爱华网基因表达的调控
本章内容简介
一、基因表达调控的基本概念与原理
二、乳糖操纵子的调控模式
三、色氨酸操纵子的调控模式
一、基因表达调控的基本概念与原理
1.基本概念：
基因表达(gene expression)：从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，基因表达的实质就是遗传信息的转录和翻译。
基因表达的调控(gene regulation or genecontrol) ：对基因表达过程的调节就称为基因表达调控。
2.基因表达的时间性及空间性
基因表达的时间特异性(temporalspecificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。
基因表达的空间特异性（spatialspecificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。
3.基因表达的方式
组成性基因表达（constitutive geneexpression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeepinggene）。
诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
基因表达的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖。
（二）维持个体发育与分化。
4. 基因表达调控主要表现方面
4.1转录水平上的调控(transcriptional regulation)
4.2转录水平后的调控(post-transcriptional regulation)
1）mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessing of RNA transcript)
2）翻译水平上的调控(differentialtranslation of mRNA)
原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平
真核生物基因表达的调控可发生在基因表达的各个水平
4.3 其它影响因素
原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmentalfactor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormonelevel)和发育阶段(developmentalstage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
5.基因转录激活调节基本要素：
5.1顺式作用元件：
顺式作用元件（cis-actingelement）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。
在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。
在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。
5.2反式作用因子：
反式作用因子（trans-actingfactor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。
5.3顺式作用元件与反式作用因子的相互作用：
大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。
Ⅰ原核生物转录水平的调控
1操纵子
2弱化子 (衰减子)
3降解物
4应急反应
Ⅱ原核生物的转录后调控
1. 操纵子的调控模式
1.1 基本概述
1.2 乳糖操纵子的调控模式
1.3 色氨酸操纵子的调控模式
1.4 其他操纵子的调控机制
1.1 操纵子概述
提出：法国Jacob与Monod（1961年）
概念
操纵子（operon）：指的是一组功能上相关的基因，它是由启动区（promoter）、操纵区（operator）和结构基因（structuralgene）三部分组成。
所谓的操纵子理论是认为在DNA分子上分布有调节基因、启动子、操纵区和一群功能相关的结构基因区。
乳糖操纵元
典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。
概念
结构基因(structuralgene)：编码蛋白质的基因。
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。
调控基因（regulatorygene）：是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。
与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressiveprotein），其介导的调控方式称为负性调控（negativeregulation）；
与操纵子结合后能增强或启动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activatingprotein），所介导的调控方式称为正性调控（positiveregulation）。
1.2乳糖操纵子的调控模式
乳糖操纵子(lactoseoperon)的组成
lac 体系受调控的证据
乳糖操纵子的调控
乳糖对lac 体系的影响
葡萄糖对lac 体系的影响
CAP & cAMP
lac体系受调控的证据
乳糖添加实验
同位素示踪
乳糖操纵子的本底水平表达
在非诱导状态下有少量的lacmRNA合成（大约每个世代中有1～5个mRNA分子），这种合成被称之为本底水平的永久型合成（backgroundlevel constitutivesynthesis）。由于阻遏物的结合并不是绝对紧密的，即使在它与操纵基因紧密结合时，也会偶尔掉下来；这时启动子的障碍被解除，RNA聚合酶开始转录。
乳糖操纵子的调控
乳糖操纵子的阻遏：
B. 葡萄糖对lac操纵子的影响
C.CAP与CAP结合位点
CAP的通用名称:分解代谢基因激活蛋白（catabolicgene activator protein）
含有CAP结合位点的操纵子：乳糖操纵元（lacoperon）、阿拉伯糖操纵元（araoperon）、半乳糖操纵元（galoperon）（见课本206页）
CAP也起类似的正性调控作用。
lac操纵子DNA的调控区域(P、O区)
氨基酸合成的操纵子
1.3 色氨酸操纵子(tryptophaneoperon)的调控模式
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。
不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。
1.3 色氨酸操纵子的调控模式
Atrp操纵子的组成
Btrp操纵子的阻遏系统
C衰减子及其作用
D 前导肽
Etrp操纵子的弱化机制
trp操纵子的阻遏系统
衰减子及其作用
弱化作用(attenuation)：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。
先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用，这段序列就称为衰减子或弱化子（attenuator）。
在trp操纵元中，对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。
前导肽
见课本213页
色氨酸浓度低
——trp操纵元就处于开放状态
色氨酸浓度增高
——转录减弱
Trp 操纵子小结
1.4 其它操纵子的调控机制
半乳糖操纵子(galactose operon)
阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon）
半乳糖操纵子(galactose operon)
包括3个结构基因：
异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)
半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactosetransferase, galT)，
半乳糖激酶(galactose kinase,galk)
特点：
有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录
有两个O区，一个在P区上游-67--53，另一个在结构基因galE内部
阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon）
阿拉伯糖操纵子(arabinoseoperon)，在葡萄糖馈乏时，它能利用阿拉伯糖作为能源。
阿拉伯糖操纵子由araB，araA及araD基因组成。
II.转录后调控 （见课本）
翻译起始的调控
稀有密码子对翻译的影响
重叠基因对翻译的影响
RNA高级结构对翻译的影响
魔斑核苷酸水平对翻译的影响
本章掌握重点内容
基因表达调控的概念、特点和基本原理。
乳糖操纵子的结构及其组遏蛋白的负性调控和CAP正性调控机理。
色氨酸操纵子的转录衰减机制。
基本概念：
基因表达激活蛋白组遏蛋白顺式作用元件反式作用因子操纵基因衰减子
选择题：
1. Lac操纵子的诱导剂是B
A．葡萄糖B．别乳糖C．阿拉伯糖O．丝氨酸 E．色氨酸
. Ara操纵子的诱导剂是
2就当前认识，基因表达调控最主要的环节是：
A、DNA复制B、RNA转录激活C、RNA转录后加工
D、RNA转录后转运E 、翻译及翻译后加工
（北京医科大学1999年生化）
3.对自身基因进行转录调控的特异DNA序列是
A．顺式作用因子B．反式作用因子
C．顺式作用元件D．反式作用元件
4.由某一基因表达后，对另一基因进行转录调控的因子是
3.如果操纵子的基因突变缺失
A、操纵子将不被转录B、操纵子将继续被转录
C、操纵子的阻遏蛋白将继续合成D、将无诱导物E、以上都不是
是非题
调节基因一般都位于operon附近,这种构造有利于调节基因对operon的控制.（）
（中科院上海生化所2001）
填空题：
操纵子包括_______,__________和__________.
（北师大1999）
选择题
分解代谢基因活化蛋白(CAP)对乳糖操纵子表达是
A正性调控B正、负性调控C负性调控
D无调控作用E可有可无（1995年北医试题）
简答题：
简述乳糖操纵子的正、负调控(2002年中国农科院)
什么是正调控与负调控，试举例说明。(1996年中国农科院)
以乳糖操纵子为例说明什么是基因的表达与阻遏？（8分）(1997第四军医大学)
选择题
下列哪个操纵元中没有衰减子序列？
A trp操纵元
B lac操纵元
C his操纵元
D thr操纵元
是非题：
细菌中衰减子的作用方式是用翻译的手段来控制转录.（）
思考：
细菌的Trp操纵子中为什么除需要阻遏体系外还需要弱化子系统？
