第九章微生物基因表達的調控概述(Introduction)基因表達(geneexpression)--基因轉錄及翻譯的過程。生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳信息，經過轉錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學功能和生物學效應的蛋白質的全過程中心法則(thecentraldogma)：基因表達是受調控的不是所有的基因表達都產生蛋白質，rRNA或tRNA的基因經轉錄和轉錄后加工產生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達，因為rRNA或tRNA就具有在蛋白質翻譯方面的功能。但是基因表達＝轉錄＋翻譯

大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數基因處在沉靜狀態，典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態。生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的基因表達的時間性及空間性

(temporalandspatialspecificity)時間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發生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（胎兒型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2空間特異性(spatialspecificity)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同形異位現象(homeosis):果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎發育的基因基因表達的方式-1組成性基因表達(constitutivegeneexpression)：指不大受環境變動而變化的一類基因表達。——管家基因與奢侈基因產物是細胞或生物體整個生命過程中都持續需要而必不可少的，這類基因也稱為看家基因(house-keepinggene)；管家基因--在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達的基因。

奢侈基因（luxurygene）—只在特定的細胞類型中表達的基因基因表達的方式-2適應性表達(adaptiveexpression)：指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導和阻遏表達誘導（induction）--可誘導基因在特定環境信號刺激下表達增強的過程。DNA損傷→修復酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達阻遏（repression）--可阻遏基因表達產物水平降低的過程色氨酸—色氨酸合成酶系基因表達的方式-3協調表達協調表達

在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調表達(coordinateexpression)基因表達的調控方式:阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達(相應蛋白質降低)促進正調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應蛋白質增加)五、基因表達調控的基本原理基因表達的多級調控轉錄水平的調控transcriptionallevel:轉錄激活、轉錄起始;轉錄后水平的調控post-transcriptionallevel：轉錄后加工、運輸、mRNA降解;翻譯水平的調控translationlevel：翻譯的起始;翻譯后水平的調控post-translationlevel翻譯后的加工、轉運、多肽鏈的分解.基因表達調控的生物學意義適應環境、維持生長和增殖維持個體發育與分化原核生物中，營養狀況（nutritionalstatus）和環境因素（environmentalfactor）對基因表達起著舉足輕重的影響。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormonelevel）和發育階段（developmentalstage）是基因表達調控的最主要手段，營養和環境因素的影響力大為下降。在轉錄水平上對基因表達的調控決定于DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。

原核生物基因表達調控主要在轉錄水平，其次是翻譯水平。因為細菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細菌的轉錄與翻譯過程幾乎發生在同一時間間隔內，轉錄與翻譯相耦聯（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉錄產物（primarytranscript）只有從核內運轉到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質。

原核生物的共有序列

原核生物的啟動序列，在距離轉錄起始點－10區和－35區往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。

－10區：含TATAAT序列，又稱Pribnow盒。

－35區：含TTGACA序列。RNA聚合酶結合部位決定轉錄起始點共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉錄活性大小。某些特異因子（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。——阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白操縱序列

可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白激活蛋白(activator)有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白操縱子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎第一節轉錄水平的調控(controloftranscription)操縱子（operon）：原核生物中幾個功能相關的結構基因成簇串聯排列組成的一個基因表達的協同單位（DNA序列）.一個操縱子=編碼序列（2-6）+啟動序列+操縱序列+(其他調節序列)DiscoveryofOperon1940年，Monod發現：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現停頓。即產生“二次生長曲線”。文獻：細胞中存在兩種酶，即組成酶與適應酶（誘導酶）。1947年，報告：“酶的適應現象及其在細胞分化中的意義”。1951年，Monod與Jacob合作。發現兩對基因：Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關；I基因：決定細胞對誘導物的反應。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導物存在，才能去掉該阻遏物。Jacob：結構基因旁有開關基因（即操縱基因），阻遏物通過與開關基因的結合，控制結構基因的表達。乳糖操縱子的發現：細菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時：

與葡萄糖代謝有關的酶基因---表達

與其他糖代謝有關的酶基因---關閉葡萄糖耗盡時，乳糖存在（培養基）：

與乳糖代謝有關的酶基因---表達

與葡萄糖代謝有關的酶基因---關閉IPOZYa調控基因控制位點結構基因DNA阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結合位點操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基轉移酶乳糖操縱子（lactoseopron）結構RNA聚合酶結合位點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時CAP的正性調節ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP:分解物基因激活物蛋白—可促進乳糖利用，但須與cAMP結合才有活性阻遏基因轉錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的DDRP前移，結構基因不被轉錄

1）無乳糖也無葡萄糖存在時：OO2）當無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節不起作用總結：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關閉由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節不起作用，抑制乳糖操縱子的轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖時：O乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落由于不含葡萄糖，細胞內cAMP含量高，cAMP與CAP結合成復合物，與DNA結合，并推動DDRP向前移動，促進轉錄。4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落，結合在啟動子上的DDRP向前移動，結構基因被轉錄翻譯，合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖所以：有乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放有葡萄糖存在，操縱子關閉IOOρ誘導劑乳糖操縱子的負調控圖15-4

CAP-cAMP復合物在乳糖操縱子表達中的作用---正調控條件2:低乳糖條件3:低乳糖條件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封閉轉錄時,CAP對該系統不發揮作用條件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封閉轉錄時,沒有CAP存在,也無高效轉錄活性。Lac阻遏蛋白不封閉轉錄,CAP+cAMP加強轉錄。OOOOO圖15-5協調調節(coordinateregulation)負性調節與正性調節協調合作阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發揮作用如沒有CAP加強轉錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性☆葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌優先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結合從而抑制轉錄結論：lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)極強的誘導劑1．RNA編輯（RNAediting）2．mRNA前體的選擇性拼接3．反義RNA的調控反義RNA的調控是指真核生物基因組中，某些調節基因轉錄所產生的RNA可與基因組DNA或RNA序列互補，形成雜交體，阻斷或減弱基因轉錄或翻譯的調控機制。這些調節基因所產生的RNA稱之為反義RNA。轉錄后水平的調控mRNA的加工原核生物的mRNA往往一產生就是成熟的，不需轉錄后的修飾加工，真核生物基因的初始轉錄產物則一般缺乏生物活性，必須經過剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子，它們需從細胞核轉移到細胞質內，指導蛋白質的合成。真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5’末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸尾巴以及進行RNA的剪接。

真核生物RNA的剪接有三類：第一類是依