生物化学 第十四章 基因表达的调控

一、 操纵子模型是原核生物基因表达的基本模 式
1960年，法国巴黎巴斯德研究所的 F. Jacob 和 J.
L. Monod 发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖 的培养基中不分泌 b-半乳糖苷酶，只有在只含乳 糖的培养基中才能分泌 b-半乳糖苷酶。分析表明 这是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码 b-半 乳糖苷酶的mRNA的结果。
三、基因表达具有时空特异性
时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生长、
发育过程中，相应的基因按一定的时间顺序开启 或关闭，决定细胞向特定的方向分化和发育。
空间特异性（即组织特异性）：同一基因产物在
不同的组织器官中的分布是不同的，某些基因在 一种组织中暂不表达或永不表达。而另外一些基 因是相反的情况。
人血红蛋白珠蛋白b基因簇的阶段性表达
血红蛋白亚基的合成量（％）
50 40 30 20 10
a g
a b
z
6
e
b
12 18 24 30 36
d
g
3 新生儿期（月龄） 6
胎儿期（周龄）
四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共 同调节
一个基因是否表达和表达多少与调节序列
（regulatory sequence）密切相关。调节序列位 于被调控的结构基因（structural gene）的上游， 具有特定的核苷酸序列。
第二节
原核生物基因表达调控
原核生物基因组是一个闭合环状的DNA分子。 原核生物的细胞结构也比较简单，它的全部物质
（DNA，RNA和蛋白质）都包容在细胞膜内。
原核生物基因组的转录和翻译在同一空间内完成，
时间上的差异不大。在转录过程终止之前， mRNA就已经结合在由rRNA和核蛋白体蛋白共 同构成的核蛋白体上，开始了蛋白质的生物合成。
在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。
乳糖在 b-半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳
糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚 体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转 录 lac 操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂 （inducer）。

1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此 贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。

1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分离 出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
乳糖操纵子（lac operon）
调控序列 结构基因 lacI Plac lacO lacZ lacY lacA
lacY
lacA
阻遏蛋白 四聚体
阻遏蛋白的四聚体结合在操纵序列上，抑制了 lac
操纵子中结构基因的表达。
LacI 阻遏蛋白与 DNA 结合的复合物
别乳糖诱导的 lac 操纵子表达
细胞膜
lacI
RNApol Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
半乳糖苷酶
通透酶
别乳糖
乳糖
lacI
Plac
lacO
根据调节序列与结构基因的相对位置关系，人们
将这些调节序列称为顺式作用元件（cis-acting element），包括启动子（promoter）、增强子 （enhancer）、沉默子（silencer）等。
有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元件结
合，共同实现调节基因表达的目的，它们被称为 反式作用因子（trans-acting factor）。
cAMP-CAP 结合部位 半乳糖苷酶
通透酶 半乳糖苷转乙酰基酶
阻遏蛋白
结构基因 lacZ、lacY、lacA: 分别编码 b-半乳糖苷酶，通
透酶和乙酰基转移酶。这些相连的基因呈多顺反子转录。 操纵序列（operator，o）: 阻遏蛋白的结合位点。当阻遏 蛋与操纵基因结合时，lac 的转录将受到阻遏。
诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环
境的改变而做出的两种表现形式。
二、基因表达调控是多层次的复杂过程
基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达
调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的 调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻 译水平的调控和翻译后水平的调控。
转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。
有一类基因极易受到外界环境因素的影响。
在特定的信号刺激Βιβλιοθήκη Baidu，有些基因表现出开放性或
增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制 性的表达。因此它们分别称为诱导表达 （induction expression）和阻遏表达（repression expression）。这些基因分别称为可诱导 （inducible）基因和可阻遏（repressible）基因。
阻遏基因 lacI: 编码与操纵序列结合的阻遏蛋白。 启动子（promoter）: 位于 lacI 和 lacO 之间。
典型的大肠杆菌启动子序列
能够被由s70组成的RNA聚合酶全酶所识别的大肠
杆菌启动子的保守序列
LacI 阻遏蛋白的阻遏作用
lacI
RNApol Plac
lacO
lacZ
第一节
概述
基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的单个遗传 物质或整套基因 基因表达：生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过 转录和翻译等一系列过程，合成特定的RNA和蛋白质， 进而发挥其特定的生物功能的全过程。 根据不同的组织细胞及不同的功能状态、根据生物体生长、 发育和繁殖的需要，生物基因组有规律地、有选择性地和 程序性地适度表达。生物体通过改变基因表达来适应环境 的变化。在生物体和细胞的发育及分化的阶段，基因表达 必须受到遗传信息的严格调控。
lacZ
lacY RNApol lacA
转录产物
乳糖、半乳糖和别乳糖的化学结构式
CH2OH O OH OH OH O CH2OH O OH OH OH
乳糖
CH2OH OH OH OH OH O
半乳 糖
CH2OH O OH OH OH
O
CH2 O OH
OH
OH OH
别乳 糖
Lac 操纵子的基因表达调节
一、诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普通 方式
有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体
中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管 家基因（housekeeping gene）。
管家基因的表达只与启动序列（或称为启动子）
和RNA聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他 因素的影响。管家基因的表达方式称为组成性表 达（constitutive expression）。