基因表達調控級臨床醫(yī)學

基因表達調控級臨床醫(yī)學第一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五概述基因表達調控:

生物體隨時調整不同基因的表達狀態(tài),以適應環(huán)境、維持生長和發(fā)育需要。主要是轉錄水平的調控第二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五基因表達(轉錄)調控的物質基礎1.DNA序列：有特征性的序列2.調控蛋白(因子)：

DNA-蛋白質(轉錄因子)相互作用蛋白質-蛋白質相互作用

第三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五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)第四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)

基因表達調控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation第五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五一、基因表達是指基因轉錄及翻譯的過程遺傳學：基因就是遺傳的基本單位或單元，含有編碼一種RNA，大多數(shù)情況是編碼一種多肽的信息單位。分子生物學：基因是負載特定遺傳信息的DNA片段，可以編碼單個具有生物功能的產(chǎn)物。如RNA;多數(shù)情況下還有多肽鏈。其結構包括由DNA編碼序列、非編碼調節(jié)序列、內含蛋白質子組成的DNA區(qū)域。第六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五(一)基因基因—

為生物活性產(chǎn)物編碼的

DNA功能片段,這些產(chǎn)物主要是蛋白質或各種RNA。注意：cDNA第七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）基因組基因組(genome)是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸（DNA）。第八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（三）基因表達基因表達是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經(jīng)過轉錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質的過程。即

基因表達=基因轉錄+，多數(shù)還要翻譯。

注意：經(jīng)轉錄和轉錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也屬于基因表達。第九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五一般說，同一個體的所有細胞生物個體的各種組織細胞都有相同的染色體數(shù)目，每個細胞含的DNA量基本相近，均含有一套相同的基因組。但基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來，即使極簡單的生物(如最簡單的病毒)，其基因組所含的全部基因也不是以同樣的強度同時表達的。大腸桿菌基因組含有約4000個基因，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，有的就暫時不表達。進一步說明：1第十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五哺乳類基因組更復雜，人的基因組約含有5萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，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30%的基因處于表達狀態(tài)。心心進一步說明：2第十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五二、基因表達具有時間特異性和空間特異性（一）時間特異性（階段特異性）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

第十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達，隨著分化發(fā)展，細胞中某些基因關閉、某些基因轉向開放。發(fā)育不同階段、不同部位的細胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，即使是同一個細胞，處在不同的細胞周期狀態(tài)，其基因的表達和蛋白質合成的情況也不盡相同，這種細胞生長過程中基因表達調控的變化，正是細胞生長繁殖的基礎。進一步說明：第十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）空間特異性（組織特異性）

在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_伴隨時間順序所表現(xiàn)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(cellortissuespecificity)。

第十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五生物個體的各種組織細胞一般都有相同的染色體數(shù)目，每個細胞含的DNA量基本相近，一樣含有個體發(fā)育、生存和繁殖的全部遺傳信息。但這些遺傳信息的表達是受到嚴格調控的，通常各組織細胞只合成其自身結構和功能所需要的蛋白質。不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的空間特異性or組織特異性。進一步說明：第十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五三、基因表達的方式及調節(jié)存在很大差異（一）基本表達(組成性表達)：

指不大受環(huán)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(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。第十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)。這些基因表達也不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調控的。第十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）誘導和阻遏環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。因環(huán)境條件變化導致基因表達水平------

增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(induciblegene)；降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五四、基因表達調控為生物體生長、發(fā)育所必需

(生物學意義)（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化第十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)基因表達調控的基本原理一、基因表達調控的多層次和復雜性目前巳知，至少有以下幾個環(huán)節(jié)可參與調控：1.基因激活2.轉錄水平的調控：轉錄起始、轉錄后加工及轉運3.翻譯水平的調控：核糖體循環(huán)、翻譯后加工第二十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五轉錄水平的調控(transcriptionallevel)目前巳知的及正在研究的大多數(shù)基因表達調控都屬于此類，特別是轉錄起始(激活)。第二十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步說明1：轉錄水平的調控主要有轉錄起始(激活)、轉錄后加工及轉運等。對于細胞來說,它不應合成超過它所需要mRNA,即不浪費原料和能量。因此這是一種最經(jīng)濟的辦法,可以免去浪費從mRNA合成蛋白質的各種元件和材料。這大概是生物在長期進化過程中自然選擇的結果。

所以講義上說：轉錄起始是基因表達的基本控制點。第二十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步說明2：

翻譯水平的調控(translationallevel)包括核糖體循環(huán)、翻譯后加工。是在mRNA合成后,控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度,包含一些分子裝置問題,如與核糖體的結合速度等。這種調控是較少的，或者說不太了解。第二十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五基因表達調控第二十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五二、基因轉錄激活受到轉錄調節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調節(jié)(基因轉錄激活調節(jié)基本要素)基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外環(huán)境，以及細胞內所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關?；虮磉_(轉錄)調控的物質基礎1.DNA序列：有特征性的序列2.調控蛋白：

DNA-蛋白質(轉錄因子)相互作用蛋白質-蛋白質相互作用3.環(huán)境:第二十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（一）特異DNA序列決定基因的轉錄活性基因上往往有些片（節(jié)）段參與表達調控，而且有一定規(guī)律性。1.原核生物參與表達調控的特異DNA序列原核生物中參與表達調控的特異DNA序列的代表為操縱子(operon)

。第二十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五背景操縱子學說

基因表達調控的許多成就是在研究E.coli的乳糖代謝調節(jié)時所取得的。法國巴斯德研究院的FrancoisJacob(F.雅各布)，與JacquesMonod（J.莫諾）于1960年在法國科學院院報上發(fā)表了一篇論文,提出乳糖代謝中的β半乳糖苷酶（水解乳糖成為半乳糖）和半乳糖苷透過酶（運輸乳糖到細胞中）兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調節(jié)。在此文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念,并逐步形成了操縱子學說(theoryofoperon)，首次從分子水平認識基因表達的調控,這是一個劃時代的突破,因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾醫(yī)學與生理學獎。第二十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五操縱子的概念在原核生物的DNA鏈上由數(shù)個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起，受上游的調控元件控制，形成一個轉錄單位,即（一個）操縱子。操縱子是原核生物轉錄調控的基本單元。注意：操縱子的轉錄產(chǎn)物為一條mRNA鏈，上面帶有多個可編碼蛋白質（多肽）的序列，所以這種mRNA也稱為多順反子（polycistron）。第二十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五操縱子（模型）的基本結構對操縱子（元）研究最深入的就是E.coli的乳糖操縱子(lacoperon)。

IPOZYaZ.Y.a---結構基因P(promoter)---啟動子（啟動序列）O（oprator）----操縱區(qū)（操縱序列）注意：I--調控基因（調節(jié)基因）不屬于操縱子的基本結構，但兩者有密切關系。上述的這些DNA片斷（序列）在基因組中成簇串聯(lián)組成。第二十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

ICPOZYaz、Y、a:大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類的基因；P:轉錄z、Y、a所需要的啟動子；O:操縱序列；能決定基因開放;I（i）:調控基因；能編碼合成調控蛋白R;C：CAP（分解代謝物基因激活蛋白）結合位點。第三十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

進一步說明1

乳糖操縱元(子)的基本組成

(1)結構基因群(z、y、a)

乳糖操縱元含有z、y和a三個結構基因。

z基因編碼β－半乳糖苷酶，催化乳糖轉變?yōu)榘肴樘呛推咸烟?；y基因編碼半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進入細菌；a基因編碼轉乙?；福呋肴樘堑囊阴；基因5′側具有大腸桿菌核糖體識別結合位點特征的SD序列，因而當乳糖操縱元（子）開放時，核糖體能結合在轉錄產(chǎn)生的mRNA上。由于z、y、a三個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止碼靠近下一個基因的翻譯起始碼，因而同一個核糖體能沿此轉錄生成的多順反子mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質。第三十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步說明2

(2)啟動子（P）

啟動子是指能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。操縱元（子）至少有一個啟動子，一般在第一個結構基因5′側上游（非鄰居），控制整個結構基因群的轉錄。雖然不同的啟動子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同規(guī)律：在啟動子序列內，通常在轉錄起始點上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列的保守性段落稱為共有性序列(consensussequences)，它們一般長40－60bp。啟動子一般可分為識別、結合和起始三個區(qū)段。轉錄起始第一個堿基(通常標記位置為＋1)最常見的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因為這段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒(Pribnowbox)；在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。第三十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五是RNA聚合酶結合并啟動轉錄的特異DNA序列。啟動序列RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第三十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五原核生物基因轉錄起始區(qū)

第三十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

進一步說明3

(3)操縱序列（O）

操縱序列(子)是指能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列。常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調控蛋白（i蛋白）結合在O上，會影響其下游基因轉錄的強弱。第三十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

進一步說明4

(4)調控基因（

Iori）

調控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列(o)結合的調控蛋白的基因。一般認為，調控基因（調節(jié)基因）在上游的較遠處，不屬于操縱子的基本結構（但也有人認為屬于操縱子），但無論如何兩者有密切關系。第三十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

調控蛋白有兩類：1.與操縱序列(o)結合后能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白(repressiveprotein)，其介導的調控方式稱為負性調控(negativeregulation)；2.與操縱子結合后能增強或起動調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白(activatingprotein)，所介導的調控方式稱為正性調控(positiveregulation)。第三十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五某些特定的物質（如某類蛋白質因子）能與調控蛋白結合，使調控蛋白的空間構像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉錄的影響，這些特定物質可稱為效應物(effector)-------其中凡能引起誘導發(fā)生的分子稱為誘導劑(inducer)；能導致阻遏發(fā)生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)。第三十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步說明5

(5)終止子

終止子按其作用是否需蛋白因子的協(xié)助至少可以分為兩類：一類是不依賴ρ因子的終止子。另一類是依賴ρ因子(蛋白性終止因子)的終止子，即其終止轉錄的作用需要ρ因子的協(xié)同，或至少是受ρ因子的影響。第三十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五項目功能結構基因3個不同結構基因能夠產(chǎn)生3種不同的酶.操縱基因是結構基因的開關.通過對RNA聚合酶阻抑與否來控制結構基因的轉錄或停止.啟動子是RNA聚合酶與DNA結合的部位,可識別轉錄起始點.調控基因能產(chǎn)生阻抑物.通過阻抑物與操縱基因的結合與否來控制操縱基因的關閉和開啟乳糖操縱子的結構和功能第四十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步說明6啟動子、操縱子位于緊鄰結構基因群的上游，終止子在結構基因群之后，它們都在結構基因的附近，只能對同一條DNA鏈上的基因表達起調控作用，這種作用稱為順式作用(cisaction)，調控基因可以在結構基因群附近、也可以遠離結構基因，它是通過其基因產(chǎn)物調控蛋白來發(fā)揮作用的，因而調控基因不僅能對同一條DNA鏈上的結構基因起表達調控作用(順式作用)，而且能對不在一條DNA鏈上的結構基因起作用，稱為反式作用(transaction)。第四十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五2.真核生物參與表達調控的特異DNA序列▲原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而真核生物基因組中僅約10%的序列為蛋白質、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。▲原核生物的基因為蛋白質編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子和內含子，轉錄后需經(jīng)剪接去除內含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質，這就增加了基因表達調控的環(huán)節(jié)。第四十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五原核生物多數(shù)基因按功能相關成串排列，組成操縱元的基因表達調控的單元，共同開啟或關閉，轉錄出多順反子的mRNA；真核生物則是一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子，基本上沒有操縱元（子）的結構，同時很多真核生物的蛋白質有多個亞基及相應的四級結構，這就涉及到多個基因協(xié)調表達的問題。第四十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五真核基因表達調控的DNA序列---順式作用元件順式作用元件(cisactingelements)概念：真核基因中與結構基因串聯(lián)并能調控轉錄水平的DNA序列，包括啟動子、增強子（沉默子）、加尾及終止信號等。注意：可以這樣理解，基因表達的轉錄水平調控元件---

原核為操縱子（元）；真核為順式作用元件。當然前者比后者簡單的多，且具有相當?shù)牡湫托约肮残?。三、真核基因轉錄激活調節(jié)第四十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列RNA聚合酶ⅡBADNA編碼序列轉錄起始點mRNARNA聚合酶ⅡBADNA轉錄起始點mRNA圖13-2順式作用元件第四十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。

第四十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五與原核基因類似，在順式作用元件中也會有共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。但與原核基因不同是，順式作用元件一般不含結構基因，也不一定與被調控基因串聯(lián)，有時相距很遠，甚至不一定處于上游。第四十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）轉錄調節(jié)蛋白可以增強

或抑制轉錄活性

DNA鏈上一些基因合成的調控另一基因的蛋白質分子。它們可以與（被調控的）DNA結合（DNA結合蛋白）；也可以與其它能影響DNA、調控DNA的蛋白質結合（見后）。第四十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五1.原核生物的調節(jié)蛋白：

均是DNA結合蛋白。分三類：（1）特異因子：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。（2）阻遏蛋白：能結合特異DNA序列—操縱序列，阻遏基因轉錄。（3）激活蛋白：能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。

例：分解（代謝物）基因激活蛋白（CAP）。第四十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五2.真核生物的調節(jié)蛋白：調節(jié)蛋白多稱為轉錄因子，其主要就是反式作用因子(transactingfactors)。第五十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五cDNAaDNA反式調節(jié)C順式調節(jié)

mRNAC蛋白質CbAmRNA蛋白質AA圖13-3反式與順式作用蛋白第五十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五第五十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五反式作用因子概念：主要存在于真核生物的細胞內的一類蛋白質，通過與順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而調節(jié)轉錄活性。反式作用因子少數(shù)也是DNA結合蛋白；多數(shù)參與蛋白質—蛋白質相互作用。其次，有些基因可以合成調控自身基因的蛋白質分子—順式作用蛋白。注意：與原核基因不同，真核細胞RNA聚合酶通常不能單獨發(fā)揮轉錄作用，而需要被轉錄因子(主要就是反式作用因子)識別、結合后才被激活而發(fā)揮作用。。第五十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五指的是反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結合。通常是非共價結合，被識別的DNA結合位點通常呈對稱、或不完全對稱結構---DNA-蛋白質相互作用（三）轉錄調節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質相互作用對轉錄起始進行調節(jié)第五十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五絕大多數(shù)調節(jié)蛋白質結合DNA前，需通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體(dimer)或多聚體(polymer)-------蛋白質-蛋白質相互作用轉錄因子之間或轉錄因子與DNA的結合都會引起（調節(jié)蛋白、DNA）構象的變化，從而影響轉錄的效率。第五十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（四）RNA聚合酶與基因的啟動

序列/啟動子相結合上述各種調控作用，最終影響RNA聚合酶活性。1.啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性：巳證明，如果啟動序列/啟動子的共有序列被置換為非共有序列；或將啟動序列的非共有序列代之以共有序列，則會得到使轉錄活性降低或增加兩種截然不同的結果。2.調節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性通過DNA-蛋白質相互作用;蛋白質-蛋白質相互作用調節(jié)RNA聚合酶活性。第五十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五笫三節(jié)原核基因表達調節(jié)一、原核基因轉錄調節(jié)特點（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性在轉錄起始階段，σ因子識別特異啟動序列；不同的σ因子決定特異基因的轉錄激活，決定mRNA、rRNA和tRNA基因的轉錄。（二）操縱子模型的普遍性(見后)

乳糖操縱子、阿拉伯糖操縱子、色氨酸操縱子等

第五十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調節(jié)原核基因調控普遍涉及特異阻遏蛋白參與的開、關調節(jié)機制。當阻遏蛋白與操縱序列結合或解聚時，就會發(fā)生特異基因的阻遏或去阻遏。第五十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五二、操縱子調控模式在原核基因轉錄起始的調節(jié)中具有普遍性（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結構（見前）

IPOZYaZ.Y.a---結構基因P(promoter)---啟動子（啟動序列）O（oprator）----操縱區(qū)（操縱序列）注意：I--調控基因（調節(jié)基因）不屬于操縱子的基本結構，但兩者有密切關系。上述的這些DNA片斷（序列）在基因組中成簇串聯(lián)組成。第五十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖。當培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。大腸桿菌分解糖類概述第六十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五大腸桿菌利用乳糖至少需要3個酶：催化乳糖轉變?yōu)榘肴樘呛推咸烟堑摩拢肴樘擒彰?；促使環(huán)境中的乳糖進入細菌的乳糖透過酶;催化半乳糖的乙?；霓D乙?；浮５诹豁?，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五在環(huán)境中沒有乳糖或其他β-半乳糖苷時，大腸桿菌合成β-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2－3分鐘后，細菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內的β-半乳糖苷酶量可占到細菌總蛋白量的3%。這就是乳糖對lacoperon的誘導作用。這種典型的誘導現(xiàn)象，是研究基因表達調控的極好模型。這個模型是人們第一次開始認識基因表達調控的分子機理。第六十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節(jié)

-------操縱子負性調控模式之一(分解代謝酶系的誘導表達)第六十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五沒有乳糖存在時，lacoperon處于阻遏狀態(tài)。原因：調控基因i編碼合成的調控蛋白（阻遏蛋白）與O結合而阻礙從P開始的基因轉錄。。1.阻遏蛋白的負性調節(jié)第六十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：乳糖透過酶A：(轉)乙酰基(轉移)酶ZYAOPDNA第六十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因第六十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五有乳糖存在時，乳糖能改變阻遏蛋白結構使其不能與O結合，因而乳糖濃度增高時基因就開放，轉錄合成所編碼的酶類，這樣大腸桿菌就能適應外界乳糖供應的變化而改變,利用乳糖第六十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶圖13-4lac

操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)第六十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五Jacob和Monod提出的lacoperon模式第六十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五調控基因（I）調控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列（O）結合的調控蛋白的基因。與操縱子結合后能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白(repressiveprotein)，其介導的調控方式稱為負性調控(negativeregulation)；與操縱子結合后能增強或起動其調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白(activatingprotein)，所介導的調控方式稱為正性調控(positiveregulation)。第七十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五第七十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五2.

CAP的正性調節(jié)

CAP（分解代謝物基因激活蛋白）細菌中有一種能與cAMP特異結合的cAMP受體蛋白CRP，當CRP未與cAMP結合時它是沒有活性的，當cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結合并發(fā)生空間構象的變化而活化，此時就稱為CAP，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結合。細菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關，當細菌利用葡萄糖分解供給能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。第七十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五在lac操縱元的啟動子Plac上游端有一段能與CAP特異結合，稱為CAP結合位點(CApbindingsite)。

當有乳糖、無葡萄糖時，cAMP含量增加，隨之CAP含量增加，CAP與CAP結合位點結合時，可增強RNA聚合酶的轉錄活性，使轉錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，CAP含量下降，lac操縱元的結構基因表達下降。第七十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時,CAP容易結合。有葡萄糖，cAMP濃度低時，CAP不易結合。ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第七十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五進一步學習：由于P1ac是弱啟動子，所以僅單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使1ac操縱元轉錄開放也還是不能使細胞很好利用乳糖，必須同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。第七十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五3、協(xié)調調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。lac操縱元充分發(fā)揮作用，既需要有乳糖的存在，又沒有葡萄糖可供利用。通過這種機制，細菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。第七十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

第七十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五葡萄糖利用對乳糖操縱元的影響第七十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五其它轉錄調節(jié)機制(自學)除lacoperon類型的調控機制外，原核生物還有其它調控機制。第七十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五色氨酸操縱（子）元

-------操縱子負性調控模式之二（合成代謝酶系的阻遏表達）(自學)第八十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五色氨酸是構成蛋白質的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔（轉錄衰減）。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱元(trpoperon)的調控。第八十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子O的調控，調控基因trpR的位置遠離P-O-結構基因群，在其自身的啟動子作用下，低水平表達調控蛋白R。第八十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五R并沒有與O結合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化，就能夠與O特異性親和結合，阻遏結構基因的轉錄，因此這是屬于一種負性調控的、可阻遏的操縱元(repressibleoperon)，即這種操縱元通常是開放轉錄的，當有效應物(色氨酸為阻遏劑)作用時，則阻遏關閉轉錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱元都屬于這種類型，其調控可使細菌處在生存繁殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。第八十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五操縱子正性調控模式（本課程不講?。┑诎耸捻?，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五三、原核生物具有不同的轉錄終止調節(jié)機制（見前述）（一）不依賴Rho因子的轉錄終止（二）依賴Rho因子的轉錄終止常見于噬菌體中，結構特點不清楚。兩段富含GC的反向重復序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結構特點：第八十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)真核基因轉錄調節(jié)

一、真核基因組結構特點（一）真核基因組結構龐大真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4×106bp，哺乳類基因組在3×109bp數(shù)量級，比細菌大千倍；大腸桿菌約有4000個基因，人則約有3-5萬個基因。哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質、rRNA、tRNA等編碼，編碼蛋白質序列僅占總長的1%。其余約90%的序列功能至今還不清楚。第八十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（二）真核基因轉錄產(chǎn)物為單順反子

如前所述：原核細胞的多數(shù)基因按功能相關成串排列，組成操縱元形式的基因表達調控單元，共同開啟或關閉，轉錄出多順反子的mRNA；真核生物則是即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子(單順反子)，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈,基本上沒有操縱元的結構。第八十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（三）真核基因組含有大量的重復序列

與原核基因組相比，真核基因組中存在著較多的重復序列(repetitivesequences)。實驗表明有三類重復序列：①高度重復序列：這類序列一般較短，長10－300bp，在基因組中重復106次左右，占基因組DNA序列總量的10－60%，人的基因組中這類序列約占20%，功能還不明了。②中度重復序列：這類序列多數(shù)長100－500bp，重復10－105次，占基因組10-40%。例如在人的基因組中18S/28SrRNA基因重復280次，5SrRNA基因重復2000次，tRNA基因重復1300次。③單拷貝序列：這類序列基本上不重復，在人基因組中約占65%。絕大多數(shù)真核生物的為蛋白質編碼的基因在單倍體基因組中都不重復，是單拷貝的基因。第八十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（四）基因不連續(xù)性原核生物的基因為蛋白質編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的；真核生物為蛋白質編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內含子(intron)，轉錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質，這就增加了基因表達調控的環(huán)節(jié)。第八十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五二、真核基因表達調控更為復雜（一）真核細胞內含有多種RNA聚合酶（二）處于轉錄激活狀態(tài)的染色質結構發(fā)生明顯變化第九十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五（三）在真核基因表達調控中以正性調節(jié)占主導采用正性調節(jié)機制更精確：一個負性調節(jié)元件的結合足可阻斷RNA聚合酶的結合，因此同時采用幾個負性調節(jié)元件一般不會改變特異性；相反，如果采用多種正性調節(jié)元件、正性調節(jié)蛋白可提高基因表達調節(jié)的特異性和精確性。采用負性調節(jié)不經(jīng)濟：在正性調節(jié)中，大多數(shù)基因不結合調節(jié)蛋白，所以是沒有活性的；只要細胞表達一組激活蛋白時，相關靶基因即可被激活。第九十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五三、RNAPolI和PolIII轉錄體系的調節(jié)相對簡單第九十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五四、RNAPolII轉錄起始的調節(jié)非

常復雜（一）真核基因順式作用元件影響基因轉錄活性真核基因的順式作用元件是基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的DNA序列。第九十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五1.啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒順式作用元件分類：第九十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五

真核啟動子不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而是需要多種蛋白質因子的相互協(xié)調作用，不同蛋白質因子又能與不同DNA序列相互作用。不同基因轉錄起始及其調控所需的蛋白因子也不完全相同。真核啟動子一般包括轉錄起始點及其上游約100－200bp序列，包含有若干具有獨立功能的DNA序列元件，每個元件約長7－30bp。注意：第九十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五CCAAT盒GC盒TATA盒轉錄起始點高等真核生物上游激活序列（UAS）TATA盒轉錄起始點酵母圖13-7真核基因啟動子的典型結構第九十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五2.增強子

概念：指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列。其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。

最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長約200bp的一段DNA，可使旁側的基因轉錄提高100倍，其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強子。增強子通常占100－200bp長度，也和啟動子一樣由若干組件構成，基本核心組件常為8－12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。第九十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五增強子的特點1.所在位置不固定:可位于結構基因的上游、下游甚至結構基因內。2.可遠距離作用（可近可遠，遠的可達幾十kb）。3.無基因特異性：即對各種基因均有作用，但有組織或細胞特異性。4.增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用:沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。但增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉錄。第九十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期五增強子的作用機理

增強子的作用機理雖然還不明確，但與其他順式調控元件一樣，必須與特定的蛋白質因子結合后