生物化学
物质代 糖复合物 谢 生物分子 糖、脂类、蛋白质、 核苷酸代谢； 核酸、蛋白质、 生物氧化、 酶、维生素 代谢的调节 癌基因与 细胞信号转导 血液生化 抑癌基因 肝胆生化 DNA、RNA、蛋白质 生物合成；基因表达调控； 基因技术 综合篇 遗传信息
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基因表达的调控
Regulation of Gene Expression
• 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。
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
CAP
CAP-cAMP复合物
转录产物
cAMP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。
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
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
Байду номын сангаас
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）
• 管家基因的表达只与启动序列（或称为启动子） 和RNA聚合酶有关，基本上不受环境因素和其他 因素的影响。管家基因的表达方式称为组成性表 达（constitutive expression）。
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• 相对于管家基因，另外一些基因极易受到外界环 境因素的影响。
• 在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或 增强性的表达，而另一些则表现出关闭性或抑制 性的表达。因此它们分别称为诱导表达 （induction expression）和阻遏表达 （repression expression）。这些基因分别称 为可诱导（inducible）基因和可阻遏 （repressible）基因。
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转录衰减子终止了转录
当色氨酸含量丰富时，有足够的色氨酸用于合 成前导肽。核蛋白体可顺利通过序列1，并继续向 前与序列2结合。核蛋白体与序列1和序列2的结合， 使序列3和序列4形成了3:4茎-环结构。这一结构与 随后的多聚U序列使RNA聚合酶终止了转录。
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转录衰减子
• 转录衰减子（transcription attenuator）：
一、 操纵子模型是原核生物基因表 达的基本模式
• 1960年，法国巴黎巴斯德研究所的 F. Jacob 和 J. L. Monod 发现大肠杆菌在不含乳糖只含葡萄糖的 培养基中不分泌 b-半乳糖苷酶，只有在只含乳糖 的培养基中才能分泌 b -半乳糖苷酶。分析表明这 是由于在不含乳糖的培养基中不产生编码 b-半乳 糖苷酶的mRNA的结果。 • 1961年，他们首次提出了乳糖操纵子概念。由此 贡献，他们分享了1965年度的Noble生理医学奖。
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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。
• 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
cAMP-CAP 结合部位
操纵序列
通透酶 半乳糖苷酶 半乳糖苷转乙酰基酶
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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）。
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中心法则
转录
Replication 复制 Reverse transcription
翻译
逆转录
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• 基因组：一个细胞或生物体所携带的一套完整的 单个遗传物质或整套基因。
• 基因表达：遗传信息经过转录和翻译等一系列过 程，合成特定的RNA和蛋白质，进而发挥其特定 的生物功能的全过程。 • 基因的表达是可调控的：生物体通过特定的蛋白 质-DNA以及蛋白质-蛋白质之间的相互作用来控 制基因表达的过程。其目的是满足自身发育的需 求及适应环境的变化。
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。
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。
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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）。
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
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色氨酸操纵子 mRNA 前导序列
trpR P O trpL trpE trpD trpC trpB trpA
转录
5'
序列1 AUG UGA 翻译
序列2
序列3
序列4
UUUU
3'
前导mRNA
MKAIFVLKGWWRTS
前导肽
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前导序列的发夹结构
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转录中的色氨酸操纵子
当色氨酸的浓度降低时，核蛋白体在合成前导肽 的两个色氨酸部位上出现暂停，占据了序列1。而此 时的转录仍在进行，序列2和序列3形成了稳定的2:3 茎-环结构。RNA聚合酶可以转录5个结构基因。
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。
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
lacI
Plac
lacO
lacZ
lacY RNApol lacA