阻遏蛋白 阻遏基因
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调控序列
结构基因
lacI
Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
cAMP-CAP 结合部位 阻遏蛋白 阻遏基因
启 动 操纵序列 子
半乳糖苷酶
通透酶 半乳糖苷转乙酰基酶



结构基因 lacZ、lacY、lacA: 分别编码 b-半 乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的 基因呈多顺反子转录。 操纵序列（operator，o）: 阻遏蛋白的结合位 点。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，lac 的转录 将受到阻遏。 阻遏基因 lacI: 编码与操纵序列结合的阻遏蛋 白。 启动子（promoter）: 位于 lacI 和 lacO 之间。
• 诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环 境的改变而做出的两种表现形式。 7
二、基因表达调控是多层次协调 的复杂过程
• 基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达 调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的 调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻 译水平的调控和翻译后水平的调控。
• 转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。
译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精
细调节。
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氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列
苏
苯丙
组
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三、分解代谢和合成代谢操纵子的 调节机制
操纵子 乳糖操 纵子 色氨酸 操纵子 操纵子调 控的过程 分解代谢 合成代谢 基础 状态 调控方式
由诱导剂开 关闭 放表达 由辅阻遏剂 开放 关闭表达
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第三节 真核生物基因表达调控
外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP 合成。
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CAP-cAMP 复合物
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CAP 的正调控作用
CAP CAP
lacI
CAP
Plac
lacO
lacZ
lacY RNApol lacA
CAP
CAPMP与CAP的二聚物形成复合物后，结合在CAP
结合位点上，促使转录的启动。
乳糖
CH2OH OH OH OH OH O
半乳糖
CH2OH O OH OH OH
O
CH2 O OH
OH
别乳糖
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OH OH
Lac 操纵子的基因表达调节
• 在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。
• 乳糖在 b-半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳
糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚 体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转 录 lac 操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂 （inducer）。
真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表 达复杂的多，其原因在于： 1. 大小不同。大肠杆菌基因组的长度为4 × 10 bp， 约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为~ 9 10 bp，约有3万~3.5万个基因。 2. 编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是 编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列 编码蛋白质、rRNA和tRNA等，其余90%的序 列功能至今尚不清楚。
血红蛋白亚基的合成量（％）
人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达
50 40 30 20 10
a g
a
b
z
6
e
b
12 18 24 30 36
d
g
3 新生儿期（月龄） 6
10
胎儿期（周龄）
四、基因表达受顺式作用元件和反 式作用因子共同调节
• 一个基因是否表达和表达多少与调节序列 （regulatory sequence）密切相关。调节 序列位于被调控的结构基因（structural gene）的上游，具有特定的核苷酸序列。
• 但是，乳糖操纵子是一个弱启动子
(TTTACA/TATGTT) ，需要一个正调控机制来促 使转录的启动。
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分解代谢物基因激活蛋白CAP 的结合位点
CAP-cAMP 结合部位

CAP：catabolite gene activation protein CAP的结合位点在 -60 处。


CAP以同源二聚物的形式与 cAMP 结合，形成 CAP-cAMP复合物结合在 CAP结合位点上。
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根据调节序列与结构基因的相对位臵关系， 人们将这些调节序列称为顺式作用元件 （cis-acting element），包括启动子 （promoter）、增强子（enhancer）、沉 默子（silencer）等。
有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元 件结合，共同实现调节基因表达的目的， 它们被称为反式作用因子（trans-acting factor）。
lacO
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乳糖操纵子的意义
• 阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同
担负着原核生物体系内糖源的协调利用。
• 乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核
生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全 耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。
• 乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节
机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生 物学的一个划时代的突破。（1965年Nobel奖）
CAP
CAP
cAMP
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阻遏蛋白和CAP共同参与的协同调控
乳糖缺乏 乳糖存在
Plac 葡萄糖缺乏 lacI
RNApol
lacO lacI
Plac
RNApol
lacO
CAP-cAMP 复合体 CAP-cAMP 结合部位 Plac 葡萄糖存在 lacI
RNApol
mRNA
lacO lacI
Plac
RNApol
操纵子前导区内一段类似于终止子结构的 DNA序列，其作用是减弱操纵子的转录， 实现对转录过程的精确调节。
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转录衰减子的意义
• 转录衰减子的形成使RNA聚合酶无法对已
经启动的操纵子中的结构基因进行转录，
而终止转录的茎-环结构的形成又依赖于核
糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。
由此可见，衰减作用充分利用了转录和翻
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三、基因表达具有时空特异性
• 空间特异性（即组织特异性）：同一基因 产物在不同的组织器官中的分布是不同的， 某些基因在一种组织中暂不表达或永不表 达，而另外一些基因是相反的情况。 血红蛋白与肌红蛋白 同工酶
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•时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生 长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺 序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和 发育。
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二、翻译水平的调控是对转录调控 的补充
• 原核生物基因表达的时空性决定了转录和
翻译过程的偶联。
• 色氨酸操纵子（trp operon）是典型的转
录和翻译过程的偶联。
• 转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译
的偶联而实现的。
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色氨酸操纵子（trp operon）
trpR P O trpL trpE trpD trpC trpB trpA
调节区
结构基因

结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB 和 trpA 上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（P）、 前导序列（trpL）和操纵序列（O）。

启动子（P）和操纵序列（O）有部分重叠。
30
31
开放状态的色氨酸操纵子
P trpR RNApol O trpL 结构基因
mRNA Trp阻遏蛋白
4
第一节 基因表达调控的基本性质
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
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一、诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普通方式
• 有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体 中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管 家基因（housekeeping gene）。
当培养基中色氨酸含量很少时，trpR 阻遏蛋白以 同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列 O 结合， 使得RNA聚合酶能够启动转录。
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关闭状态的色氨酸操纵子
RNApol
trpR
P
trpL
结构基因
Trp
Trp阻遏蛋白
当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白 结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨 酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。—————粗 调开关
• 1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分 离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
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乳糖操纵子（Lac operon）的结构
调控序列 结构基因
lacI
Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
启动子 操纵序列
cAMP-CAP 结合部位 半乳糖苷酶
通透酶 半乳糖苷转乙酰基酶
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第二节 原核生物基因表达调控
Gene Expression Regulation for Prokaryotes
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原核生物基因组是一个闭合环 状的DNA分子。
原核生物的细胞结构也比较简 单，它的全部物质（DNA， RNA和蛋白质）都包容在细 胞膜内。
DNA
转录
mRNA
翻译
蛋白
原核生物基因组的转录和翻译 在同一空间内完成，时间上 的差异不大。在转录过程终 止之前，mRNA就已经结合 在由rRNA和核蛋白体蛋白 共同构成的核蛋白体上，开 14 始了蛋白质的生物合成。
LacI 阻遏蛋白与 DNA 结合的复合物
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别乳糖诱导的 lac 操纵子表达
细胞膜 lacI
RNApol Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
半乳糖苷酶
通透酶
别乳糖 诱导剂
乳糖