细胞代谢与基因表达调控

第三十九章

基因表达调控概述(Introduction)基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA的合成属于基因表达中心法则(thecentraldogma)：一、基因表达的时间性及适应性

(temporalandspatialspecificity)1、时间特异性(temporalspecificity)某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生

Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β22、适应性：

适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工二、基因表达的方式1、管家基因与奢侈基因管家基因（housekeepinggene）--在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达(constitutivegeneexpression)奢侈基因（luxurygene）—只在特定的细胞类型中表达的基因2、诱导和阻遏表达诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。DNA损伤→修复酶基因激活乳糖→利用乳糖的三种酶表达阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平降低的过程色氨酸—色氨酸合成酶系三、原核基因表达的调控

1、操纵子

（1）操纵子(operon)的提出

大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。乳糖对

－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。

这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lacoperon）学说。（2）操纵子的基本组成

下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子的最基本的组成元件（elements）。PS1S2S3启动子OPromoter调控序列结构基因

操纵子（operon）

结合RNA聚合酶表达功能蛋白?11/50操纵子（operon）:原核生物的转录单位操纵基因OperatorA、结构基因群

操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structuralgene,SG)。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。

乳糖操纵子含有ｚ、ｙ和ａ3个结构基因。

B、启动子

启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。

C、操纵区

操纵区（operator）是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。

以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。

D、调控基因

调控基因(regulatorygene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有：

阻遏蛋白(repressiveprotein)：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介导的调控方式为负调控

激活蛋白(activatingprotein)：与操纵区结合后能增强或起动其调控的基因转录，所介导的调控方式为正调控

例如在乳糖操纵子中，调控基因lacI位于Plac邻近，编码产生调控蛋白R。

在环境没有乳糖存在的情况下，R能特异性与操纵区ｏ紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白；

当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合，失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有转录的可能。在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起到去阻遏作用，诱导了利用乳糖的酶类基因转录开放。

许多调控蛋白都是变构蛋白（allostericprotein），通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。E、终止子

终止子（terminator，T）是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。

以上5种元件是每一个操纵子必定含有的。其中启动子、操纵区位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后。2、乳糖操纵子的表达调控

（1）阻遏蛋白的负调控

当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac操纵子处于阻遏状态。调节基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，R与操纵子ｏ结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与ｏ偶尔解离，使细胞中还有极低水平的

－半乳糖苷酶及透过酶的生成。

当有乳糖存在时，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，失去与ｏ的亲和力，与ｏ解离，基因转录开放，使

－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对lac操纵子的诱导作用。（2）CAP的正调控

葡萄糖存在时，半乳糖-糖苷酶等的合成也受抑制。

CAP：能与cAMP特异结合的cAMP受体

在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAPbindingsite）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表达下降。

由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。乳糖操纵子的诱导

3、色氨酸操纵子

色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子（trpoperon）的调控。（1）色氨酸操纵子的结构

（2）阻遏蛋白的负调控

合成色氨酸所需要酶类的结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子ｏ的调控，调控基因trpR的位置远离P-ｏ-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达其调控蛋白R，R并没有与ｏ结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与ｏ特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。

因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子（repressibleoperon），即这操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。

四、真核生物基因表达的调控1、真核基因组结构特点真核基因组结构庞大

3×109bp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多于编码序列(9:1)多层次调控失活DNA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翻译后水平的调控2、转录水平的调控最重要顺式作用元件反式作用因子转录起始的调控（1）顺式作用元件影响自身基因表达活性的DNA序列非编码序列分启动子、增强子、沉默子启动子TATA盒，-25bp上游启动子元件(upstreampromotorelements,UPE)，CAAT盒，-75bp；GC序列等顺式作用元件增强子：远离转录起始点（1~30kb），增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关沉默子：负性调节元件，起阻遏作用顺式作用元件增强子（2）反式作用因子(trans-actingfactor)概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）通用转录因子—结合在TATA盒上的蛋白质因子。TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE等转录调控因子—结合在UPE上的蛋白质因子反式作用因子特点三个功能结构域：DNA识别结合域；转录活性域；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件(cis-actingelement)正调控与负调控功能

结构域反式作用因子结构域的模式DNA结合域(DNA-bandingdomain)锌指结构(zincfingermotif)同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构(leucinezipper)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性α螺旋(alkalineα-helix)A、螺旋-转角-螺旋LacrepressorB、