基因表达调控
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糖酵解
cAMP
腺 苷 酸 环 化 酶
某些代谢物
抑制
ATP
低乳糖、低葡萄糖 高乳糖、低葡萄糖
低乳糖、高葡萄糖
高乳糖、高葡萄糖
（四）乳糖操纵子的协调调节
低乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖)、低葡萄糖
I
CRP site
P
O Z Y A
CRP
cAMP
高乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖) 、低葡萄糖
基因激活
转录起始 转录后加工及降解
翻译后加工修饰和降解 蛋白质降解
多 级 水 平 上 的 调 控
（二）基因转录激活调节基本要素
1 特异的DNA序列
原核生物：启动序列、操纵序列、调节序列
-35区 -10区 转录起始
真核生物：
B A
RNA聚合酶 转录起始
顺式作用元件
2 调节蛋白
原 核 生 物
特异因子
※ 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。
三、其他转录调节机制
转录衰减 色氨酸操纵子
衰减子
I P 0
前导区
结构基因
1.色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化分枝酸转变为色氨酸 的酶
• 特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
mRNA
翻译
Protein
基因表达调控
基因表达在一定的调节机制控制下进行，生
物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环
境、维持正常新陈代谢。
紫外光照射
DNA损伤
光修复酶基因
光修复酶
二、基因表达的时间性和空间性
（一）时间特异性 在生物体不同的功能阶段，根据功能的需要， 相应基因严格按一定的时间顺序开启或关。
蛋白质-蛋白质相互作用
P
一、原核基因转录调节特点
（一） 因子决定RNA聚合酶识别特异性
（二）操纵子模型的普遍性
调控序列 A 结构基因 B C
1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Jacob and Monod
（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
调控序列
结构基因
环境信号
诱导
阻遏
表达增强 协调表达
表达减弱
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
外环境不断变化
机体相应的适应性反应 生物体适应变化着的环境、维持正常生长
（二）维持个体发育与分化
生长发育的不同阶段、不同组织器官蛋白质种 类和含量不同。
五、基因表达调控的基本原理
（一）基因表达的多级调控
弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列 （123-150区）。
123~150
前导区
P 1 0 2 3 4
UUUU
2
trp
3
3
4
前导区
P 0
1
2 3
UUUU 4
mRNA
衰减子
trp trp
前导区
P 0
1
2
3
4
mRNA
trp
弱化机制
※ Trp操纵子是一种阻遏型操纵子。阻遏蛋白有两种 分子构象。
※第一结构基因和启动子之间有一个衰减子区域。
※ 衰减子由序列1、2、3、4组成。序列1中有两个色 氨酸分子。序列3和序列4可形成不依赖rho因子的终 止结构---衰减子。 ※ 转录衰减是转录过程与前导肽翻译过程的偶联。
细菌通过弱化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，
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
阻遏物
活化的 阻遏蛋白
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)
色氨酸水平高时
I
P
0
色氨酸水平低时
I
P
0
3.转录衰减机制
前导区
I P 0
反式作用因子 E S P
2 转录因子结构 转 DNA结合域 录 亮氨酸拉链 因 与其他转录因子结合功能域 子 酸性激活域 转录激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
螺旋-转折-螺旋 锌指
对各种转录因子DNA结合功能域的研究发现一些带共性的结构，主要
(1)HTH结构： 至少含两段а螺旋,螺旋之间 由短侧链氨基 酸残基形成转 折,即螺旋-转 折-螺旋结构 （helix-turnhelix） 。
CAP 启动序列 RNA聚合酶
操纵区
转录起始
激活蛋白
阻遏蛋白
特异因子 决定RNA聚合酶对启动区的识别和结合力 阻遏蛋白 与操纵区结合，阻遏基因转录
激活蛋白 促进RNA聚合酶与启动区结合，增强酶活性
真 核 生 物
转录因子
反式作用
P
3 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用
反式作用因子
P
顺式作用元件
3．沉默子： 能够对基因转录起阻遏作用的DNA 片段，属于负性调控元件。
增强子 沉默子 顺式作用元件 启动子
（二）反式作用因子： 指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子.真核 生物反式作用因子通常属于转录因子
1 转录因子分类 基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质 因子。 特异转录因子：为个别基因所必需，决定该基因的时间、空 间特异性表达。
ACGG NNNNNNN CCGT TGCC NNNNNNN GGCA
（四）基因不连续性
基 因 启动子 终止子
转录区
初级RNA转录本
ATG
TAA 3’
5’
外显子
内含子
内含子的特点
不同基因所含内含子数目不同 不同来源内含子分子大小不同 内含子长度常常大于外显子
进化过程中，内含子碱基序列变化显著
内含子的普遍性：大部分真核基因都含有内含子
第五章
DNA 复制
RNA 转录
基 因 表 达
机体如何控制遗 传信息的传递过 程、有何规律。
蛋白质 翻译
一、基因表达
基因组
生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。 绝大部分生物体基因组:双链DNA 病毒基因组:双链或单链DNA或RNA。
不同生物基因组所含基因数目不同。
基因表达
DNA 转录 RNA 转录
(2) 操纵基因在启动子内
(3) 有衰减子(attenuator)/弱化子
(4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被
前导序列(Leader)所隔开
2.trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
蛋白 TrpR(无活性)
(2)锌指结构： 见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸或
(3)亮氨酸拉链结构： 见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有
转录活化功能域：是反式作用因子的结构基础，具 有促进转录的作用
• 酸性激活结构域：富含酸性氨基酸。 • 富含谷氨酰胺结构域 • 富含脯氨酸结构域
发育调控的复杂多基因家族:基因按发育的次序排列在基因家族中。
二、真核基因表达调控的特点:
能在特定时间和特定的细胞中,激活特定的基因,从而 实现预定的、有序的、不可逆转的分化、发育过程， 并使生物的组织和器官保持正常的功能。 瞬时调控—对环境变化作出的反应，包括某种底物或 发育调控—是真核基因调控的精髓部分，它决定真核
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。它通过前导肽的
翻译来控制转录的进行，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。
第三节 真核基因表达与调控
真核生物中基因 表达调控的机制 较原核生物复杂 得多，许多细节 还未弄清楚。
4.3
蛋白质磷酸化来控制基因表达， 参与细胞分裂的调控--细胞分裂和癌变
诱导物
I
CRP site
P
O Z Y A
高葡萄糖、低乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖) 阻遏蛋白
I
P
O
Z Y A
高葡萄糖、高乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖)
I
CRP P
O
Z
Y
A
※ 当阻遏蛋白封闭转录时，CRP对该系统 不能发挥作用；
※ 如无CRP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。
三、真核基因转录调控的元件
（一）顺式作用元件：指存在于DNA分子上的一些与基 1．启动子： 存在于结构基因上游，与基因转录启动有关的一段
2．增强子： 位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段 DNA 增强子是另一类顺式作用的DNA片段，可使基因转录的速 ①增强效应十分明显，转录活性提高10-200倍; ②在转录起始点5’或3’侧均能起作用; ③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关（3000bp）; ④对异源性启动子也能发挥作用; ⑤通常具有一些短的（50bp左右）重复顺序（核心序列：
A
B
C
二、乳糖操纵子调节机制
（一）乳糖操纵子的结构
操纵子
I
CRP P O
Z
调控区
Y 结构基因
X
P：启动序列
O：操纵序列
I：调节序列
（二）阻遏蛋白的负性调节
I
CRP
P
O
Z
Y
X
I
诱导物
CRP
P
O
Z
Y
X
I
CRP
P
O
Z
Y
X
（三）乳糖操纵子正性调节
I
CRP site P
O
Z Y A
CRP
cAMP
葡萄糖
基因表达上的主要异同
相似 相异
1.真核生物染色质的状态对基因表达的调控 2.以positive control为主 3.甲基化m5C、磷酸化、乙酰化与基因表达的相关 4.转录后多种方式的加工调节 5.个体发育的阶段调控
以转录水平调控为主
一、真核基因组结构特点
（一）真核基因组结构庞大 哺乳动物基因组DNA：3109 bp
内含子的相对性
（五）基因家族
• 基因家族：真核细胞中许多相关的基因常 按功能成套组合，被称为基因家族。 • 简单多基因家族 • 复杂多基因家族 • 发育调控的复杂多基因家族
简单多基因家族：基因一般以串联方式相连，组成一个转录单位。
复杂多基因家族:
一般由几个相关基因构成，基因之间由间隔序 列隔开，每个基因作为独立的转录单位。
结构基因：6%
重复基因（rRNA）：5%---10%
其它：80%---90%
（二）单顺反子
真核基因的转录产物一般是单顺 反子（mono-cistron），即一个 编码基因转录生成一个mRNA分子， 并指导翻译一条多肽链。
（三）重复序列
高度重复顺序(数百万次)
中重复顺序(10-10000)
低重复(几个)或单拷贝顺序。
A B
（二）空间特异性 生物体中，各种基因在不同的组织、器官中 表达的差异性。
A
B
C
三、基因表达的方式
（一）组成பைடு நூலகம்表达
管家基因
无时间和空间特异性，几乎在生命的全过程和生 物体的所有细胞中持续表达。
（二）诱导和阻遏表达
某些基因的表达水平随外环境信号变化呈现升高 或降低的现象。表达升高的为诱导，表达降低的为 阻遏。
四、真核基因转录调控的主要模式
4.1 蛋白质磷酸化 蛋白质磷酸化：在蛋白质分子上添加磷酸基的过程。 蛋白质去磷酸化：去掉蛋白质分子上磷酸基团的过程。
他们是生物体内普遍存在的信号传导方式。 通过信号传导控制某些基因的表达,从而控 制一些生理和病理过程。例如：糖代谢、 细胞分裂和癌变等。
4.2 通过蛋白质磷酸化转导信号，从而 控制生理过程--糖代谢
重复序列有种族特异性，基因组愈大，重复 序列含量愈丰富。
重复DNA可分为：
高度重复顺序，中重复顺序和低重复或单拷贝顺序。
根据重复单位碱基顺序：正向重复、反向重复
AGGT AGGT ACTT TTCA
AGGT NNNNNNN AGGT ACTT NNNNNNN TTCA
ACGG CCGT TGCC GGCA
cAMP
腺 苷 酸 环 化 酶
某些代谢物
抑制
ATP
低乳糖、低葡萄糖 高乳糖、低葡萄糖
低乳糖、高葡萄糖
高乳糖、高葡萄糖
（四）乳糖操纵子的协调调节
低乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖)、低葡萄糖
I
CRP site
P
O Z Y A
CRP
cAMP
高乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖) 、低葡萄糖
基因激活
转录起始 转录后加工及降解
翻译后加工修饰和降解 蛋白质降解
多 级 水 平 上 的 调 控
（二）基因转录激活调节基本要素
1 特异的DNA序列
原核生物：启动序列、操纵序列、调节序列
-35区 -10区 转录起始
真核生物：
B A
RNA聚合酶 转录起始
顺式作用元件
2 调节蛋白
原 核 生 物
特异因子
※ 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。
三、其他转录调节机制
转录衰减 色氨酸操纵子
衰减子
I P 0
前导区
结构基因
1.色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化分枝酸转变为色氨酸 的酶
• 特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
mRNA
翻译
Protein
基因表达调控
基因表达在一定的调节机制控制下进行，生
物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环
境、维持正常新陈代谢。
紫外光照射
DNA损伤
光修复酶基因
光修复酶
二、基因表达的时间性和空间性
（一）时间特异性 在生物体不同的功能阶段，根据功能的需要， 相应基因严格按一定的时间顺序开启或关。
蛋白质-蛋白质相互作用
P
一、原核基因转录调节特点
（一） 因子决定RNA聚合酶识别特异性
（二）操纵子模型的普遍性
调控序列 A 结构基因 B C
1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Jacob and Monod
（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
调控序列
结构基因
环境信号
诱导
阻遏
表达增强 协调表达
表达减弱
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖
外环境不断变化
机体相应的适应性反应 生物体适应变化着的环境、维持正常生长
（二）维持个体发育与分化
生长发育的不同阶段、不同组织器官蛋白质种 类和含量不同。
五、基因表达调控的基本原理
（一）基因表达的多级调控
弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列 （123-150区）。
123~150
前导区
P 1 0 2 3 4
UUUU
2
trp
3
3
4
前导区
P 0
1
2 3
UUUU 4
mRNA
衰减子
trp trp
前导区
P 0
1
2
3
4
mRNA
trp
弱化机制
※ Trp操纵子是一种阻遏型操纵子。阻遏蛋白有两种 分子构象。
※第一结构基因和启动子之间有一个衰减子区域。
※ 衰减子由序列1、2、3、4组成。序列1中有两个色 氨酸分子。序列3和序列4可形成不依赖rho因子的终 止结构---衰减子。 ※ 转录衰减是转录过程与前导肽翻译过程的偶联。
细菌通过弱化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，
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
阻遏物
活化的 阻遏蛋白
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)
色氨酸水平高时
I
P
0
色氨酸水平低时
I
P
0
3.转录衰减机制
前导区
I P 0
反式作用因子 E S P
2 转录因子结构 转 DNA结合域 录 亮氨酸拉链 因 与其他转录因子结合功能域 子 酸性激活域 转录激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
螺旋-转折-螺旋 锌指
对各种转录因子DNA结合功能域的研究发现一些带共性的结构，主要
(1)HTH结构： 至少含两段а螺旋,螺旋之间 由短侧链氨基 酸残基形成转 折,即螺旋-转 折-螺旋结构 （helix-turnhelix） 。
CAP 启动序列 RNA聚合酶
操纵区
转录起始
激活蛋白
阻遏蛋白
特异因子 决定RNA聚合酶对启动区的识别和结合力 阻遏蛋白 与操纵区结合，阻遏基因转录
激活蛋白 促进RNA聚合酶与启动区结合，增强酶活性
真 核 生 物
转录因子
反式作用
P
3 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用
反式作用因子
P
顺式作用元件
3．沉默子： 能够对基因转录起阻遏作用的DNA 片段，属于负性调控元件。
增强子 沉默子 顺式作用元件 启动子
（二）反式作用因子： 指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子.真核 生物反式作用因子通常属于转录因子
1 转录因子分类 基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白质 因子。 特异转录因子：为个别基因所必需，决定该基因的时间、空 间特异性表达。
ACGG NNNNNNN CCGT TGCC NNNNNNN GGCA
（四）基因不连续性
基 因 启动子 终止子
转录区
初级RNA转录本
ATG
TAA 3’
5’
外显子
内含子
内含子的特点
不同基因所含内含子数目不同 不同来源内含子分子大小不同 内含子长度常常大于外显子
进化过程中，内含子碱基序列变化显著
内含子的普遍性：大部分真核基因都含有内含子
第五章
DNA 复制
RNA 转录
基 因 表 达
机体如何控制遗 传信息的传递过 程、有何规律。
蛋白质 翻译
一、基因表达
基因组
生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。 绝大部分生物体基因组:双链DNA 病毒基因组:双链或单链DNA或RNA。
不同生物基因组所含基因数目不同。
基因表达
DNA 转录 RNA 转录
(2) 操纵基因在启动子内
(3) 有衰减子(attenuator)/弱化子
(4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被
前导序列(Leader)所隔开
2.trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
蛋白 TrpR(无活性)
(2)锌指结构： 见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸或
(3)亮氨酸拉链结构： 见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有
转录活化功能域：是反式作用因子的结构基础，具 有促进转录的作用
• 酸性激活结构域：富含酸性氨基酸。 • 富含谷氨酰胺结构域 • 富含脯氨酸结构域
发育调控的复杂多基因家族:基因按发育的次序排列在基因家族中。
二、真核基因表达调控的特点:
能在特定时间和特定的细胞中,激活特定的基因,从而 实现预定的、有序的、不可逆转的分化、发育过程， 并使生物的组织和器官保持正常的功能。 瞬时调控—对环境变化作出的反应，包括某种底物或 发育调控—是真核基因调控的精髓部分，它决定真核
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。它通过前导肽的
翻译来控制转录的进行，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。
第三节 真核基因表达与调控
真核生物中基因 表达调控的机制 较原核生物复杂 得多，许多细节 还未弄清楚。
4.3
蛋白质磷酸化来控制基因表达， 参与细胞分裂的调控--细胞分裂和癌变
诱导物
I
CRP site
P
O Z Y A
高葡萄糖、低乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖) 阻遏蛋白
I
P
O
Z Y A
高葡萄糖、高乳糖(异构乳糖:葡萄糖-1.4-半乳糖)
I
CRP P
O
Z
Y
A
※ 当阻遏蛋白封闭转录时，CRP对该系统 不能发挥作用；
※ 如无CRP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。
三、真核基因转录调控的元件
（一）顺式作用元件：指存在于DNA分子上的一些与基 1．启动子： 存在于结构基因上游，与基因转录启动有关的一段
2．增强子： 位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段 DNA 增强子是另一类顺式作用的DNA片段，可使基因转录的速 ①增强效应十分明显，转录活性提高10-200倍; ②在转录起始点5’或3’侧均能起作用; ③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关（3000bp）; ④对异源性启动子也能发挥作用; ⑤通常具有一些短的（50bp左右）重复顺序（核心序列：
A
B
C
二、乳糖操纵子调节机制
（一）乳糖操纵子的结构
操纵子
I
CRP P O
Z
调控区
Y 结构基因
X
P：启动序列
O：操纵序列
I：调节序列
（二）阻遏蛋白的负性调节
I
CRP
P
O
Z
Y
X
I
诱导物
CRP
P
O
Z
Y
X
I
CRP
P
O
Z
Y
X
（三）乳糖操纵子正性调节
I
CRP site P
O
Z Y A
CRP
cAMP
葡萄糖
基因表达上的主要异同
相似 相异
1.真核生物染色质的状态对基因表达的调控 2.以positive control为主 3.甲基化m5C、磷酸化、乙酰化与基因表达的相关 4.转录后多种方式的加工调节 5.个体发育的阶段调控
以转录水平调控为主
一、真核基因组结构特点
（一）真核基因组结构庞大 哺乳动物基因组DNA：3109 bp
内含子的相对性
（五）基因家族
• 基因家族：真核细胞中许多相关的基因常 按功能成套组合，被称为基因家族。 • 简单多基因家族 • 复杂多基因家族 • 发育调控的复杂多基因家族
简单多基因家族：基因一般以串联方式相连，组成一个转录单位。
复杂多基因家族:
一般由几个相关基因构成，基因之间由间隔序 列隔开，每个基因作为独立的转录单位。
结构基因：6%
重复基因（rRNA）：5%---10%
其它：80%---90%
（二）单顺反子
真核基因的转录产物一般是单顺 反子（mono-cistron），即一个 编码基因转录生成一个mRNA分子， 并指导翻译一条多肽链。
（三）重复序列
高度重复顺序(数百万次)
中重复顺序(10-10000)
低重复(几个)或单拷贝顺序。
A B
（二）空间特异性 生物体中，各种基因在不同的组织、器官中 表达的差异性。
A
B
C
三、基因表达的方式
（一）组成பைடு நூலகம்表达
管家基因
无时间和空间特异性，几乎在生命的全过程和生 物体的所有细胞中持续表达。
（二）诱导和阻遏表达
某些基因的表达水平随外环境信号变化呈现升高 或降低的现象。表达升高的为诱导，表达降低的为 阻遏。
四、真核基因转录调控的主要模式
4.1 蛋白质磷酸化 蛋白质磷酸化：在蛋白质分子上添加磷酸基的过程。 蛋白质去磷酸化：去掉蛋白质分子上磷酸基团的过程。
他们是生物体内普遍存在的信号传导方式。 通过信号传导控制某些基因的表达,从而控 制一些生理和病理过程。例如：糖代谢、 细胞分裂和癌变等。
4.2 通过蛋白质磷酸化转导信号，从而 控制生理过程--糖代谢
重复序列有种族特异性，基因组愈大，重复 序列含量愈丰富。
重复DNA可分为：
高度重复顺序，中重复顺序和低重复或单拷贝顺序。
根据重复单位碱基顺序：正向重复、反向重复
AGGT AGGT ACTT TTCA
AGGT NNNNNNN AGGT ACTT NNNNNNN TTCA
ACGG CCGT TGCC GGCA