第七章 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 tRNAO

9. 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 P

1和 P

2

, 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O

E 和 OI, O

E

在上游，位于 CAP 位点之内 ,O

I

在基因 gal 内部；无论是 O

E 还是O

I

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 P

2

启动S

2

开始转录galE，组成型表达

O

E

和O

I

相互作用，成环，转录只进行20碱基便停止

无Glu 有Gal

无Gal P

1

启动，3个基因转录

P

1

不启动

(2) 阿拉伯糖操纵子