第六章 基因表达调控(一)

人工基因组的设计与合成李炳志bzli@2013-031中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制DNARNA复制2第六章

基因表达调控(一)李炳志bzli@2013-033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4基因表达与调控基因表达(geneexpression)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（generegulation或genecontrol）。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。5基因表达的方式组成型表达constitutiveexpression适应型表达adaptiveexpressionregulatedgeneexpression协调表达coordinateexpression6组成型表达管家基因（housekeepinggene）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（constitutivegeneexpression）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。7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Inductionexpression

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induciblegene；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repressiblegene8协调表达（coordinatedexpression）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（coordinatedregulation）9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。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。10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：mRNA加工成熟水平上的调控；翻译水平上的调控。11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。12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。13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。14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。15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。16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。17

正调控（positivecontrol）:

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（negativecontrol）:

阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。正调控与负调控18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。诱导与阻遏19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；20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。21调控类型与特点22乳糖操纵子-Lacoperon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。23乳糖操纵子-Lacoperon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。2425乳糖不存在时26乳糖存在时27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（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。28诱导物29操纵子对诱导剂的响应30

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（catabolicgene-activatorprotein: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。Lac操纵子的正调控31cAMP生成adenylatecyclaseATP

cAMP32CRP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。33Lac操纵子的正调控34乳糖操纵子调控总图35TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromo