基因的差异表达
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gene OFF → ON
基因表达量 特别低
16 / 68
1、Negative regulation
在没有调节蛋白存在时基因是表达的，加入调节蛋 白后基因活性被关闭，这样的控制系统叫负控系统 。
Repressor protein
17 / 68
负控诱导系统
P259
阻遏蛋白(无活性)与效应物（诱导物）结合时，使阻 遏蛋白无活性，结构基因转录；
Inactive activator
active activator
active activator
Inactive activator
36 / 68
2、乳糖操纵子结构
Regulator Promoter Operator lacZ lacY lacA
I
P
O
包括三个结构基因 Z、Y、 A，以及启动子、操 纵基因和调节基因。
adaptation, differentiation, variation and development possible.
环境的适应，细胞的分化，组织的变异、形
态的发生和发育。
How is gene expression regulated?
8 / 68
1、基因表达的时空特异性
基因表达的时间特异性（temporal specificity）:
contains genes for metabolizing the lactose.
Regulator Promoter Operator lacZ lacY lacA
I
P
O
包括三个结构基因 Z、Y、 A，以及启动子、操纵基因 和调节基因。
Z： β-半乳糖苷酶 Y：乳糖透过酶 A：半乳糖苷乙酰基转移酶
active repressor
23 / 68
Inducible positive and repressible positive control
Inactive activator
active activator
active activator
Inactive activator
24 / 68
正控阻遏系统
激活蛋白有活性，效应物分子（辅阻遏物）的存 在使激活蛋白处于非活性状态，基因关闭。
22 / 68
Inducible negative and repressible negative control
repressor
Inactive Inactive repressor repressor
转录时，RNA聚合酶首先与启动子P结合，通过操纵基因O向右转 录。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。
31 / 68
2、Lactose Metabolism
Lactose can be broken into glucose and galactose by β--galactosidase.
乳糖
repressor
Inactive Inactive repressor repressor
active repressor
Inducible negative and repressible negative contro35l / 68
Inducible positive and repressible positive control
transcription,
Transcription
RNA processing, translation，
control of gene
RNA
Translation Protein
expression, etc…..
processed
2 / 68
二、主要内容
10.1 基因表达调控概述 10.2 原核基因表达调控的若干概念 10.3 乳糖操纵子的调控 10.4 色氨酸操纵子的调控 10.5阿拉伯糖操纵子的调控 （自学） 10.6 受双启动子调控的半乳糖操纵子 （自学) 10.7 受多重启动子调控的操纵子 （自学）
能转录RNA或翻译产生调节蛋白的基因（编码激活 蛋白或阻遏蛋白）。调节蛋白通过与操纵基因相互 作用，调控操纵子。
The rugulatory proteins bind to a site on the DNA and causes increase or decrease in transcription of nearby genes.
3 / 68
三、学习目标与要求
掌握： （1）乳糖操纵子的调控
重点和难 点
（2）色氨酸操纵子的调控 了解： （1）阿拉伯糖操纵子的调控 （2）受双启动子调控的半乳糖操纵子
4 / 68
四、教学方法与手段
传统讲授法 多媒体展示 归纳、对比法
5 / 68
10.1 基因表达调控概述
6 / 68
Gene control types of prokaryote
•Negative contol
Repressor protein / negative control protein
gene ON →OFF
•Positive control
Activator protein/ positive control protein
trans-acting factor:能直接或间接的识别或结合 在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因 转录效率的蛋白质。GTFs, activators , repressors。
26 / 68
Structural Gene （结构基因) P258
控制某一代谢途径的相关基因(一般能编码RNA或 蛋白质)，紧密连锁地排列在一起，受同一操纵子控 制。
•其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（apoinducer） •两种类型: •Inducible positive control •Repressible positive control
20 / 68
正控诱导系统
激活蛋白无活性，效应物（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态，基因表达。
21 / 68
（2）适应性表达 adaptive expression
指基因受到环境信号调控，在特定的时间和空间 条件下有选择地进行表达。 分为诱导和阻遏表达两种方式。
指在特定环境因素刺激下，基因被激活，使基因的表达产物 增加。这类基因称为奢侈基因。
在特定环境因素刺激下，基因被抑制，使基因的表 达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
半乳糖
葡萄糖
32 / 68
（1）How to use lactose？
将乳糖运送进入细胞
半乳糖的乙酰化修饰
使乳糖分解为葡萄 糖和半乳糖
E. coli: “I need lactose permease, β-galactosidase and transacetylase.”
33 / 68
Biblioteka Baidu
（2）When to use lactose？
Operon：由操纵基因、启动基因、调节基因以及相
邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基
因转录受操纵基因所控制。
25 / 68
Cis-acting element P258，3110
Cis-acting element:指与基因表达调控相关、能够 被调控蛋白特异性识别和结合的特异DNA序列。一 般不编码蛋白质。包括启动子、上游启动子元件、 增强子 等。
27 / 68
Operator gene（操纵基因）
指能够与阻遏蛋白或激活蛋白相互作用，并控制邻近 的结构基因表达的基因。一般与启动子相邻。
When operator binds with a repressor, the transcription is repressed.
28 / 68
Regulator gene（调节基因）
Chapter 10
Gene Expression Regulation in Prokaryotes
1 / 68
一、地位与作用
Molecular mechanisms of every step in
the central dogma. DNA
Replication
DNA replication
13 / 68
3、基因表达调控的水平/层次
Gene expression control: 是细胞中基因表达在时间、空间上处于有序状态， 并对环境条件的变化作出适应反应的复杂过程。
control level
DNA level Transcription level Post-transcription level Translation level Post- Translation level
14 / 68
10.2 原核基因表达调控的若干概念
基因的表达可在多个阶段受到调控，最为常见的 是在转录起始阶段。这种调控多以opeon为单位进行， 将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基 因表达，即经济有效，又保证其生命活动的需要。 调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制。
15 / 68
在胎特儿发定育基的因过程的中表控制达生严尾格的基按因照特定的时间顺序发生
关闭了，因此胎儿的尾巴停止生长；
，以 适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。 又称为阶段特异性。
9 / 68
基因表达的空间特异性（spatial specificity）
多细胞生物在某一特定发育阶段，同一基因的表 达在不同细胞或组织器官不同，导致特异性蛋白质 分布于不同的细胞。又称为细胞特异性或组织特异 性。如胰岛素基因只能在B细胞中表达。
基因的差异表达
A cell has many genes. But not all genes are transcribed and translated all the time.
Condition A
7 / 68
Regulation of gene expression makes cellular
18 / 68
负控阻遏系统
Inactive repressor
active repressor
阻遏蛋白（无活性）与效应物（辅阻遏物）结合时， 使阻遏蛋白有活性， 结构基因不转录。
19 / 68
2.Positive regulation:
缺少调节蛋白时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后 基因活性被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。 .
10.3 Operon P259
Jacob和Monod根据对Lac Z,Y,A基因突变体的研究,于1961年 提出了操纵子Op学er说ato，r 1g9e6n5e年他们获诺贝尔生理学和医学奖。
操纵基因 Structural genes
Regulator gene
Cis-acting elements
Z： β-半乳糖苷酶 Y：乳糖透过酶 A：半乳糖苷乙 酰基转移酶
37 / 68
3、Regulated Expression of Lactose Metabolizing Genes
How can E. coli ensure that these three proteins are only produced in the riate cappropondition? （1） Negative Regulation – the lac Repressor
10 / 68
2、The way of gene expression 基因表达的方式
• 组成型表达（constitutive expression） • 适应性表达 （ adaptive expression ）
（诱导和阻遏表达）
11 / 68
（1）组成型基因表达（constitutive expression）
Glucose + Lactose +
Glucose – Lactose +
Glucose – Lactose –
E. coli: “I will use lactose only when there is no glucose and there is lactose.”
34 / 68
REVIEW
无论表达水平高低，基因较少受环境因素影响， 在各个生长阶段以及个体的大多数或几乎全部组织 中持续表达，这类基因的表达方式被视为组成型表
达。这类基因叫管家基因 (house-keeping gene)。
构成细胞基本组分的基因和细胞基本代谢相关基因通常以这 种方式表达，使细胞的基本功能得以维持。
12 / 68
29 / 68
10.4 The lac Operon in E. coli P260
思考题 ？
1.大肠杆菌乳糖操纵子的主要结构和阻遏蛋白的 作用机制是什么？（中科院，2007） 2、 什么是操纵子？画出乳糖操纵子的的模型并 解释其调控机理。（中科院，2012）
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1、乳糖操纵子(The lac Operon) 的结构简介
基因表达量 特别低
16 / 68
1、Negative regulation
在没有调节蛋白存在时基因是表达的，加入调节蛋 白后基因活性被关闭，这样的控制系统叫负控系统 。
Repressor protein
17 / 68
负控诱导系统
P259
阻遏蛋白(无活性)与效应物（诱导物）结合时，使阻 遏蛋白无活性，结构基因转录；
Inactive activator
active activator
active activator
Inactive activator
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2、乳糖操纵子结构
Regulator Promoter Operator lacZ lacY lacA
I
P
O
包括三个结构基因 Z、Y、 A，以及启动子、操 纵基因和调节基因。
adaptation, differentiation, variation and development possible.
环境的适应，细胞的分化，组织的变异、形
态的发生和发育。
How is gene expression regulated?
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1、基因表达的时空特异性
基因表达的时间特异性（temporal specificity）:
contains genes for metabolizing the lactose.
Regulator Promoter Operator lacZ lacY lacA
I
P
O
包括三个结构基因 Z、Y、 A，以及启动子、操纵基因 和调节基因。
Z： β-半乳糖苷酶 Y：乳糖透过酶 A：半乳糖苷乙酰基转移酶
active repressor
23 / 68
Inducible positive and repressible positive control
Inactive activator
active activator
active activator
Inactive activator
24 / 68
正控阻遏系统
激活蛋白有活性，效应物分子（辅阻遏物）的存 在使激活蛋白处于非活性状态，基因关闭。
22 / 68
Inducible negative and repressible negative control
repressor
Inactive Inactive repressor repressor
转录时，RNA聚合酶首先与启动子P结合，通过操纵基因O向右转 录。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。
31 / 68
2、Lactose Metabolism
Lactose can be broken into glucose and galactose by β--galactosidase.
乳糖
repressor
Inactive Inactive repressor repressor
active repressor
Inducible negative and repressible negative contro35l / 68
Inducible positive and repressible positive control
transcription,
Transcription
RNA processing, translation，
control of gene
RNA
Translation Protein
expression, etc…..
processed
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二、主要内容
10.1 基因表达调控概述 10.2 原核基因表达调控的若干概念 10.3 乳糖操纵子的调控 10.4 色氨酸操纵子的调控 10.5阿拉伯糖操纵子的调控 （自学） 10.6 受双启动子调控的半乳糖操纵子 （自学) 10.7 受多重启动子调控的操纵子 （自学）
能转录RNA或翻译产生调节蛋白的基因（编码激活 蛋白或阻遏蛋白）。调节蛋白通过与操纵基因相互 作用，调控操纵子。
The rugulatory proteins bind to a site on the DNA and causes increase or decrease in transcription of nearby genes.
3 / 68
三、学习目标与要求
掌握： （1）乳糖操纵子的调控
重点和难 点
（2）色氨酸操纵子的调控 了解： （1）阿拉伯糖操纵子的调控 （2）受双启动子调控的半乳糖操纵子
4 / 68
四、教学方法与手段
传统讲授法 多媒体展示 归纳、对比法
5 / 68
10.1 基因表达调控概述
6 / 68
Gene control types of prokaryote
•Negative contol
Repressor protein / negative control protein
gene ON →OFF
•Positive control
Activator protein/ positive control protein
trans-acting factor:能直接或间接的识别或结合 在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因 转录效率的蛋白质。GTFs, activators , repressors。
26 / 68
Structural Gene （结构基因) P258
控制某一代谢途径的相关基因(一般能编码RNA或 蛋白质)，紧密连锁地排列在一起，受同一操纵子控 制。
•其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（apoinducer） •两种类型: •Inducible positive control •Repressible positive control
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正控诱导系统
激活蛋白无活性，效应物（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态，基因表达。
21 / 68
（2）适应性表达 adaptive expression
指基因受到环境信号调控，在特定的时间和空间 条件下有选择地进行表达。 分为诱导和阻遏表达两种方式。
指在特定环境因素刺激下，基因被激活，使基因的表达产物 增加。这类基因称为奢侈基因。
在特定环境因素刺激下，基因被抑制，使基因的表 达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
半乳糖
葡萄糖
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（1）How to use lactose？
将乳糖运送进入细胞
半乳糖的乙酰化修饰
使乳糖分解为葡萄 糖和半乳糖
E. coli: “I need lactose permease, β-galactosidase and transacetylase.”
33 / 68
Biblioteka Baidu
（2）When to use lactose？
Operon：由操纵基因、启动基因、调节基因以及相
邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基
因转录受操纵基因所控制。
25 / 68
Cis-acting element P258，3110
Cis-acting element:指与基因表达调控相关、能够 被调控蛋白特异性识别和结合的特异DNA序列。一 般不编码蛋白质。包括启动子、上游启动子元件、 增强子 等。
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Operator gene（操纵基因）
指能够与阻遏蛋白或激活蛋白相互作用，并控制邻近 的结构基因表达的基因。一般与启动子相邻。
When operator binds with a repressor, the transcription is repressed.
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Regulator gene（调节基因）
Chapter 10
Gene Expression Regulation in Prokaryotes
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一、地位与作用
Molecular mechanisms of every step in
the central dogma. DNA
Replication
DNA replication
13 / 68
3、基因表达调控的水平/层次
Gene expression control: 是细胞中基因表达在时间、空间上处于有序状态， 并对环境条件的变化作出适应反应的复杂过程。
control level
DNA level Transcription level Post-transcription level Translation level Post- Translation level
14 / 68
10.2 原核基因表达调控的若干概念
基因的表达可在多个阶段受到调控，最为常见的 是在转录起始阶段。这种调控多以opeon为单位进行， 将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基 因表达，即经济有效，又保证其生命活动的需要。 调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制。
15 / 68
在胎特儿发定育基的因过程的中表控制达生严尾格的基按因照特定的时间顺序发生
关闭了，因此胎儿的尾巴停止生长；
，以 适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。 又称为阶段特异性。
9 / 68
基因表达的空间特异性（spatial specificity）
多细胞生物在某一特定发育阶段，同一基因的表 达在不同细胞或组织器官不同，导致特异性蛋白质 分布于不同的细胞。又称为细胞特异性或组织特异 性。如胰岛素基因只能在B细胞中表达。
基因的差异表达
A cell has many genes. But not all genes are transcribed and translated all the time.
Condition A
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Regulation of gene expression makes cellular
18 / 68
负控阻遏系统
Inactive repressor
active repressor
阻遏蛋白（无活性）与效应物（辅阻遏物）结合时， 使阻遏蛋白有活性， 结构基因不转录。
19 / 68
2.Positive regulation:
缺少调节蛋白时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后 基因活性被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。 .
10.3 Operon P259
Jacob和Monod根据对Lac Z,Y,A基因突变体的研究,于1961年 提出了操纵子Op学er说ato，r 1g9e6n5e年他们获诺贝尔生理学和医学奖。
操纵基因 Structural genes
Regulator gene
Cis-acting elements
Z： β-半乳糖苷酶 Y：乳糖透过酶 A：半乳糖苷乙 酰基转移酶
37 / 68
3、Regulated Expression of Lactose Metabolizing Genes
How can E. coli ensure that these three proteins are only produced in the riate cappropondition? （1） Negative Regulation – the lac Repressor
10 / 68
2、The way of gene expression 基因表达的方式
• 组成型表达（constitutive expression） • 适应性表达 （ adaptive expression ）
（诱导和阻遏表达）
11 / 68
（1）组成型基因表达（constitutive expression）
Glucose + Lactose +
Glucose – Lactose +
Glucose – Lactose –
E. coli: “I will use lactose only when there is no glucose and there is lactose.”
34 / 68
REVIEW
无论表达水平高低，基因较少受环境因素影响， 在各个生长阶段以及个体的大多数或几乎全部组织 中持续表达，这类基因的表达方式被视为组成型表
达。这类基因叫管家基因 (house-keeping gene)。
构成细胞基本组分的基因和细胞基本代谢相关基因通常以这 种方式表达，使细胞的基本功能得以维持。
12 / 68
29 / 68
10.4 The lac Operon in E. coli P260
思考题 ？
1.大肠杆菌乳糖操纵子的主要结构和阻遏蛋白的 作用机制是什么？（中科院，2007） 2、 什么是操纵子？画出乳糖操纵子的的模型并 解释其调控机理。（中科院，2012）
30 / 68
1、乳糖操纵子(The lac Operon) 的结构简介