第五章 基因表达的调控 ( Regulation and control of gene expression )

1. 第五章基因表达的调控(Regulation and control of gene expression)

2. Translation 一、基因表达的概念 基因表达( gene expression) 生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。

3. （一）时间特异性 按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。如病毒感染。 二、基因表达的时间性及空间性

4. （二）空间特异性 指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异性。

5. 三、基因表达的方式 按对刺激的反应性分为两大类： （一）基本（组成性）表达 (constitutive gene expression) 基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。如管家基因。

6. 1 2 bcl-2 β-actin 管家基因(housekeeping gene) 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。

7. 常用的管家基因 中文名称 英文缩写 Beta－肌动蛋白 β-actin 甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP 18s 核糖体核糖核酸 18s rRNA 微管蛋白αα-Tubulin

8. （二）诱导和阻遏表达 诱导表达(induction expression) 在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。 阻遏表达(repression expression) 在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。

9. 协调表达(coordinance expression) 在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。

10. 机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。 四、基因表达的调控的概念

11. 蛋白质 ( 主要 ) 五、基因表达的调控因子： • 小分子RNA ( 某些环节 )

12. 中心法则(central dogma) 六、基因表达的调控水平 • 基因组 • 转录 • 转录后 • 翻译 • 翻译后

13. 原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。 本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。 第一节原核生物基因表达的调控

14. 1.只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。1.只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。 一、原核生物基因表达的特点 2.基因表达以操纵子为基本单位。原核基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子。

15. 操纵子（operon） 一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。 多顺反子(polycistron) 原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。

16. 启动子 promoter 终止子 terminator p o z y a t 操纵元件 operator promoter terminator Structuralgene operator 操纵子结构示意图

17. 单顺反子(monocistron) 编码一个多肽链的DNA的序列区域，相当于真核细胞的一个基因。

18. 3.转录和翻译偶联进行：原核生物裸露的环形DNA，在拟核内转录成 mRNA 后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。 4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列。

19. 在起始密码AUG上游4～13个碱基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequence）为AGGAGG，能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3′端富含嘧啶的序列结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。 SD（ Shine-Dalgarno ）序列

20. 5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。 通常有两种方式： (1) 起始调控，即启动子调控； (2) 终止调控，即衰减子调控。

21. (一)转录起始的调控 (二)转录终止的调控 二、原核生物基因表达的调控机制 (三)翻译水平的调控

22. (一)转录起始的调控 1.б因子及RNA 聚合酶与转录起始的调控 (1) б因子调控RNA 聚合酶与DNA结合 确保RNA 聚合酶与特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。 例如:大肠杆菌RNA 聚合酶由5个亚基（α2ββˊб）构成，核心酶（α2ββˊ）能以DNA为模板合成RNA，但必须依靠б因子协助才能在正确位置起始转录。

23. 机理：б因子含有识别启动区的结构域。 a.б因子独立存在时，N端部分抑制了C端的 DNA结合活性，与DNA不能结合。 b.当б因子与核心酶组成全酶时，空间构象 改变，N端对C端抑制作用消失，可与DNA发 生特异结合。 c.转录起始完成后б因子脱落，核心酶不再 停留在启动区部位，向下游滑动完成转录。

24. （2）RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用 RNA 聚合酶：大肠杆菌仅有的一种RNA 聚合酶，要识别相当数量的启动区，需依赖数目繁多的辅助蛋白完成这些功能，б因子在这方面有独特作用。 启动区序列：保守序列

25. 启动序列 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。 -35区 -10区 RNA转录起始 trp TTGACA N17 TTAACT N7 A A tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7 lac TTTACA N17 TATGTT N6 A recA N16 TATAAT N7 A TTGATA Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6 A 共有序列 TTGACA TATAAT

26. 细菌启动区特异序列有4个保守特征: ①起始点：+1 90% 以上为嘌呤核苷酸。 ②“－10”序列：-10区一致序列为TATAAT。 ③“－35”序列：-35区一致序列为TTGACA。 ④“－35”和“－10”序列的间距：对RNA聚合酶结合具有重要影响。

27. 共有序列决定启动序列的转录活性强弱。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。

28. 乳糖操纵子（lactose operon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。 2.转录起始的负调控

29. 调控区 结构基因 P O Z Y A Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶 操纵元件 阻遏基因I 启动子 CAP结合位点 乳糖操纵子(lac operon)的结构 DNA

30. 仅有葡萄糖 葡萄糖耗完，有乳糖存在

31. -10 +1 +10 +20 +30 . . . . . 5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′ 3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5′ lac操纵区序列是一个以+11位GC碱基对为中心的反向重复序列 与lac阻遏蛋白结合的操纵基因区域具有反向重复序列,这种反向重复序列是能与蛋白质特异结合的DNA的特征性结构。

32. 操纵基因在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占的区域是从-35至+20，两者有部分重叠，因此阻遏蛋白和RNA聚合酶与DNA的结合是相互排斥的。

33. 阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。 3.转录起始的正调控 阿拉伯糖操纵子的基因结构图 操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调节蛋白AraC。

34. AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图 不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1结合，二聚体间相互作用使DNA弯曲成环结构。由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录，但有低水平的araC基因转录。

35. AraC 对阿拉伯糖操纵子的调节图 当有阿拉伯糖时，AraC二聚体与阿拉伯糖形成复合物,使Ara C形状改变，I1和I2由一个AraC二聚体占据，从而激发B、A、D基因转录。此时，可有一过性高水平的araC mRNA形成，维持到O1-O2环结构形成。

36. 在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac操纵子。 4．转录起始的复合调控

37. cAMP:环一磷酸腺苷 CAP：分解代谢基因激活蛋白质 (catabolite gene activator protein，CAP) cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓ 葡萄糖↓，cAMP↑ CAP的活性依赖cAMP， 形成cAMP-CAP复合 物，促进多种操纵子的转录起始。

38. CAP CAP CAP CAP CAP CAP + + + +转录 DNA P O Z Y A 无葡萄糖，cAMP浓度高时 有葡萄糖，cAMP浓度低时

39. RNA-pol O O mRNA O O 有乳糖 没有乳糖 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低

40. ※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； ※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。

41. 原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。 （二）转录终止的调控 例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式: a.通过阻遏蛋白的负调控 b.通过衰减子作用

42. Trp （2）转录衰减的调控 调节区 结构基因 P O RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA 6700个核苷酸 Trp 高时 ? 色氨酸操纵子 140个核苷酸

43. 结构基因 调节区 P O trpR 前导mRNA 1 2 3 4 UUUU…… 终止密码子 trp 密码子 衰减子区域 衰减子结构 UUUU…… UUUU…… UUUU…… 前导序列 14aa前导肽编码区: 包含序列1 第10、11密码子为trp密码子 形成发夹结构能力: 序列1/2>序列2/3>序列3/4

44. 色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构 引导序列由一段14氨基酸前导肽编码区和一个衰减子组成，AUG密码子后面紧跟13个密码子，第10、11为色氨酸密码子。

45. 前导DNA UUUU 3’ 3 4 UUUU…… 1 2 4 核糖体 3 5’ trp 密码子 转录衰减机制 RNA聚合酶 前导mRNA 衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止 UUUU 3’ 前导肽 1.当色氨酸浓度高时

46. 前导DNA 结构基因 3 4 UUUU…… 1 2 2 3 5’ 4 UUUU…… 核糖体 trp 密码子 Trp合成酶系相关 结构基因被转录 RNA聚合酶 前导mRNA 序列3、4不能形成衰减子结构 前导肽 2.当色氨酸浓度低时

47. 色氨酸操纵子的转录衰减作用 色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。

48. (三) 翻译水平的调控 翻译一般在起始和终止阶段受到调节。 调节分子:RNA、蛋白质 调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。

49. 反义RNA 能与特定mRNA互补结合的RNA片段，由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。反义RNA又称mRNA干扰性互补RNA（micRNA）。 1.反义RNA的调控作用

50. ①与mRNA 5ˊ端非翻译区包括SD序列相结合，直接抑制翻译。 反义RNA有三种作用方式： ②与mRNA 5ˊ端编码区起始密码子AUG结合，抑制mRNA翻译起始。 ③与mRNA的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。