最新基因表达与调控08课件

基因表达与调控08基因表达与调控081基因(gene):

是一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。

基因组(genome)：

指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。1.几个重要的概念基因(gene):是一段DNA分子，编码一种多肽2最新基因表达与调控08课件3最新基因表达与调控08课件4最新基因表达与调控08课件5最新基因表达与调控08课件6最新基因表达与调控08课件7最新基因表达与调控08课件82.基因表达的方式

按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本或组成性(constitutiveexpression)基因表达

某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(house-keepinggene)。2.基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：9

无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而10诱导和阻遏表达

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(induciblegene)。

可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为诱导(induction)诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活11

如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)

可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏(repression)如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏12

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，即为协调表达(coordinateexpression)。

这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种133.基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖

生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。3.基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖14维持个体发育与分化

多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。

当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。维持个体发育与分化多细胞生物调节基因的表达除为适15二、原核生物基因表达的调节二、原核生物基因表达的调节161.操纵子模型转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。1.操纵子模型转录调节普遍采用操纵子模式，原核生17FrançoisJacobandJacquesMonod,wasawardedthe1965NobelPrizeforPhysiologyorMedicinefordiscoveriesconcerningregulatoryactivitiesinbacteria.FrançoisJacobandJacquesMon18操纵子(operon)的结构与功能InhibitorgenePS1S2S3启动子结构基因1，2，3...O操纵基因PromoterOperatorgeneStructuregene调控区结构基因

操纵子表达阻遏蛋白

结合RNA聚合酶

结合阻遏蛋白表达功能蛋白?I阻遏物（调节）基因操纵子(operon)的结构与功能Inhibitorgen19

在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。

在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。

在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。2.关于正调控与负调控在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋20

在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)—阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。

负控诱导系统—阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。

负控阻遏系统—阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋21酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性22

以乳糖操纵子为列介绍原核生物操纵子调控模式 以乳糖操纵子为列介绍23

乳糖操纵子的结构

241.三个结构基因Z基因：编码β-半乳糖苷酶（β–galactosidase），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖Y基因：编码透过酶（permease），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。A基因：编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰CoA上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。1.三个结构基因Z基因：编码β-半乳糖苷酶（β–gal252.三个调节序列：在结构基因的上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivationprotein,CAP）或腺苷酸受体蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP)结合位点，以及一个调节基因（I）（又称R基因），调节基因编码阻遏蛋白。2.三个调节序列：在结构基因的上游还有一个启26mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3.乳糖操纵子的调节机制阻遏基因I.阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3.27mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录28

实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物。人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：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。实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱29最新基因表达与调控08课件30

II.

CAP的正性调节II.CAP的正性调节31

32III.CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMP–CAP复合物。此复合物可结合剂lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。III.CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二33当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与34葡萄糖降解物与cAMP的关系葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷35乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白阻遏蛋白CAP变构物别乳糖、乳糖cAMP与变构物结合无活性有活性基因位点

O基因CAP位点结合于基因位点基因关闭基因开放未结合于基因位点

基因开放基因关闭不与变构物结合

有活性无活性乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白36IV.协调调节

※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；

※如无CAP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。

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。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

IV.协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系37

384.转录衰减作用（attenuation）

是指转录可正常启动，但在转录进到第一个结构基因前即突然停止的过程。由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途止，而仅是部分中途停止转录，所以称为转录衰减。4.转录衰减作用（attenuation）是39I.衰减子（attenuator）

在原核生物的Trp操纵子结构中，第一个结构基因与启动子P之间有一个区域含Trp密码子，称为衰减子。当环境中Trp浓度很高时，它可通过编码并翻译成Trp而终止Trp操纵子的表达，这种转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联，它是原核生物特有的一种基因调控机制。I.衰减子（attenuator）在原40II.大肠杆菌色氨酸操纵子的

衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。Trp-codon7U`SII.大肠杆菌色氨酸操纵子的

衰减作用的可能机制11123415.生长速度的调控

营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为25分钟时，平均每个细胞的DNA分子为4.5个，核糖体的数目也很多。

5.生长速度的调控42

当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧控制（stringentcontrol）。当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少43

当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp（四磷酸鸟苷，魔斑I，magicspotI)或pppGpp（五磷酸鸟苷，魔斑II，magicspotII)大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。

四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最显著的与RNA聚合酶结合降低rRNA的合成。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的t44ppGpp和pppGpp的合成与作用ppGpp和pppGpp的合成与作用456.基因表达的时序调控

λ噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其50个基因组成4个操纵子。

阻遏蛋白操纵子

左早期操纵子

右早期操纵子

晚期操纵子

6.基因表达的时序调控46

噬菌体的调节基因和转录产物cI、cro、N、Q以及cII和cIII为调节基因。pL和pR为左右启动子；oL和oR分左右操纵基因。nutL和nutR为N蛋白结合位点；qut为Q蛋白结合位点；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4为左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和R5分别为左右操纵子的转录产物。噬菌体的调节基因和转录产物47

左向转录的为L链，右向转录的为R链，当λ噬菌体侵入宿主细胞后，前早期(cro，N）和后早期的基因首先表达，随后，若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环，若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态。

右早期操纵子的调节基因cro可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌体进入裂解循环，l噬菌体对两个生活史的的选择取决于cI和cro的拮抗。紫外线和42度高温等可钝化cI，结果进入裂解循环。

左早期操纵子的调节基因N的表达产物为抗终止子，使前早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包括左右早期操纵子的3个调节基因，cⅡ/cⅢ与建立溶原状态的阻遏蛋白的合成有关，Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环。

左向转录的为L链，右向转录的为R链，当λ噬菌体侵入487.翻译水平的调节和反义RNA

翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节某些RNA分子也可调节基因表达,这种RNA称为调节RNA.

细菌中有种称为反义RNA的调节RNA,含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列,通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合,抑制翻译起始,这类RNA又称作干扰mRNA的互补RNA(mRNAinterferingcomplementaryRNA,micRNA),这种调节称为反义控制(antisensecontrol)。7.翻译水平的调节和反义RNA翻译水平的调节的调49Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质OmpF、OmpC，当渗透压高时，F低而C高。两个基因受OmpR调节，（与渗透压感受有关）发现一种小分子RNA，micRNA，大约174核苷酸，可与OmpF的mRNA的5’端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质Omp50

三.真核基因表达调节

三.真核基因表达调节51一、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大，染色体结构具有多个复制起点.

单顺反子含有大量重复序列基因不连续性，内含子，外显子非编码区较多（占80％～90％）转录与翻译分隔进行转录后修饰加工1、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点1、真核基因组结构特点52

真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。

单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（10次）6中度重复序列（10~10次）43多拷贝序列关于C值悖理（Cvalueparadox)

生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。生物进化总体趋势是C值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的C值远远高于哺乳类，这种现象称为C值悖理。真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没532.真核基因表达调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质1.转录前调节2.转录调节3.转录后加工的调节5.翻译调节6.mRNA降解调节7.翻译后加工的调节核细胞质4.转运调节真核基因表达调控的七个水平2.真核基因表达调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前54

转录前水平调节1）染色体丢失2）基因扩增3）基因重排4）DNA的修饰和异染色质化转录前水平调节55

转录活性的调节

1）染色体质的活化对核酸酶敏感,活化的染色质DNA会出现一些DNaseI超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。在真核DNA有约5%的胞嘧啶被甲基化为5甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5´侧翼区的GpG序列-CpG岛。DNA甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含CpG岛，不被甲基化。转录活性的调节56

顺式作用元件(cis-actingelement):指在基因调控区域中不需要通过其编码产物而直接控制基因表达的DNA片段，如:启动子、增强子、沉默子、绝缘子。

启动子：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，一个转录起始点有一个以上功能组件，TATA、CAAT、GC框等，CAAT、

GC框属上游控制元件，决定基因表达的基础水平

。对于可诱导基因，还有对细胞内外信号作出反应的应答元件（responseelement)2）启动子和增强子的顺式作用元件顺式作用元件(cis-actingelement)57

增强子(enhancer)：远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列。通过启动子起作用，与距离无关，无方向性，具有组织特异性。

沉默子(silencer)：负性调节元件，是负调节蛋白的结合位点。

绝缘子（insulator）：阻止激活或阻遏作用在染色体上的传递，使染色体活性限定在结构域之内。增强子(enhancer)：远离转录起始点、决定基583）调节转录的反式作用因子

反式作用因子(trans-actingfactor):和调控序列相结合或间接影响其作用的蛋白质因子,统称反式因子。可分为：基本(通用）转录因子(basaltranscriptionfactor):与RNAPol一起形成转录起始复合物。上游因子（upstreamfactor)：结合在启动子和增强子的上游结合位点。可诱导因子（induciblefactor)：与应答元件相互作用。有些因子活性受修饰控制，如磷酸化激活。3）调节转录的反式作用因子反式作用因子(trans-a59

反式作用因子的结构

DNA结合结构域转录激活域蛋白质－蛋白质结合域（二聚化结构域）

60DNA结合结构域有共同的结构特征

1）螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-helix,HTH）。最常见DNA结合域之一，α螺旋识别、进入

DNA双螺旋结构的大沟。

DNA结合结构域有共同的结构特征612)锌指（Zinc-finger）:每个约有30个AA残基，其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys）配位键

Zn2+

锌指与DNA双螺旋大沟结合。123456789蛋白质2)锌指（Zinc-finger）:每个约有30个AA残基，623)亮氨酸拉链(Leucine-zippers):一段肽链中每隔7个AA即有一个Leuα螺旋。亲水面：亲水AA组成，疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）。可形成二聚体（发挥作用）。同二聚体/异二聚体）。DNA的结合域：拉链区以外结构（碱性氨基酸），磷酸化可增加其活性。3)亮氨酸拉链(Leucine-zippers):一段肽链中634)螺旋-环-螺旋

(helix-loop-helix,HLH):α-螺旋有兼性,形成二聚体,有利于其与DNA结合，N末端碱性氨基酸与DNA结合。二聚体螺旋螺旋环4)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,H64EF手基序—钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区-泡区-螺旋区结构

Ca2+EhelixFhelixEF5)EF手基序(EF-hand)EF手基序—钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区-泡区-螺旋区结构65

转录后水平的调节

(mRNA的加工）翻译水平调节主要是控制mRNA的稳定性和有选择的翻译翻译后水平调节

蛋白质的加工与修饰转录后水平的调节66

原核与真核基因表达调控特点比较

原核基因转录调节特点

真核基因表达调控特点

一种RNA-pol,σ决定三种RNA-pol

识别特异性操纵子模型的普遍性活性染色体结构发生变化阻遏蛋白与阻遏机正性调节占主导制的普遍性转录与翻译相偶连转录与翻译分割进行转录后修饰加工简单转录后修饰加工复杂原核与真核基因表达调控特点比较67

结束语谢谢大家聆听！！！68

结束语谢谢大家聆听！！！68基因表达与调控08基因表达与调控0869基因(gene):

是一段DNA分子，编码一种多肽链或RNA。

基因组(genome)：

指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。1.几个重要的概念基因(gene):是一段DNA分子，编码一种多肽70最新基因表达与调控08课件71最新基因表达与调控08课件72最新基因表达与调控08课件73最新基因表达与调控08课件74最新基因表达与调控08课件75最新基因表达与调控08课件762.基因表达的方式

按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本或组成性(constitutiveexpression)基因表达

某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(house-keepinggene)。2.基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：77

无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而78诱导和阻遏表达

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(induciblegene)。

可诱导基因在特定环境中表达增强的过程称为诱导(induction)诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活79

如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegene)

可阻遏基因表达产物降低的过程称为阻遏(repression)如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏80

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，即为协调表达(coordinateexpression)。

这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种813.基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖

生物体赖以生存的外环境是在不断变化的，为了生存，所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以适应环境变化。生物体适应环境、调节代谢的能力与蛋白质分子的生物学功能有关。而蛋白质的水平又受基因表达的调控。3.基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖82维持个体发育与分化

多细胞生物调节基因的表达除为适应环境外，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。

当某种基因缺陷或表达异常时，则会出现相应组织或器官的发育异常。维持个体发育与分化多细胞生物调节基因的表达除为适83二、原核生物基因表达的调节二、原核生物基因表达的调节841.操纵子模型转录调节普遍采用操纵子模式，原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在一个共同的调控区的调节下，一起转录生成一个多顺反子，最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质，它们一起参与某种底物的代谢或某种产物的合成。1.操纵子模型转录调节普遍采用操纵子模式，原核生85FrançoisJacobandJacquesMonod,wasawardedthe1965NobelPrizeforPhysiologyorMedicinefordiscoveriesconcerningregulatoryactivitiesinbacteria.FrançoisJacobandJacquesMon86操纵子(operon)的结构与功能InhibitorgenePS1S2S3启动子结构基因1，2，3...O操纵基因PromoterOperatorgeneStructuregene调控区结构基因

操纵子表达阻遏蛋白

结合RNA聚合酶

结合阻遏蛋白表达功能蛋白?I阻遏物（调节）基因操纵子(operon)的结构与功能Inhibitorgen87

在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。

在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。

在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。2.关于正调控与负调控在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋88

在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)—阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。

负控诱导系统—阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。

负控阻遏系统—阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋89酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性90

以乳糖操纵子为列介绍原核生物操纵子调控模式 以乳糖操纵子为列介绍91

乳糖操纵子的结构

921.三个结构基因Z基因：编码β-半乳糖苷酶（β–galactosidase），分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖Y基因：编码透过酶（permease），使外界乳糖等透过大肠杆菌细胞壁进入细胞内。A基因：编码乙酰基转移酶（acetylase），能将乙酰CoA上的乙酰基转移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。1.三个结构基因Z基因：编码β-半乳糖苷酶（β–gal932.三个调节序列：在结构基因的上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O），在启动子上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivationprotein,CAP）或腺苷酸受体蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP)结合位点，以及一个调节基因（I）（又称R基因），调节基因编码阻遏蛋白。2.三个调节序列：在结构基因的上游还有一个启94mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3.乳糖操纵子的调节机制阻遏基因I.阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3.95mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录96

实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物。人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：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。实际上，别乳糖是lac操纵子转录的活性诱97最新基因表达与调控08课件98

II.

CAP的正性调节II.CAP的正性调节99

100III.CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMP–CAP复合物。此复合物可结合剂lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。III.CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二101当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与102葡萄糖降解物与cAMP的关系葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷103乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白阻遏蛋白CAP变构物别乳糖、乳糖cAMP与变构物结合无活性有活性基因位点

O基因CAP位点结合于基因位点基因关闭基因开放未结合于基因位点

基因开放基因关闭不与变构物结合

有活性无活性乳糖操纵子调控方式的比较负调控正调控调节蛋白104IV.协调调节

※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；

※如无CAP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。

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。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

IV.协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系105

1064.转录衰减作用（attenuation）

是指转录可正常启动，但在转录进到第一个结构基因前即突然停止的过程。由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途止，而仅是部分中途停止转录，所以称为转录衰减。4.转录衰减作用（attenuation）是107I.衰减子（attenuator）

在原核生物的Trp操纵子结构中，第一个结构基因与启动子P之间有一个区域含Trp密码子，称为衰减子。当环境中Trp浓度很高时，它可通过编码并翻译成Trp而终止Trp操纵子的表达，这种转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联，它是原核生物特有的一种基因调控机制。I.衰减子（attenuator）在原108II.大肠杆菌色氨酸操纵子的

衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。Trp-codon7U`SII.大肠杆菌色氨酸操纵子的

衰减作用的可能机制111231095.生长速度的调控

营养丰富，温度适宜时，细菌的生长速度可以很快，在两个细胞尚未分裂的情况下，新一代的DNA已经开始合成，大肠杆菌的倍增时间为25分钟时，平均每个细胞的DNA分子为4.5个，核糖体的数目也很多。

5.生长速度的调控110

当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。细菌进入严紧控制状态，这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧控制（stringentcontrol）。当营养严重缺乏时，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少111

当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp（四磷酸鸟苷，魔斑I，magicspotI)或pppGpp（五磷酸鸟苷，魔斑II，magicspotII)大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。

四(五）磷酸鸟苷是控制多种反应的效应分子，最显著的与RNA聚合酶结合降低rRNA的合成。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的t112ppGpp和pppGpp的合成与作用ppGpp和pppGpp的合成与作用1136.基因表达的时序调控

λ噬菌体基因表达的时序调控研究较深入，其50个基因组成4个操纵子。

阻遏蛋白操纵子

左早期操纵子

右早期操纵子

晚期操纵子

6.基因表达的时序调控114

噬菌体的调节基因和转录产物cI、cro、N、Q以及cII和cIII为调节基因。pL和pR为左右启动子；oL和oR分左右操纵基因。nutL和nutR为N蛋白结合位点；qut为Q蛋白结合位点；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4为左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和R5分别为左右操纵子的转录产物。噬菌体的调节基因和转录产物115

左向转录的为L链，右向转录的为R链，当λ噬菌体侵入宿主细胞后，前早期(cro，N）和后早期的基因首先表达，随后，若晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环，若合成阻遏蛋白，则进入溶原状态。

右早期操纵子的调节基因cro可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌体进入裂解循环，l噬菌体对两个生活史的的选择取决于cI和cro的拮抗。紫外线和42度高温等可钝化cI，结果进入裂解循环。

左早期操纵子的调节基因N的表达产物为抗终止子，使前早期基因的转录越过终止信号进入后早期基因，后早期基因包括左右早期操纵子的3个调节基因，cⅡ/cⅢ与建立溶原状态的阻遏蛋白的合成有关，Q调节基因的产物亦为抗终止子，使晚期基因表达，噬菌体进入裂解循环。

左向转录的为L链，右向转录的为R链，当λ噬菌体侵入1167.翻译水平的调节和反义RNA

翻译水平的调节的调节包括：不同mRNA的翻译能力差异、翻译的阻遏和反义RNA的调节某些RNA分子也可调节基因表达,这种RNA称为调节RNA.

细菌中有种称为反义RNA的调节RNA,含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列,通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合,抑制翻译起始,这类RNA又称作干扰mRNA的互补RNA(mRNAinterferingcomplementaryRNA,micRNA),这种调节称为反义控制(antisensecontrol)。7.翻译水平的调节和反义RNA翻译水平的调节的调117Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质OmpF、OmpC，当渗透压高时，F低而C高。两个基因受OmpR调节，（与渗透压感受有关）发现一种小分子RNA，micRNA，大约174核苷酸，可与OmpF的mRNA的5’端互补，直接干扰模板的翻译能力，抑制后者的翻译。Mizuno等发现在E.coli中有两个膜蛋白质Omp118

三.真核基因表达调节

三.真核基因表达调节119一、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大，染色体结构具有多个复制起点.

单顺反子含有大量重复序列基因不连续性，内含子，外显子非编码区较多（占80％～90％）转录与翻译分隔进行转录后修饰加工1、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点1、真核基因组结构特点120

真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。

单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（10次）6中度重复序列（10~10次）43多拷贝序列关于C值悖理（Cvalueparadox)

生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。生物进化总体趋势是C值不断增加。但生物基因组的大小同生物在进化上所处地位并不完全比例增加，如鱼类和两栖类的C值远远高于哺乳类，这种现象称为C值悖理。真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没1212.真核基因表达调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质1.转录前调节2.转录调节3.转录后加工的调节5.翻译调节6.mRNA降解调节7.翻译后加工的调节核细胞质4.转运调节真核基因表达调控的七个水平2.真核基因表达调节DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前122

转录前水平调节1）染色体丢失2）基因扩增3）基因重排4）DNA的修饰和异染色质化转录前水平调节123

转录活性的调节

1）染色体质的活化对核酸酶敏感,活化的染色质DNA会出现一些DNaseI超敏位点，常出现在调节蛋白结合位点附近。在真核DNA有约5%的胞嘧啶被甲基化为5甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5´侧翼区的GpG序列-CpG岛。DNA甲基化与基因的表达呈反比关系，管家基因富含CpG岛，不被甲基化。转录活性的调节124

顺式作用元件(cis-actingelement):指在基因调控区域中不需要通过其