1、第七章 基因的表達與調控(上) 原核基因表達調控模式Contents基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控第一節 基因表達調控的基本概念一、基因表達的概念基因表達：從DNA到蛋白質的過程，即基因轉錄及翻譯的過程。對這個過程的調節就稱為基因表達調控 。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達基因表達調控環節1、轉錄水平上的調控（transcriptional regulation） 調節mRNA的合成2、轉錄后水平上的調控（post-transcriptional regulation） mRNA加工成熟水平上的調控 翻譯水平

2、上的調控基因表達調控的指揮系統原核生物中營養狀況和環境因素真核生物中激素水平和發育階段營養和環境因素的影響力大為下降11 組成性表達(constitutive expression) 適應性表達(adaptive expression）二、基因表達的方式 1、組成性表達： 指不大受環境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因(housekeeping gene)。組成型合成蛋白質(constitutive)合成不受環境或代謝狀態影響的蛋白質，例如 DNA聚合酶、RNA聚合酶等 2、適應性表達 指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應環境

3、條件變化基因表達水平增高的現象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(inducible gene)；相反，隨環境條件變化而基因表達水平降低的現象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressible gene)。 調節型/適應型蛋白(adaptiveorregulated)受環境變化或代謝狀態影響的蛋白質例如 大腸桿菌的-半乳糖苷酶在普通細胞培養條件下只有15個分子/細胞；在只含乳糖的培養基中高達幾萬個分子/細胞4三、基因表達的規律 時間性和空間性1、時間特異性（temporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按

4、特定的時間順序發生，稱之為基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。 2、空間特異性(spatial specificity)基因表達伴隨空間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性。四、基因表達調控的生物學意義適應環境、維持生長和增殖（原核、真核）維持個體發育與分化（真核）Contents基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操

5、縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控第二節 原核基因調控機制內容提要操縱子學說原核基因調控機制的類型與特點轉錄水平上調控的其他形式 Jacob and Monod一、操縱子學說1、操縱子模型的提出1961年，法國Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎2、操縱子的定義操縱子（operon）：是基因表達的協調單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節基因產物的控制。編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調節序列(promoter)(operator) 結構基因（structural gene） 編碼各類具有不同結構和功能的蛋白質和RN

6、A的基因。 調節基因（regulator gene） 編碼蛋白質或RNA來調節其他基因表達的基因。操縱基因（operator) DNA上的一個位點，阻遏物能與之結合抑制相鄰啟動子起始轉錄。結構基因操縱區啟動區1、根據操縱子對調節蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的應答，可分為： 正轉錄調控 負轉錄調控 二、原核基因調控機制的類型與特點正控誘導正控阻遏負控誘導負控阻遏調節基因操縱基因結構基因激活蛋白正轉錄調控正轉錄調控如果在沒有調節蛋白（激活蛋白）質存在時基因是關閉的，加入這種調節蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的調控正轉錄調控。調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白負轉錄調控負轉錄調控在沒有調節蛋白質（阻遏

7、蛋白）存在時基因是表達的，加入這種調節蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調控負轉錄調控。2、根據操縱子對某些能調節它們的小分子的應答，可分為可誘導調節和可阻遏調節兩大類：誘導 (induction)： 通過小分子誘導物參與, 使阻抑物失活或活化激活劑來實現對基因或操縱子表達的調控 。阻遏(repression): 通過小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化阻抑物來實現基因或操縱子不表達的調控。可誘導調節：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態轉變為工作狀態，即在某些物質（誘導物）的誘導下使基因活化。 例：大腸桿菌的乳糖操縱子 在誘導物乳糖的誘導下開啟了乳糖操縱子調節基因操

8、縱基因結構基因阻遏蛋白調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物如果某種物質能夠促使細菌產生酶來分解它，這種物質就是誘導物。可阻遏調節：基因平時是開啟的，處在產生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累（阻遏物）而將其關閉，阻遏了基因的表達。 例：色氨酸操縱子 因為色氨酸的存在而關閉酶合成的阻遏操縱子模型調節基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調節基因操縱基因結構基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質能夠阻止細菌產生合成這種物質的酶，這種物質就是輔阻遏物。3、在負轉錄調控系統中，調節基因的產物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結構基因轉錄的

9、作用。 根據其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏：在負控誘導系統中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統中，阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因不轉錄。負控誘導和負控阻遏系統16非活性阻遏蛋白基因表達非活性阻遏蛋白效應物/誘導物基因表達阻遏蛋白阻遏基因轉錄負控誘導系統調節基因負控阻遏系統調節基因操縱區活性阻遏蛋白效應物/輔阻遏物阻遏基因轉錄4、在正轉錄調控系統中，調節基因的產物是激活蛋白（activator）。 根據激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏在正控誘導系統中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態；在正控阻遏系統中，效應物分子（輔阻遏物

10、）的存在使激活蛋白處于非活性狀態。正控誘導系統和正控阻遏系統18活性激活蛋白非活性激活蛋白阻遏基因轉錄RNA聚合酶活性激活蛋白基因表達效應物/輔阻遏物阻遏基因轉錄非活性激活蛋白正控阻遏系統調節基因正控誘導系統調節基因效應物/誘導物基因表達三、轉錄水平上調控的其他形式1、因子的更換 在E.coli中, 當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時，需要不同的因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結合。因子因子是RNA聚合酶的一部分，主要的作用是在DNA轉錄過程中識別模板DNA啟動子因子主要與啟動子的-10區（TATA區或Pribnow區）和-35區（CAAT區）結合20參與調控的因子因子7054383

11、22824編碼基因RpoDRpoNRpoSRpoHRpoFRpoE22主要調控過程對數生長期和大多數碳代謝過程氮源利用分裂間期特異基因熱休克基因鞭毛趨化相關基因過度熱休克基因糾正課本P250頁表7-223上游調控元件上游調控元件TTGACATTGACA N17TATAAT N58N68 TTGCA N79-35區-10區-24區-12區參與調控的因子結合啟動子依賴于核心酶可在無核心酶時獨立結合到啟動子上舉例：熱休克基因的調控大腸桿菌在37 C 下生長最好當溫度增加到46 C 時，大腸桿菌幾乎停止生長，此時產生大量熱激蛋白（heat-shockprotein），占所有蛋白的30%。2425熱激蛋

12、白的種類和作用（1）分子伴侶修復因高溫錯誤折疊的蛋白 折疊錯誤的蛋白分子伴侶（2）蛋白酶降解無法修復的蛋白無法修復的蛋白蛋白片段蛋白酶32(RpoH)對熱激基因的調控:50 C27錯誤折疊的蛋白質激活熱激基因高溫下，分子伴侶結合錯誤折疊蛋白，釋放RpoH，從而RpoH激活熱激基因RpoH分子伴侶2、弱化子對基因活性的影響（在色氨酸操縱子詳述）3、降解物對基因活性的調節（葡萄糖效應或降解物抑制作用）4、細菌的應急反應（空載tRNA誘導產生ppGpp和pppGpp）3、降解物抑制作用調節低水平高水平降解物抑制作用葡萄糖存在下，即使在細菌培養基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖，麥芽糖等誘導物，相應啟動子也不會啟動原因:葡萄糖是方便的能源，細菌無需開啟一些不常用的基因去利用乳糖降解物是指“葡萄糖”，葡萄糖是乳糖的降解物又稱葡萄糖效應364、細菌的應急反應氨基酸的全面匱乏細菌產生應急反應生產各種RNA、糖、脂肪和蛋白質的幾乎全部生化反應均被停止應急信號鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp） ppGpp和pppGpp的誘導物是空載t