第5章基因表达调控

（三）原核操纵子受到阻遏蛋白的负性调节
原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参 与的开、关调节机制。 当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时， 就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。
二、操纵子调控模式 1、乳糖操纵子调控的机制
⑴乳糖操纵子的结构：Z、Y、A三个结构基因， 逆流而上依次为：操纵基因(O)、启动子(P)、
2、色氨酸操纵子的调控机制
⑴色氨酸操纵子的结构
⑵色氨酸操纵子的调控机制
①阻遏蛋白的调控作用
调节区
I P O
结构基因
前导肽 衰减子 mRNA
trp 低时
trp 高时
trp
色氨酸 操纵子
②衰减子的调控作用
L基因的3′端有一个衰减子序列。前导序列转
录的mRNA具有如下特性及功能：
1）内含4段特殊的短序列
①阻遏蛋白与操纵基因解离
②CAP与CAP结合位点结合
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因 DNA mRNA 阻遏蛋白
I
pol P
O
Z
Y
A
没有乳糖存在时
DNA mRNA
IHale Waihona Puke Baidu
pol
P
O
Z
Y
A
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP
P
O
Z
Y
基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细
胞内所存在的转录调节蛋白有关。
（一）特异DNA序列决定基因的转录活性
（二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter) 其他调节序列 编码序列
操纵序列 (operator) 特异DNA序列
启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列 pol
⑵乳糖操纵子的转录调控机制
通过负调控因子和正调控因子所进行的复合 调控。阻遏蛋白与操纵基因结合，防碍RNApol与 P结合形成开放性启动子复合物，阻止基因转录； CAP与CAP结合位点结合促进RNApol与P结合， 引起有效转录。 乳糖操纵子结构基因转录需具备两个条件：
第五章基因表达调控
Regulation of Gene Expression
第一节 基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
一、基因表达
基因组(genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。 基因表达(gene expression) 是基因转录及翻译的过程，即：生成具 有生物学功能产物的过程。 基因表达是受调控的。
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
（一）时间特异性
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(temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段
特异性(stage specificity)。
（二）空间特异性
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
合能力。
2、操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
3、其他调节序列、调节蛋白
例如：
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的
CAP结合位点和调节基因，O与P有一定程度重
叠。
乳糖操纵子的结构
调控区 DNA 结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
启动序列
CAP结合位点
操纵序列 ——阻遏蛋白的结合位点
当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 RNA 聚合酶与启动序列的结合，或是 RNA 聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
前导序列：在trp mRNA5′端trpE基因的起始密码 前一个长162bp的mRNA片段。 Trp操纵子的前导肽：由前导序列翻译产生的一个 含有14个AA的多肽。其中有两个相邻的色氨酸。
转录衰减机制:
新生肽链 核糖体
5’ 1 2
衰减子结构 (attenuator)
3
4
mRNA
UUUU 3’
DNA
生物体所处的内、外环境是在不断变化 的。通过一定的程序调控基因的表达，可使 生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好 地适应环境，维持其生长和增殖。
（二）以维持细胞分化与个体发育
在多细胞个体生长、发育的不同阶段，
或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白
质分子分布、种类和含量存在很大差异，这
些差异是调节细胞表型的关键。
mRNA
DNA A mRNA
图13-2 顺式作用元件
转录起始点
RNA聚合酶Ⅱ
B
不同真核生物的顺式作用元件中也会发
现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒
等，这些共有序列是 RNA聚合酶或特异
转录因子的结合位点。
2、真核基因的调节蛋白 反式作用因子(trans-acting factor)
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通 过与另一基因的特异的顺式作用元件相 互作用，调节其表达。这种调节作用称 为反式作用。 还有蛋白质因子可特异识别、结合自身 基因的调节序列 ， 调节自身基因的表达， 称顺式作用。
DNA
a A
反式调节
b
mRNA 蛋白质A
A c
DNA mRNA
C
顺式调节
C
图13-3 反式与顺式作用蛋白
蛋白质C
（三）转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质 相互作用对转录起始进行调节
指的是反式作用因子与顺式作用元件之间
的特异识别及结合。通常是非共价结合，
被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不
完全对称结构。
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过 蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体 (dimer)或多聚体(polymer)。
（四）RNA聚合酶与基因的启动序列/ 启动子相结合
1、原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。 2、调节蛋白与RNA聚合酶活性 一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激
DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的
结合，增强RNA聚合酶活性。 有些基因在没有激活蛋白存在时， RNA 聚 合酶很少或完全不能结合启动序列。
真核生物
1、顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列
转录起始点
DNA B A
RNA聚合酶Ⅱ
编码序列
蛋白质因子
1、启动序列
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。
-10区
N17 N16 N17 N16 TTAACT TATGAT TATGTT TATAAT N7 N7 N6 N7 RNA转录起始 A A A A
-35区 trp
tRNATyr TTGACA TTTACA TTTACA TTGATA
下表达，然后通过 DNA- 蛋白质、蛋白质 - 蛋
白质相互作用影响RNA聚合酶活性。
第三节 原核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始。
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序 列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活， 决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。
trp 密码子
1、当色氨酸浓度高时
核糖体
5’
1
2
3 4
2、当色氨酸浓度低时
细菌通过衰减作用弥补阻遏作用的不足，因为
阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的
转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。
阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化
作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多
少。
在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物 体内周密的调控作用。
空间特异性(spatial specificity)。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布 差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性 (cell or tissue specificity)。
三、基因表达的方式及调节存在很大差异
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： 基本（或组成性）表达 诱导或阻遏表达
（二）有些基因的表达受到环境 变化的诱导和阻遏
在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基 因(inducible gene)。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基 因是可阻遏基因 (repressible gene) 。可阻遏 基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression)。
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能
发挥作用；
※ 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序 列结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有 葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时 , 细菌首先利用葡 萄糖。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 （catabolic repression）。
lac recA
Ara BAD
CTGACG
TTGACA
N16
TACTGT
TATAAT
N6
A
共有序列
图13-1 五种E.coli启动序列的共有序列
共有序列(consensus sequence) 决定启动序 列的转录活性大小。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶 对一个或一套启动序列的特异性识别和结
（一）基本（或组成性）表达
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 (housekeeping gene)。 无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，而是在个体各个生长阶段 的大多数或几乎全部组织中持续表达， 或变化很小。区别于其他基因，这类基 因表达被视为组成性基因表达 (constitutive gene expression)。
在一定机制控制下，功能上相关的一组基 因，无论其为何种表达方式，均需协调一
致、共同表达，即为协调表达 (coordinate
expression) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节 (coordinate regulation)。
四、基因表达调控为生物体生长、
发育所必需
（一）以适应环境、维持生长和增殖
2）序列①是一个开放阅读框：转录后立即翻译成
14氨基酸的短肽称作前导肽，前导肽第10，11位是
两个连续的色氨酸。
衰减子与前导肽
现象： 在色氨酸高浓度和低浓度时观察到 trp 操纵子的表达水平相差约600倍，而阻 遏作用仅使转录降低70倍。 阻遏物(阻遏蛋白）失活突变并不能完 消除色氨酸对trp操纵子表达的影响。 发现：仔细研究发现这种调控现象与色氨 酸操纵子特殊的结构有关。可能存在其 它调控机制。 （1）阻遏作用只是一个一级开关，主管 转录是否启动。 （2）另一个系统进行细调控并决定已经 启动的转录是否继续下去（衰减作用）。
三、原核生物的转录终止调节机制
（一）不依赖Rho因子的转录终止
终止子结构特点： 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸； 下游含一系列T序列。
（二）依赖Rho因子的转录终止
常见于噬菌体中，结构特点不清楚。
四、转录后水平上的调控
1、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）： mRNA链上起始密码子AUG上游的一段 非翻译区。在RBS中有SD序列，该序列 与核糖体16SrRNA的3’端互补配对，促 使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的 起始。
（二）操纵子模型的普遍性
原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇
地串联、密集于染色体上，共同组成一个转录
单位──操纵子（operon）。一个操纵子只含一 个启动序列（ promoter ）及数个可转录的编码 基因。通常，这些编码基因可转录出多顺反子 mRNA 。原核基因的协调表达就是通过调控单
个启动基因的活性来完成的。
第二节
基因表达调控的基本原理
Basic Principles of Gene Expression Regulation
一、基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多级调控 基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
二、基因转录激活受到转录调节蛋白 与启动子相互作用的调节