第六章 基因表达调控(一)

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基因表达与调控
• 基因表达(gene expression) 是指储存遗传信息 的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个 过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控 （gene regulation或gene control）。基因表达
调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
• rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基 因表达。
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调控基因
编码能与操纵基因特异性结合的调控蛋白 的基因。
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正调控与负调控
正调控（positive control）: 调控因子通 过与启动子元件结合来激活基因的表达。 负调控（negative control）: 阻抑物与操 纵基因结合来阻止基因的表达。
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操纵子的类型
根据作用方式分： • 诱导型：调节分解代谢相关的操纵子，受 cAMP-CAP调节。分解代谢的底物常为小分 子诱导物； • 阻遏型：调节合成代谢相关的操纵子，不 受cAMP-CAP影响。有些有弱化子存在，产 物一般为阻遏物。
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调控类型与特点
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The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! RNA LacA Pol.
Repressor
CAP
Binding
Repressor
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
No way Jose!
Repressor
CAP
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The Lac Operon:
When Glucose And Lactose Are Present
Hey man, I’m constitutive Great, I can transcribe!
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操纵子组成
• 操纵子是原核生物基因表达调控的基本功 能单位，基本结构包括：结构基因、启动 子、调控序列、终止子等。 • 原核生物基因多以操纵子形式组成调控单 元，共同开启或关闭，形成多顺反子mRNA。
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结构基因群
一个操纵子常含有2个以上的结构基因， 每个基因为一个开放读码框，分别有翻译 起始密码子和终止密码子，首尾相连。共 用核糖体结合位点。
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cAMP生成
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adenylate cyclase ATP cAMP
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CRP的活性控制
葡萄糖与 cAMP的浓度 负相关，并 通过cAMP调 控基因的转 录。
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Lac 操纵子的正调控
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乳 糖 操 纵 子 调 控 总 图
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• 空间特异性：
– 多细胞生物中，组成不同组织器官的细胞，其基因 表达方式有很大差别。
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原核基因表达调控
① 转录水平上的调控；
② 转录后水平上的调控：
a. mRNA加工成熟水平上的调控 ； b. 翻译水平上的调控 。
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操纵子学说
• Jacob和Monod因提出操纵子学说和信使 RNA而于1965年诺贝尔生理学奖。
人工基因组的设计与合成
李炳志 bzli@tju.edu.cn 2013-03
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中心法则
复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA 翻译 蛋白质
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第六章 基因表达调控(一)
李炳志 bzli@tju.edu.cn 2013-03
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第六章 基因表达调控
• 基本概念 • 原核表达调控 • 真核表达调控
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乳糖不存在时
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乳糖存在时
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诱导物
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物，发
现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能 被β-半乳糖苷酶水解的异丙基硫代半乳糖苷 （isopropyl thiogalactoside：IPTG）起 着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以 IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质 粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。
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适应型表达
指环境的变化容易使其表达水平变动的
一类基因表达。
诱导表达Induction expression
基因表达水平应环境条件变化增高的现象。这类基 因被称为可诱导的基因inducible gene；
阻遏表达 Repression expression
基因表达水平随环境条件变化降低的现象。相应 的基因称为可阻遏的基因repressible gene
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trp操纵子的阻遏系统
(1) 辅阻遏蛋白对trp操纵子表达的调控
辅阻遏蛋白（trpR的产物）通过与操纵基因的结合与 否来控制结构基因是否被转录。 (2) 辅阻遏蛋白的活性控制 辅阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸与 辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白 就可与操纵区DNA结合，关闭trp操纵子的表达。
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase Alright, I’m off to the races . . . Come on, let me through!
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乳糖操纵子-Lac operon
• 大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个 特定区段，由调节基因I，操纵基因O和结构 基因Z、Y、A组成。
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乳糖操纵子-Lac operon
• 大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个 特定区段，由调节基因I，操纵基因O和结构 基因Z、Y、A组成。
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弱化子
• 操纵基因和结构基因中间有一段前导区， 123～150位碱基序列可调节操纵子的转录。 有色氨酸存在时，转录总是产生一个仅有 140个核苷酸的RNA分子，不转录色氨酸合 成基因。先导序列随着色氨酸浓度增高而 降低合成基因转录。这段序列称为弱化子。
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前 导 肽
• 实验表明衰减作用需要负载tRNATrp参与， 这意味着前导序列的某些部分被翻译了。 分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG 和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG， 应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。这 个假设的多肽（还未实际观察到）被称为 前导肽。
Repressor
CAP
Binding
RNA Operator Promoter Pol.
LacZ
LacY
LacA
RNA Pol.
Repressor mRNA
Repressor
X
Repressor
This lactose has bent me out of shape
CAP
Repressor
Some transcription occurs, but at a slow rate
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诱导物
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操纵子对诱导剂的响应
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Lac 操纵子的正调控
• 通过去阻遏调控lac操纵子只是调控的一种方式，另 一调控系统也可起到lac操纵子的转录诱导作用。分解物 基因激活蛋白（catabolic gene-activator protein: CAP） 可以部分调控细菌对糖的代谢。在有乳糖存在，而且葡萄 糖水平低时，CAP可以激活象lac操纵子那样的操纵子的 转录。 当葡萄糖和乳糖都存在时，即使阻遏物不结合，转录 也是非常弱的。然而当葡萄糖浓度降低，而乳糖仍然存在 时，转录激烈增加。这是由于CAP是lac操纵子的一个激 活剂，并且起始了正调控转录。cAMP的作用象个调节器， 它与CAP结合正向调控CAP的DNA结合活性。
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
LacZ
LacY
LacA
CAP
cAMP
Repressor mRNA
STOP Right there Polymerase
CAP
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
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色氨酸操纵子
RNA Operator Promoter Pol.
LacZ
LacY
CAP
cAMP
Repressor mRNA
Repressor
X
Repressor
CAP
cAMP
Repressor
This lactose has bent me out of shape
cAMP
CAP
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The Lac Operon:
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基因表达的方式
• 组成型表达 constitutive expression
• 适应型表达 adaptive expression regulated gene expression
• 协调表达 coordinate expression
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组成型表达
• 管家基因（housekeeping gene）在一个 生物个体的几乎所有细胞中持续表达的 基因。 • 组成型基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较 少受环境影响，在个体各生长阶段的几 乎全部组织中持续表达或变化很小。
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The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
RNA Operator Promoter Pol.
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诱导与阻遏
诱导 (induction)：
通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化 激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。 阻遏(repression):
通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化 阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。
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19Baidu Nhomakorabea
几个概念
• 阻遏蛋白：能与操纵基因结合减弱或阻止 基因表达的蛋白； • 诱导蛋白：能与操纵基因结合加强或起始 基因表达的蛋白； • 效应物：能与调控蛋白结合，改变其构象 并影响转录的物质 • 诱导剂：能引起诱导发生的分子； • 阻遏剂：能引起阻遏发生的分子；
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启动子
一个操纵子至少有一个启动子，分三段： 识别区、结合区和起始区。 启动子序列差异决定了和RNA聚合酶的亲 和力，影响了启动子的启动频率，即启动 子的强弱。
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操纵基因（Operator）
操纵子中能与调控蛋白特异性结合的DNA 序列。 操纵基因常与启动子部分重合或邻近，调 控蛋白的结合常影响下游基因的转录。
• 色氨酸操纵子（tryptophan operon, trp operon）就是负责色氨酸合成的操纵子。 trp操纵子是由一个启动子和一个操纵基因 区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨 酸生物合成需要的5种蛋白的多顺反子 mRNA的表达。
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操纵基因和启动子重叠
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色氨酸缺乏时
trpB
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色氨酸充足时
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弱化子
• 在trp mRNA 5' 端trpE基因的起始密码前有一个长 162bp的mRNA片段被称为前导区，其中123～150 位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍， 而且无论是在阻遏细胞内还是在永久性突变的细 胞内都是这样。当mRNA合成起始以后，除非培 养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终 止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止 trp基因转录，这就是123～150区序列缺失会提高 trp基因表达的原因。因为转录终止发生在这一区 域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称 为弱化子。 46
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• 协调表达（coordinated 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，这种调节称为 协调调节（coordinated regulation）
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基因表达的时间性与空间性
• 时间特异性：
– 单细胞生物个体的生长过程，及在不同外环境下的 生长状态，均伴随各种基因表达的改变。 – 多细胞在个体发育的不同阶段，及处于不同内环境 下，细胞基因表达方式也存在变化。