第十五級(jí)基因表達(dá)的調(diào)控

基因表達(dá)（geneexpression）(自己看書20分鐘,因大多數(shù)我們都涉及到過)

是指基因轉(zhuǎn)錄成mRNA，然后進(jìn)一步翻譯成蛋白質(zhì)的過程。

最早是法國(guó)巴斯德研究院的Jacob和Monod于1960年在研究大腸桿菌對(duì)乳糖代謝時(shí)發(fā)現(xiàn)的:

蛋白質(zhì)的生物合成(基因的表達(dá))是受到調(diào)節(jié)的，于是提出了操縱子學(xué)說（theoryofoperon），使人們能夠從分子水平認(rèn)識(shí)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。

當(dāng)前第1頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

機(jī)體能在基因表達(dá)過程的任何階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工及翻譯階段進(jìn)行調(diào)節(jié)。原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)錄和翻譯可在同一時(shí)間和位置上發(fā)生，基因表達(dá)的調(diào)節(jié)主要在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行。當(dāng)前第2頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

真核生物由于存在細(xì)胞和結(jié)構(gòu)的分化，轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在時(shí)間和空間上被彼此分隔開，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后還有復(fù)雜的加工過程，因此基因表達(dá)在不同水平上都要進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)前第3頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)基因與基因組（課堂都涉及到過,再介紹顯得羅嗦）

一、DNA與基因DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，位于染色體上，由不同的核苷酸按一定的順序排列而成，基因（gene）是遺傳的基本單位。一條染色體上有多個(gè)基因，它們?cè)谌旧w上線性排列組成連鎖群，確切的說，基因是指具有特定生物遺傳信息的DNA序列。當(dāng)前第4頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)基因按其功能可分為結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因。

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）是指可被轉(zhuǎn)錄為mRNA，并被翻譯成各種具有生物功能的蛋白質(zhì)的DNA序列。

調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）是指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的DNA序列。轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)、間隔序列，3′端剪切信號(hào)和多聚腺苷酸以及與初始RNA轉(zhuǎn)錄剪接有關(guān)的非編碼序列都包括在所指的基因中（圖16?1）。

當(dāng)前第5頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

圖16?1DNA與基因的關(guān)系

當(dāng)前第6頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因

在原核生物中占整個(gè)DNA分子的大部分，在真核生物中只占一小部分。在結(jié)構(gòu)基因間含有一些沒有編碼功能的間隔區(qū)（spacerregion），其中包括一些復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯過程的控制區(qū)（controlregion），即可被調(diào)節(jié)分子識(shí)別的序列。一個(gè)基因是否表達(dá)受與調(diào)節(jié)區(qū)DNA序列結(jié)合的調(diào)節(jié)分子的控制。

當(dāng)前第7頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

真核生物的結(jié)構(gòu)基因包括3個(gè)區(qū)域：①編碼區(qū)：包括外顯子與內(nèi)含子；②前導(dǎo)區(qū)：位于編碼區(qū)上游，相當(dāng)于mRNA5‘端非編碼區(qū)；③調(diào)節(jié)區(qū)：包括調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的側(cè)翼序列，如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等（圖

16?2）。當(dāng)前第8頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

1977年發(fā)現(xiàn)大多數(shù)真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因是不連續(xù)基因（斷裂基因）

，

即一個(gè)完整的基因被一個(gè)或多個(gè)插入的片段所間隔，這些插入不編碼的的序列稱為內(nèi)含子，被間隔的編碼蛋白質(zhì)的基因部分稱為外顯子。

外顯子被內(nèi)含子隔列成若干片段，稱為斷裂基因或隔裂基因。

當(dāng)前第9頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)圖16?2真核生物基因的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)前第10頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

基因大小

由于斷裂基因的存在，基因比實(shí)際編碼蛋白質(zhì)的序列要大得多。與整個(gè)基因相比，編碼蛋白質(zhì)的外顯子較小，大多數(shù)外顯子編碼的氨基酸數(shù)少于100。基因的大小主要取決于它所包含的內(nèi)含子的長(zhǎng)度和數(shù)量，與外顯子的大小和數(shù)量關(guān)系不大，許多長(zhǎng)基因并非其編碼序列較長(zhǎng)，而是其含有較長(zhǎng)的內(nèi)含子。

當(dāng)前第11頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)重疊基因（overlappinggene）

在一些原核生物基因中，兩個(gè)鄰近的基因可發(fā)生重疊，并以不同的可讀框被閱讀，表達(dá)不同的蛋白質(zhì)，這種基因稱重疊基因。

基因的重疊可以是部分重疊，也可以是一個(gè)基因包含在另一個(gè)基因內(nèi)，部分重疊使用不同的閱讀框。

當(dāng)前第12頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)基因組（genome）是細(xì)胞或生物體的全套遺傳物質(zhì)。

原核生物的基因組是指單個(gè)染色體上所含的全部基因。

真核生物的基因組是指維持配子或配子體正常功能的最基本的一套染色體及其所攜帶的全部基因。

不同種生物及同種生物的不同個(gè)體之間基因組的大小或基因數(shù)目不是固定不變的。

當(dāng)前第13頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

第二節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

一、操縱子模型

操縱子模型（operonstructuralmodel）是原核生物基因表達(dá)調(diào)節(jié)的重要方式。

所謂操縱子（operon）是指原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)序列或功能單位，有共同的控制區(qū)（controlregion）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（regulationsystem）當(dāng)前第14頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)基因表達(dá)調(diào)控可分為四級(jí)：

轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

mRNA加工調(diào)控

翻譯水平調(diào)控

蛋白質(zhì)活性調(diào)控等當(dāng)前第15頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄或翻譯過程都有特定的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，其中轉(zhuǎn)錄的調(diào)控占主導(dǎo)地位。

因此，基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行。

生物體的代謝調(diào)節(jié)盡管有不同的途徑和水平，最根本還是基因的表達(dá)調(diào)控。

基因表達(dá)即遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平。

當(dāng)前第16頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

如原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)錄水平）

本世紀(jì)三十年代，H.Karstrom在對(duì)糖代謝過程中的某些酶的合成進(jìn)行研究時(shí)提出：誘導(dǎo)酶與組成酶。

酶合成誘導(dǎo)現(xiàn)象—JacobandMonod的工作：

已知分解利用乳糖的酶有：-半乳糖苷酶；-半乳糖苷透過酶；硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶（了解）。

當(dāng)前第17頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

(一)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(1)大腸桿菌生長(zhǎng)在只有葡萄糖培養(yǎng)基上時(shí)，細(xì)胞內(nèi)無上述三種酶合成，不能代謝乳糖。

(2)大腸桿菌生長(zhǎng)在唯一碳源乳糖培養(yǎng)基上時(shí)細(xì)胞內(nèi)有上述三種酶合成，能夠代謝乳糖。

當(dāng)前第18頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

(３)當(dāng)培養(yǎng)基中既有乳糖又有葡萄糖時(shí)，三種酶基本消失，只有葡萄糖耗盡時(shí)三種酶又出現(xiàn)開始利用乳糖，此時(shí)葡萄糖阻抑了乳糖的代謝。

表明菌體生物合成的經(jīng)濟(jì)原則：需要時(shí)才合成。

當(dāng)前第19頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

某些代謝物或底物可以誘導(dǎo)某些酶的合成，是通過促進(jìn)為該酶編碼的基因的表達(dá)而進(jìn)行的，這種現(xiàn)象叫做酶合成的誘導(dǎo)。

能誘導(dǎo)酶合成的物質(zhì)叫誘導(dǎo)物。被誘導(dǎo)合成的酶叫誘導(dǎo)酶。

JacobandMonod的工作：

提出了操縱子學(xué)說，這是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了從分子水平上認(rèn)識(shí)基因表達(dá)受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控的時(shí)代。

這項(xiàng)重大貢獻(xiàn)他們獲得1965年的諾貝爾獎(jiǎng)。當(dāng)前第20頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

(二)操縱子

包括參與一個(gè)代謝途徑的幾個(gè)酶的基因編碼在一起形成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。

所謂操縱子（operon）是指原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)序列或功能單位，有共同的控制區(qū)（controlregion）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（regulationsystem）。

或者說是在DNA上控制蛋白質(zhì)合成的一個(gè)功能單位。

當(dāng)前第21頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)(三)操縱子結(jié)構(gòu)

操縱子包括在功能上彼此相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及在結(jié)構(gòu)基因前面的控制部位。

一個(gè)操縱子的全部基因都排列在一起。

其中調(diào)節(jié)基因可遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，控制部位可接受調(diào)解基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。

結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)基因、操縱基因

當(dāng)前第22頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

①結(jié)構(gòu)基因

指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的基因，在原核生物中，它包括參與同一代謝途徑的幾個(gè)酶的基因，在功能上是相關(guān)的（多順反子）。

②操縱基因決定著結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄或不轉(zhuǎn)錄，當(dāng)~“開放”時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，“關(guān)閉”時(shí)，不轉(zhuǎn)錄，操縱基因的“開關(guān)”由調(diào)節(jié)基因決定。一般位于結(jié)構(gòu)基因上游。

當(dāng)前第23頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

④調(diào)節(jié)基因

~能編碼一種蛋白質(zhì)—阻抑蛋白，它是一種變構(gòu)蛋白。

分子表面有兩個(gè)配基結(jié)合部位，一個(gè)與操縱基因結(jié)合，一個(gè)與效應(yīng)物結(jié)合（阻抑蛋白或輔阻抑蛋白）。

③啟動(dòng)基因位于操縱基因上游。與RNA聚合酶結(jié)合的部位。當(dāng)前第24頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)基因表達(dá)調(diào)控啟動(dòng)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因……調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)蛋白R(shí)NA聚合酶結(jié)合部位調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合部位，決定轉(zhuǎn)錄與否操縱子mRNAmRNA（阻抑蛋白）當(dāng)前第25頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

大腸桿菌乳糖操縱子是第一個(gè)被子發(fā)現(xiàn)的操縱子（Monod和Jacob，1961）

當(dāng)前第26頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

乳糖操縱子（lac）—誘導(dǎo)型操縱子

人們?cè)?0世紀(jì)初就發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：在大腸桿菌培養(yǎng)基中即加入葡萄糖，又加入乳糖，大腸桿菌不利用乳糖。

如果將大腸桿菌培養(yǎng)在以乳糖為唯一碳源的培養(yǎng)基上時(shí)，2~3min內(nèi)b-半乳糖苷酶增加到原來的1000倍。若從培養(yǎng)基上除去乳糖，則該酶的合成在2~3min內(nèi)停止。同時(shí)發(fā)現(xiàn)除b-半乳糖苷酶外，b-半乳糖苷透性酶、b-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶也一切被誘導(dǎo)合成。

以上現(xiàn)象說明三種酶的基因平時(shí)是關(guān)閉的。當(dāng)前第27頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

大腸桿菌培養(yǎng)過程中如果缺少乳糖，細(xì)胞中就不含有代謝乳糖的酶。在培養(yǎng)基中加入乳糖后，大腸桿菌就能在幾分鐘內(nèi)合成出與乳糖水解有關(guān)的酶，使之能利用這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

由乳糖誘導(dǎo)產(chǎn)生的與乳糖水解相關(guān)的三種酶：-半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶，被稱為誘導(dǎo)酶。

這種由于底物存在而導(dǎo)致作用該底物的酶合成的現(xiàn)象稱酶的誘導(dǎo)。以下介紹乳糖操縱子結(jié)構(gòu):

當(dāng)前第28頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

①乳糖操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)（negativecontrol）

是指開放的乳糖操縱子可被調(diào)節(jié)基因的編碼產(chǎn)物阻抑蛋白所關(guān)閉。當(dāng)大腸桿菌培養(yǎng)基中只有葡萄糖而沒有乳糖時(shí)，阻抑蛋白可與操縱基因結(jié)合。當(dāng)前第29頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

LacI基因表達(dá)的產(chǎn)物是—阻抑蛋白其功能：阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，阻抑蛋白(活化狀態(tài))與操縱基因結(jié)合（位于啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因之間），可阻止RNA聚合酶在啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，這種調(diào)節(jié)稱為陰性調(diào)節(jié)（負(fù)調(diào)節(jié)）。

因培養(yǎng)基中無乳糖不需要利用乳糖的酶。當(dāng)前第30頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

在沒有乳糖時(shí)，乳糖操縱子一直處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可避免造成浪費(fèi)。當(dāng)葡萄糖耗盡且有乳糖存在時(shí)，乳糖操縱子的抑制將被解除，使細(xì)菌能夠利用乳糖。

當(dāng)前第31頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，阻抑蛋白可與誘導(dǎo)物結(jié)合，引起阻抑蛋白構(gòu)象改變，使其與操縱基因的親和力降低，不能與操縱基因結(jié)合或從操縱基因上解離。乳糖操縱子開放，RNA聚合酶結(jié)合于啟動(dòng)子，并順利通過操縱基因，進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生大量分解乳糖的酶，以乳糖為能源進(jìn)行代謝。

當(dāng)前第32頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)啟動(dòng)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因lacZlacAlacY①酶合成的誘導(dǎo)乳糖操縱子……調(diào)節(jié)基因……阻抑蛋白mRNA基因關(guān)閉不轉(zhuǎn)錄基因打開轉(zhuǎn)錄mRNAb-半乳糖苷酶b-半乳糖苷透性酶b-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶阻抑蛋白mRNA無乳糖(有乳糖）誘導(dǎo)物(乳糖等)當(dāng)前第33頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

②乳糖操縱子的正調(diào)節(jié)（positivecontrol）

大腸桿菌乳糖操縱子為什么還要選擇選擇正調(diào)節(jié)作用？因?yàn)樨?fù)調(diào)節(jié)只能對(duì)乳糖的存在作出應(yīng)答，當(dāng)只有乳糖存在時(shí)就足以激活操縱子。

當(dāng)前第34頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

但當(dāng)培養(yǎng)基中既有葡萄糖又有乳糖同時(shí)存在時(shí)，僅有負(fù)調(diào)節(jié)作用不能滿足大腸桿菌對(duì)能量代謝的需要。

當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)激活乳糖操縱子是一種浪費(fèi)，因而此時(shí)乳糖操縱子處于非活化狀態(tài)，有利于葡萄糖的代謝。當(dāng)前第35頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)大腸桿菌利用完葡萄糖后再激活乳糖操縱子，從而利用乳糖繼續(xù)生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象稱葡萄糖阻抑（glucoserepression）或分解代謝產(chǎn)物阻抑（cataboliterepression）。當(dāng)前第36頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

在培養(yǎng)基中加入葡萄糖，則乳糖代謝停止，大腸桿菌又轉(zhuǎn)向利用葡萄糖而不利用乳糖，可見葡萄糖阻遏了乳糖代謝，只有當(dāng)葡萄糖消耗殆盡，阻遏解除，大腸桿菌又能利用乳糖。

因?yàn)?，在乳糖操縱子的調(diào)控中還有另一個(gè)蛋白質(zhì)在起作用—降解物基因活化蛋白（CAP，cAMP受體蛋白）。

CAP的功能：

可特意結(jié)合在啟動(dòng)子；

促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄（陽性調(diào)控）。當(dāng)前第37頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)游離的CAP是不能與啟動(dòng)子結(jié)合，必須在細(xì)胞內(nèi)有足夠的cAMP時(shí)，CAP與cAMP形成復(fù)合物（正調(diào)節(jié)因子），此復(fù)合物才能與啟動(dòng)子結(jié)合。

因此CAP也稱做cAMP受體蛋白。葡萄糖降解產(chǎn)物能降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量。當(dāng)向乳糖培養(yǎng)基中加入葡萄糖時(shí)，造成cAMP濃度降低，CAP便不能結(jié)合在啟動(dòng)子上。當(dāng)前第38頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)葡萄糖的降解物對(duì)腺苷酸環(huán)化酶有抑制作用，則cAMP的濃度降低，CAP-cAMP復(fù)合物減少，不能與啟動(dòng)子結(jié)合，故轉(zhuǎn)錄不得進(jìn)行。

此時(shí)，即使有乳糖存在也不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，所以仍不能利用乳糖。當(dāng)前第39頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

cAMP水平受大腸桿菌葡萄糖代謝狀況的影響。

當(dāng)葡萄糖水平低時(shí)，cAMP濃度升高，cAMP與CRP結(jié)合，使CAP構(gòu)象改變，激活乳糖操縱子，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，使大腸桿菌能夠利用乳糖。

向含有乳糖的培養(yǎng)基中加入葡萄糖，由于葡萄糖濃度升高，cAMP水平降低，CAP與啟動(dòng)子的親和力降低，乳糖操縱子被抑制，此時(shí)，即使有乳糖存在大腸桿菌仍不能利用乳糖。當(dāng)前第40頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP復(fù)合物mRNA

+

當(dāng)葡萄糖水平低時(shí)，cAMP濃度升高，cAMP與CAP結(jié)合，激活乳糖操縱子，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，使大腸桿菌能夠利用乳糖。當(dāng)前第41頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)大腸桿菌乳糖操縱子受到兩方面的調(diào)節(jié)：一是對(duì)操縱基因的負(fù)調(diào)節(jié)；二是對(duì)RNA聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子上的正調(diào)節(jié)；兩種調(diào)節(jié)作用使大腸桿菌能夠靈敏地應(yīng)答環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)的變化，有效地利用能量以利于生長(zhǎng)。當(dāng)前第42頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)色氨酸操縱子

色氨酸操縱子（trpoperon）含有大腸桿菌合成色氨酸所需酶的結(jié)構(gòu)基因，如lac操縱子一樣，trp操縱子也傾向于由阻抑蛋白產(chǎn)生的負(fù)調(diào)節(jié)，但兩種操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)有著本質(zhì)的區(qū)別。lac操縱子編碼分解代謝的酶，分解乳糖，當(dāng)該物質(zhì)出現(xiàn)時(shí)操縱子被開放。Trp操縱子編碼合成代謝的酶，合成色氨酸，操縱子通常被該物質(zhì)所關(guān)閉。同時(shí)，trp操縱子還存在一種弱化作用（attenuation）的調(diào)節(jié)機(jī)制。當(dāng)前第43頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)色氨酸操縱子的弱化作用調(diào)節(jié)當(dāng)前第44頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

色氨酸操縱子由調(diào)節(jié)基因（trpR）、啟動(dòng)子、操縱基因和5個(gè)相連的結(jié)構(gòu)基因組成，結(jié)構(gòu)基因分別編碼催化分支酸合成色氨酸的3種酶的多肽鏈。前兩個(gè)基因——trpE和trpD編碼色氨酸合成第一步反應(yīng)的酶，第3個(gè)基因trpC編碼催化第二步反應(yīng)的酶，后兩個(gè)基因trpB和trpA編碼催化第三步和最后反應(yīng)的酶。當(dāng)前第45頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)調(diào)節(jié)基因距結(jié)構(gòu)基因較遠(yuǎn)，可控制合成trp操縱子阻抑蛋白。啟動(dòng)子和操縱基因位于結(jié)構(gòu)基因的前面，操縱基因完全位于啟動(dòng)子之內(nèi)。在操縱基因與結(jié)構(gòu)基因trpE之間有一段由162個(gè)核苷酸組成的前導(dǎo)序列（trpL），前導(dǎo)序列內(nèi)有一段弱化子（attenuator，a）序列。

當(dāng)前第46頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)

無色氨酸時(shí)，阻抑蛋白（無活性狀態(tài)）以游離的形式存在，不能結(jié)合操縱基因，所以結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，合成色氨酸。

但當(dāng)生成色氨酸過量時(shí)能與阻遏物形成復(fù)合物，此復(fù)合物可與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，這種以終產(chǎn)物阻止基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理稱為反饋?zhàn)瓒?。此終產(chǎn)物（色氨酸）成為輔阻抑物。當(dāng)前第47頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

色氨酸操縱子—阻抑型操縱子

細(xì)菌的氨基酸合成也是由操縱子調(diào)節(jié)，需要某種氨基酸時(shí)其操縱基因開放，不需要時(shí)關(guān)閉。

與lac操縱子區(qū)別：

lac操縱子阻遏蛋白僅作用于lacZYA基因簇的操縱基因；色氨酸操縱子阻遏蛋白通過結(jié)合多個(gè)操縱基因控制散在分布的結(jié)構(gòu)基因，它可控制三套不直接相連的基因。

當(dāng)前第48頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

lacI阻遏蛋白表達(dá)的產(chǎn)物是—阻抑蛋白，其功能：阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，阻抑蛋白與操縱基因結(jié)合，可阻止RNA聚合酶在啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，這種調(diào)節(jié)稱為陰性調(diào)節(jié)。因培養(yǎng)基中無乳糖不需要利用乳糖的酶。當(dāng)前第49頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

無色氨酸時(shí)，阻抑蛋白（無活性狀態(tài)）一游離的形式，不能結(jié)合操縱基因，所以結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，合成色氨酸。

但當(dāng)生成色氨酸過量時(shí)能與阻遏物形成復(fù)合物，此復(fù)合物可與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，這種以終產(chǎn)物阻止基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理稱為反饋?zhàn)瓒?。此終產(chǎn)物（色氨酸）成為輔阻抑物。

當(dāng)前第50頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)調(diào)節(jié)基因……基因關(guān)閉不轉(zhuǎn)錄阻抑蛋白mRNA(無色AA)啟動(dòng)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻抑蛋白mRNA輔阻抑物(有色氨酸)(有)……mRNA磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶a亞基色氨酸合成酶b亞基

酶合成的阻遏--------色氨酸操縱子基因開放轉(zhuǎn)錄阻抑蛋白不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)代謝產(chǎn)物與阻抑蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象發(fā)生變化與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不能表達(dá)當(dāng)前第51頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

調(diào)控方式的意義

在色氨酸充足時(shí)，色氨酸–阻遏物復(fù)合體結(jié)合操縱基因完全阻斷轉(zhuǎn)錄；

在色氨酸水平下降很低時(shí)，阻遏消除，轉(zhuǎn)錄開放，合成色氨酸。這樣也不易保持細(xì)菌色氨酸水平的恒定，后來又發(fā)現(xiàn)一個(gè)調(diào)控結(jié)構(gòu)稱為衰減子。當(dāng)前第52頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

色氨酸操縱子的弱化作用調(diào)節(jié)

上述調(diào)控方式，會(huì)造成在色氨酸充足時(shí)。色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體結(jié)合操縱基因完全阻斷轉(zhuǎn)錄，在色氨酸水平很低時(shí)，阻遏消除，轉(zhuǎn)錄開放，合成色氨酸。這樣不易保持細(xì)菌色氨酸水平的恒定。后來發(fā)現(xiàn)色氨酸操縱子中存在一個(gè)輔助調(diào)控結(jié)構(gòu)，可用以終止和減弱轉(zhuǎn)錄，這個(gè)調(diào)控結(jié)構(gòu)稱弱化子（衰減子，attenuator),即前導(dǎo)序列。前導(dǎo)序列編碼一小段14肽。在14肽里有兩個(gè)色氨酸（UGG）密碼子，在調(diào)節(jié)中起著重要作用。當(dāng)前第53頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)弱化子的作用：在色氨酸相對(duì)較多時(shí)減弱操縱子的轉(zhuǎn)錄，弱化子通過引起轉(zhuǎn)錄的提前終止而發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

轉(zhuǎn)錄的提前終止是由于在弱化子序列內(nèi)含有一個(gè)轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)——終止子，終止子的一個(gè)反向重復(fù)序列后緊接著8個(gè)A-T堿基對(duì)。由于反向重復(fù)序列的存在，在此區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物易形成后面帶有8個(gè)U的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，一旦形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶即停止移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄終止。當(dāng)前第54頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)在最穩(wěn)定的終止子結(jié)構(gòu)中，1區(qū)與2區(qū)配對(duì)，3區(qū)與4區(qū)配對(duì)，形成兩個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)，3-4區(qū)后緊接著8個(gè)U序列。當(dāng)前第55頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)色氨酸含量低時(shí)，不能形成足夠的色氨酰-tRNA，翻譯進(jìn)行至前導(dǎo)序列的2個(gè)色氨酸密碼子時(shí)，核糖體停止移動(dòng)。此時(shí)核糖體位于1區(qū)，因此1區(qū)和2區(qū)不能形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，而2區(qū)和3區(qū)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，3、4區(qū)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)不能形成，致使不能形成有效的轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶可通過弱化子序列繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，結(jié)構(gòu)基因得以表達(dá)，產(chǎn)生色氨酸。當(dāng)前第56頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)色氨酸含量高時(shí)，核糖體不停止移動(dòng)，3、4區(qū)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成有效的轉(zhuǎn)錄終止子，RNA聚合酶不能通過，轉(zhuǎn)錄終止，結(jié)構(gòu)基因不能表達(dá)，使色氨酸含量降低。當(dāng)前第57頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第58頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)可以與mRNA堿基配對(duì)的小分子RNA

功能：可以通過與mRNA堿基配對(duì)而阻止mRNA的翻譯，從而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，是一種翻譯水平的調(diào)控。mRNA反義RNA不可以翻譯可以翻譯

反義RNA以下不介紹當(dāng)前第59頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)反義RNA的調(diào)節(jié)（本課程結(jié)束）反義RNA（antisenseRNA）是指能與mRNA互補(bǔ)結(jié)合從而阻斷mRNA翻譯的RNA分子，它是反義基因（antisensegene）和/或基因的反義鏈（antisensestrand）轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，它對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是一種翻譯水平的調(diào)節(jié)。當(dāng)前第60頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)

接著介紹PCR與核苷酸序列測(cè)定。當(dāng)前第61頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)真核生物是否也有反義RNA，從反義RNA的定義看，真核細(xì)胞中不少RNA表現(xiàn)出反義RNA的功能。如DNA復(fù)制需要RNA作引物；單鏈DNA或RNA與互補(bǔ)鏈的雜交；mRNA5′端SD序列與核糖體30s亞基中16srRNA3′端的互補(bǔ)；tRNA的反密碼與mRNA密碼的互補(bǔ)等。

當(dāng)前第62頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)根據(jù)這些核酸間相互識(shí)別與作用的事實(shí)，有人提出在生物體內(nèi)存在反義RNA網(wǎng)絡(luò)的假說。認(rèn)為“反義”僅僅是對(duì)靶序列而言，體內(nèi)RNA似乎都可以看成反義RNA。它們不是這條DNA鏈的反義RNA，就是另?xiàng)lDNA鏈的反義RNA，從整體上構(gòu)成一種反義RNA的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮著不同的功能。雖然這僅是一種假說，但可以促進(jìn)人們對(duì)RNA功能的認(rèn)識(shí)。

當(dāng)前第63頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)反義RNA調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是高度的特異性，一種反義RNA抑制一種mRNA。根據(jù)這種原理設(shè)計(jì)人工反義RNA，抑制靶基因表達(dá)，達(dá)到治療疾病的目的，即為基因治療。如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒及人的愛滋病病毒等都是單鏈RNA病毒，可利用反義RNA抑制這些病毒在體內(nèi)的復(fù)制，以及用反義RNA抑制癌基因的表達(dá)等，從而達(dá)到治療病毒性疾病和癌癥的目的。

當(dāng)前第64頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)16.1真核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

真核生物，真核生物基因當(dāng)前分子生物學(xué)研究的重點(diǎn)已從原核生物轉(zhuǎn)向表達(dá)的調(diào)節(jié)已成為最活躍的研究領(lǐng)域之一。對(duì)真核生物基因表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識(shí)將使人們能更有效地控制真核生物的生長(zhǎng)發(fā)育。

當(dāng)前第65頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)真核生物基因的表達(dá)可隨細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的改變和時(shí)序的變化在不同水平上進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，不同水平上的調(diào)節(jié)主要包括基因轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄起始和過程、轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由胞核向胞漿的轉(zhuǎn)運(yùn)以及mRNA的翻譯與翻譯后加工的調(diào)節(jié)，其中主要表現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)。

當(dāng)前第66頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)16.1.1轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié)

真核生物的基因組DNA在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白構(gòu)成核小體成為染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，典型的間期核染色質(zhì)分為密集的異染色質(zhì)和松散的常染色質(zhì)，常染色質(zhì)中10%為處于開放的疏松狀態(tài)的活性染色質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)特征形成了真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上獨(dú)特的調(diào)節(jié)機(jī)制。

當(dāng)前第67頁\共有75頁\編于星期五\10點(diǎn)16.1.1轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)

16.1.1.1基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)節(jié)元件

真核生物基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)主要是通過反式作用因子