《生物化学》课件：第十三章 基因表达调控
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顺式作用元件
Cis-acting factor
与编码基因位于同一DNA分子 （两侧，非编码序列），影 响自身基因表达活性的DNA序
列
反 式：
相对不同分子或染色体而言
反式作用因子
trans-acting factor
与编码基因位于不同DNA分子 的基因表达的蛋白质，通过与 特异的顺式作用元件相互作用 （DNA结构域和蛋白-蛋白结构 域）反式激活另一基因的转录
特
多个编码基因转录成一个mRNA 分子，翻译成多条多肽链
点
操纵子（operon）模型的普遍性
乳糖（lac）操纵子 色氨酸（trp）操纵子
一、乳糖操纵子
（the lac operon）
（一）乳糖操纵子的结构
CAP 结 I
合位点
P
O ZYA
CAP结 调节 合位点 基因
结合
cAMP
阻遏 蛋白
启动 序列
基因表达↓
二、色氨酸操纵子
（the trp operon）
（一）色氨酸操纵子结构
衰减子
调节基因 操纵基因 前导trp L
吲哚甘油-3-磷酸合成酶
R
PO
启动子
调控区
trp E trp trp C trp B trp A
D 邻氨基苯甲酸合成酶 色氨酸合成酶
结构基因
结构基因
（合成Trp的酶）
trpE，trpD基因编码邻氨基苯甲酸合成酶 trpC基因编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶 trpB，trpA基因编码色氨酸合成酶
5＇ I CCAA PP
P O RNA聚合 Z 酶
YA
3＇
mRN A
葡萄糖浓度高时
cAMP × CA
P百度文库
5＇ I CA P RNA聚合O
Z
YA
3＇
P
酶
CAP的正性调节
缺乏G时 cAMP↑ cAMP与CAP结合增加 CAP与CAP位点结合 RNA-pol活性↑
基因表达↑
G↑或 cAMP↓ cAMP与CAP结合受阻
RNA 聚 合 酶
操纵 序列
结合 阻遏 蛋白
结构基因
乳糖操纵子的结构
结构基因 调控区 调节基因I
Z基因编码β半乳糖苷酶 Y基因编码β半乳糖苷透性酶
A基因编码乙酰基转移酶 操纵序列O：阻遏蛋白结合部位 启动序列P：结合RNA聚合酶
CAP结合位点:cAMP结合位点
编码阻遏蛋白
（二）乳糖操纵子表达的调节
基因表达
生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录，翻 译等系列生化反应的过程，合成特定的蛋白质，进而发
挥特定生物学功能和生物学效应的全过程。
基因表达调控
控制基因表达的调节机制
例如：人类有3万个基因，并非全部表达，大肠杆菌 有5%处于高表达状态，其余为低表达或静止状态
基因表达的多水平调控
转录前水平 转录水平
i po
z
y
a
Lac mRNA
β-半乳糖苷酶 β-半乳糖苷透性酶
诱导物与阻遏蛋白接合 使阻遏蛋白失去活性
乙酰基转移酶
诱导物(异乳糖allolactose ；IPTG) 诱导物结合阻遏蛋白 阻遏蛋白变构 阻遏蛋白与O区解离 RNA聚合酶通过O区 分解乳糖的酶基因表达
本节课的重点
1.掌握以下概念：基因表达、基因表达调 控、正调节、负调节、持家基因、诱导表 达和阻遏表达; 2.掌握乳糖操纵子的结构； 3.掌握乳糖操纵子的阻遏蛋白的负性调节.
启动子、增强子、沉默子
三、基因表达调控的一般特征
时间特异性 （阶段特异性）
胚胎发育不同阶段不同的基因表达（珠蛋白的表达）
空间特异性 （组织特异性）
同一生长阶段，同一基因产物在不同组织 器官表达多少不同（同工酶）
第二节 原核生物基因表达的调控
多水平调控
调
节
多顺反子（polycistronic mRNA）:
翻译水平
调控点
转录后加工
翻译后水平
转录水平的调控是基因表达 的最主要和重要的调控步骤
基因表达调控的分类
基因表达的效果 正调控和负调控
正调节（positive regulation）：
因一种特异性调控元件的存在遗传信息的表达增加
负调节（negative regulation）：
因一种特异性调控元件的存在遗传信息的表达减少
同二聚体有DNA结合 区和cAMP结合位点
乳糖操纵子的结构
CAP 结 I
合位点
P
O ZYA
CAP结 调节 合位点 基因
结合
cAMP
阻遏 蛋白
启动 序列
RNA 聚 合 酶
操纵 序列
结合 阻遏 蛋白
结构基因
葡萄糖浓度低时
cAMP
＋ CA CA CA CA CA PPPPP
CA CA CA CA CA PPPPP
调控区
操纵序列O：阻遏蛋白结合部位
启动序列P：结合RNA聚合酶 调节基因R：编码阻遏蛋白 衰减子（attenuator，a）162bp
（二）色氨酸操纵子转录的调控机制
trp
阻遏蛋白
阻遏蛋白 mRNA
mR
衰减子
NA
前导trp L
R
PO
调节区
Trp mRNA （色氨酸水平低时）
衰减的 mRNA （色氨酸水平高时）
第十五章 基因表达的调控
复制
DN 转录
RN 翻译 蛋白质
A
A
逆转录
翻译
复制
RN
A
蛋白质
控制中心法则各步 进行快慢的调控系统
1961年，Francis Jacob等通过E.coli基因 表达调控研究提出了著名的操纵子学说
第一节
基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
阻遏蛋白的负性调节 无诱导物时
（诱导物：异乳糖）
CAP的正性调节
无葡萄糖时
阻遏蛋白的负性调节
有葡萄 糖
有乳糖
不产生诱导物
调节基因
结构基因
i po mRNA
阻遏蛋白
z
y
a
调节基因表达
阻遏蛋白+O区结合
阻碍P区RNA聚合酶 结合通过O区
lac操纵子受阻遏状态 结构基因不表达
无葡萄 糖
有乳糖
产生诱导物
基因表达的方式
组成性表达
诱导和阻遏表达
（受环境变化影响）
持家基因
诱导表达
阻遏表达
同一事物的两种表达形式（环境）
乳糖操纵子是诱导，阻遏表达的典型模型
某些基因在一个生物体的几乎所 有细胞中以适当恒定的速率进行 表达，较少受环境因素的影响。
例如：为三羧酸循环的酶编码的基因
顺式作用和反式作用
顺 式：
相对同一分子或染色体而言
trp E trp trp C trp B trp A
复习与巩固 上节课的重点内容
1.掌握以下概念：基因表达、基因表达调 控、正调节、负调节、持家基因、诱导表 达和阻遏表达; 2.掌握乳糖操纵子的结构； 3.掌握乳糖操纵子的阻遏蛋白的负性调节.
CAP的正性调节
分解（代谢）基因激活蛋白 （catabolitegene activator protein，CAP）
Cis-acting factor
与编码基因位于同一DNA分子 （两侧，非编码序列），影 响自身基因表达活性的DNA序
列
反 式：
相对不同分子或染色体而言
反式作用因子
trans-acting factor
与编码基因位于不同DNA分子 的基因表达的蛋白质，通过与 特异的顺式作用元件相互作用 （DNA结构域和蛋白-蛋白结构 域）反式激活另一基因的转录
特
多个编码基因转录成一个mRNA 分子，翻译成多条多肽链
点
操纵子（operon）模型的普遍性
乳糖（lac）操纵子 色氨酸（trp）操纵子
一、乳糖操纵子
（the lac operon）
（一）乳糖操纵子的结构
CAP 结 I
合位点
P
O ZYA
CAP结 调节 合位点 基因
结合
cAMP
阻遏 蛋白
启动 序列
基因表达↓
二、色氨酸操纵子
（the trp operon）
（一）色氨酸操纵子结构
衰减子
调节基因 操纵基因 前导trp L
吲哚甘油-3-磷酸合成酶
R
PO
启动子
调控区
trp E trp trp C trp B trp A
D 邻氨基苯甲酸合成酶 色氨酸合成酶
结构基因
结构基因
（合成Trp的酶）
trpE，trpD基因编码邻氨基苯甲酸合成酶 trpC基因编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶 trpB，trpA基因编码色氨酸合成酶
5＇ I CCAA PP
P O RNA聚合 Z 酶
YA
3＇
mRN A
葡萄糖浓度高时
cAMP × CA
P百度文库
5＇ I CA P RNA聚合O
Z
YA
3＇
P
酶
CAP的正性调节
缺乏G时 cAMP↑ cAMP与CAP结合增加 CAP与CAP位点结合 RNA-pol活性↑
基因表达↑
G↑或 cAMP↓ cAMP与CAP结合受阻
RNA 聚 合 酶
操纵 序列
结合 阻遏 蛋白
结构基因
乳糖操纵子的结构
结构基因 调控区 调节基因I
Z基因编码β半乳糖苷酶 Y基因编码β半乳糖苷透性酶
A基因编码乙酰基转移酶 操纵序列O：阻遏蛋白结合部位 启动序列P：结合RNA聚合酶
CAP结合位点:cAMP结合位点
编码阻遏蛋白
（二）乳糖操纵子表达的调节
基因表达
生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录，翻 译等系列生化反应的过程，合成特定的蛋白质，进而发
挥特定生物学功能和生物学效应的全过程。
基因表达调控
控制基因表达的调节机制
例如：人类有3万个基因，并非全部表达，大肠杆菌 有5%处于高表达状态，其余为低表达或静止状态
基因表达的多水平调控
转录前水平 转录水平
i po
z
y
a
Lac mRNA
β-半乳糖苷酶 β-半乳糖苷透性酶
诱导物与阻遏蛋白接合 使阻遏蛋白失去活性
乙酰基转移酶
诱导物(异乳糖allolactose ；IPTG) 诱导物结合阻遏蛋白 阻遏蛋白变构 阻遏蛋白与O区解离 RNA聚合酶通过O区 分解乳糖的酶基因表达
本节课的重点
1.掌握以下概念：基因表达、基因表达调 控、正调节、负调节、持家基因、诱导表 达和阻遏表达; 2.掌握乳糖操纵子的结构； 3.掌握乳糖操纵子的阻遏蛋白的负性调节.
启动子、增强子、沉默子
三、基因表达调控的一般特征
时间特异性 （阶段特异性）
胚胎发育不同阶段不同的基因表达（珠蛋白的表达）
空间特异性 （组织特异性）
同一生长阶段，同一基因产物在不同组织 器官表达多少不同（同工酶）
第二节 原核生物基因表达的调控
多水平调控
调
节
多顺反子（polycistronic mRNA）:
翻译水平
调控点
转录后加工
翻译后水平
转录水平的调控是基因表达 的最主要和重要的调控步骤
基因表达调控的分类
基因表达的效果 正调控和负调控
正调节（positive regulation）：
因一种特异性调控元件的存在遗传信息的表达增加
负调节（negative regulation）：
因一种特异性调控元件的存在遗传信息的表达减少
同二聚体有DNA结合 区和cAMP结合位点
乳糖操纵子的结构
CAP 结 I
合位点
P
O ZYA
CAP结 调节 合位点 基因
结合
cAMP
阻遏 蛋白
启动 序列
RNA 聚 合 酶
操纵 序列
结合 阻遏 蛋白
结构基因
葡萄糖浓度低时
cAMP
＋ CA CA CA CA CA PPPPP
CA CA CA CA CA PPPPP
调控区
操纵序列O：阻遏蛋白结合部位
启动序列P：结合RNA聚合酶 调节基因R：编码阻遏蛋白 衰减子（attenuator，a）162bp
（二）色氨酸操纵子转录的调控机制
trp
阻遏蛋白
阻遏蛋白 mRNA
mR
衰减子
NA
前导trp L
R
PO
调节区
Trp mRNA （色氨酸水平低时）
衰减的 mRNA （色氨酸水平高时）
第十五章 基因表达的调控
复制
DN 转录
RN 翻译 蛋白质
A
A
逆转录
翻译
复制
RN
A
蛋白质
控制中心法则各步 进行快慢的调控系统
1961年，Francis Jacob等通过E.coli基因 表达调控研究提出了著名的操纵子学说
第一节
基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
阻遏蛋白的负性调节 无诱导物时
（诱导物：异乳糖）
CAP的正性调节
无葡萄糖时
阻遏蛋白的负性调节
有葡萄 糖
有乳糖
不产生诱导物
调节基因
结构基因
i po mRNA
阻遏蛋白
z
y
a
调节基因表达
阻遏蛋白+O区结合
阻碍P区RNA聚合酶 结合通过O区
lac操纵子受阻遏状态 结构基因不表达
无葡萄 糖
有乳糖
产生诱导物
基因表达的方式
组成性表达
诱导和阻遏表达
（受环境变化影响）
持家基因
诱导表达
阻遏表达
同一事物的两种表达形式（环境）
乳糖操纵子是诱导，阻遏表达的典型模型
某些基因在一个生物体的几乎所 有细胞中以适当恒定的速率进行 表达，较少受环境因素的影响。
例如：为三羧酸循环的酶编码的基因
顺式作用和反式作用
顺 式：
相对同一分子或染色体而言
trp E trp trp C trp B trp A
复习与巩固 上节课的重点内容
1.掌握以下概念：基因表达、基因表达调 控、正调节、负调节、持家基因、诱导表 达和阻遏表达; 2.掌握乳糖操纵子的结构； 3.掌握乳糖操纵子的阻遏蛋白的负性调节.
CAP的正性调节
分解（代谢）基因激活蛋白 （catabolitegene activator protein，CAP）