, 无CAPl无G1u, 有CAP araC 本底转录→少量C rep结合O1→阻止转录Ara + C → Cind → araI → araPBAD 的转录无Ara C repC rep过量→结合 01 阻遏 araPc 或结合01 和 02 成环，阻遏PC或 PBAD12. 原核生物转录的整体调控模式由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。
通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若于蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。
典型的整体调控模式嘉SOS 反应，这是由一组与 DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。
在正常情况下，这些基因均被 LexA 阻遏蛋白封闭。
当有紫外线照射时，细菌体内的 RecA 蛋白水解酶被激活，催化 LexA 阻遏蛋白裂解失活，从而导致与 DNA 损伤修复有关的基因表达。
13. 原核生物的转录后调控基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式一一既然是用不着某种蛋白质，其 mRNA 由于用不着就不必转录。
但转录生成 mRNA 以后，再在翻译或翻译后水平进行“微调”, 是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。
(1) 翻译起始的调控：主要受到 SD 序列的顺序和位置的影响。
SD 序列位于起始密码子 AUG 上游 8~13 个密码子，是核糖体与mRNA 直接识别和结合位点，并从其后的 AUG 开始翻译。
SD 序列与 AUG 之间的距离，是影响 mRNA 翻译效率的重要因素之一 ,SD 与 AUG 之间相距一般以 4~10 个核苷酸为佳 ,9 个核苷酸最佳。
有些 mRNA 分子的SD 序列有时会隐蔽在 mRNA 的二级结构中，不能与核糖体结合，只有将茎环结构打开，蛋白质翻译才能起始，这也构成翻译水平上的调控途径之一。
(2) 稀有密码子对翻译的影响：细胞内对应于稀有密码子的 tRNA 较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。
(3) 重叠基因 (overlapping gene) 对翻译的影响：重叠基因是指同一段 DNA 的编码顺序由于阅读框架的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的基因。
由于基因间存在着部分密码子或密码子的部分重叠，保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制，而这种藕联翻译又是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。