第六章基因表达的调控本章，我们讨论 4 个问题： 1. 什么是基因表达的调控？ 2. 原核生物基因表达调控是如何进行的？ 3. 真核生物基因表达调控是如何进行的？

第六章基因表达的调控 本章，我们讨论4个问题： 1.什么是基因表达的调控？ 2.原核生物基因表达调控是如何进行的？ 3.真核生物基因表达调控是如何进行的？ 4.基因表达调控与医学研究

概述 一、基因（gene) (一)概念从化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传单位、1个功能单位，1个交换单位和1个突变单位。基因是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列（7分P27）

1.表型和基因型 某一机体可以观察的特征，称为表现型（Phenotype，简称表型）。与表型相应的基因组成称为基因型（genetype）。如细菌Leu+、Leu-和Leu+、Leu-。 2.等位基因（allele）（1）二倍体细胞有2套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全套基因由2套基因组成，每一对基因称做等位基因。（2）由于突变作用引起DNA结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等位基因。

3.遗传基本功能单位 基因是遗传的功能单位，它负责有一定的遗传信息，在特定的条件下表达这种信息，产生特定的生理功能。 4.交换单位基因是结构单位，交换只能发生在基因之间。 5.作用单位基因能产生一种特定的表型，即基因决定蛋白质氨基酸排列顺序。 6.突变单位基因可作为一个整体变为另一个等位基因。（二）分类基因可以分为结构基因和调节基因。结构基因（structural gene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。

二、基因组（genome） 1个配子（精子或卵子，1个单倍体细胞，1个病毒所包含的全套基因。（1个哺乳动物体细胞含2套基因组，1个原核细胞、1个病毒颗粒含1套基因组）细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和称为基因组。原核、真核、病毒3大基因组比较。

三、基因表达（gene expression）（里→外） （一）概念基因产生功能的过程，称基因表达，也称编码（code）。 DNA RNA protein 基因表达的过程是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein）的过程。 mRNA tRNA rRNA translation translation reverse replication transcription

1.转录RNA pol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。 2.翻译这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。蛋白质是大而复杂的功能分子，每1类生物各有其1套特有的蛋白质，不同的生物体内罕见完全相同的蛋白分子，人的蛋白质分子不下10万种。

四、基因表达的调控 基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译使信息分子DNA转变成功分子protein的过程，这一过程在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调控称为基因表达的调控，简称基因调控。

五、基因表达调控的要点

（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。病毒基因表达调控各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。

（七）基因表达的时间性和空间性 （1）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。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（2）空间特异性：在个体生过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。

（八）基因表达的方式 （1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的，一些基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有细胞或组织中几乎是不变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类，它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（house keeping gene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基因表达或基本性的表达（constitute expression）。（2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化而变化，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基因称为可诱导基因（inducible genes），反过来有些基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏，这类基因称作可阻遏基因。例如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。

六、操纵子 上世纪60年代法国分子生物学家Jacob和Monod在E.coli β一半乳糖苷酶诱导生成研究中，发现了适应酶（adaptive enzyme）基因负调控系统，提出著名乳糖操纵子模型（Lac operon），是基因调控研究的1个里程碑。细菌调控的1个共同特点是 1个启动子作用1组基因，一般地说1个细菌代谢途径所需要的酶是由1组基因所编码的，这样的1组基因就是操纵子。 1.操纵子（operon）概念是发现于细菌体内的1种基因调节单位，由控制区和信息区组成，信息区包括相邻的，功能相关的结构基因，在控制区的调节下转录成mRNA，控制区主要含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些操纵子尚含有衰诚子。

2.类型与结构 不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。

第一节原核生物基因表达的调控 从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。

一、DNA水平的调控 DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。机制 1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。 2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。 3.h2-rh1转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。 4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。

倒位基因 启动子 H2 阻遏蛋白基因启动子 H1 OFF OFF On On On mRNA 阻遏物蛋白 H2蛋白启动子倒位基因 H2 阻遏蛋白基因启动子 H1 OFF OFF On On 可倒位区 mRNA

倒位基因DNA序列 位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）转录单元上游，全长995bp。 IRL、IRR 995bp左右末端倒转重复顺序（反向重复顺序、也称回文顺序、（palindiome、invertedrepeat sequence）即在DNA链上正读反读有一样意义的序列）各长14bp。 hin hin基因位于995bp序列中，其编码的蛋白产生可催化995bp序列倒位。当启动子Ph2向h2时，h2-rh1转录单元表达H2抗原-h1阻遏蛋白，h1不能表达。当995bp序列倒位后，启动子Ph2倒向另一侧，背离h2，h2-rh1不能表达，h1表达。 h1、h2基因并不紧密连锁。

二、转录水平的调控 转录是基因表达的第一步： RNA pol只有聚合作用，没有校正功能。转录精确性依赖于: 1.一个精确起点。 2.据碱基互补准确转录DNA序列生成mRNA。 3.一个特异性的转录终止部位。转录是基因调控主要水平。影响转录因素较多，研究得也较为清楚，从原核生物来说基因调控的基本要素是：转录起始，终止和mRNA的快速转换。

（一）影响转录的因素 1.2.启动子和起始因子启动子启动基因转录，起始因子识别启动子。

结构功能特点

标准（一致）序列—因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相应的σ称之为标准σ、为σ70。标准（一致）序列—因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相应的σ称之为标准σ、为σ70。

5.倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异性的重组酶（site-speciFic recombinotion enzyme）（前述、DNA水平调控）。 6.RNA pol抑制物-严谨反应（stringent respsnse）细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA pol活性降低，RNA pol活性降低↓，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为严谨反应。其机制是在氨基酸缺乏时，游离核糖体（与空载的tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA pol 变构，活性↓rRNA和tRNA合成↓ 或停止。当培养液中富含氨基酸时，则与上述情况相反，RNA pol 活性↑，rRNA，tRNA合成↑ ）。

终止机理 DNA模板、RNA pol 和新转录RNA组成三元复合体。 9.衰减子（attenuator）又称弱化子，是在可阻遏的操纵子中第一个结构基因之前常有一段能减弱转录作用的顺序称之（“可变动的终止子”）。

（二）转录起始的调控 下面以操纵子为例说明转录起始的调控 1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）（1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌中普遍存在。在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后2~3分钟，β一半乳糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量的5~10%。 β一半乳糖苷酸水解乳糖→半乳糖+葡萄糖 2个单糖。若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年代乳糖操纵子模型提出→1996年分离得到该操纵子的阻遏蛋白→1975年乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。

调控区 I-调节基因 P-启动子 O-操纵基因（OP有一定的重叠） CAP结合位点结构基因 Z-β半乳糖苷酶基因（ β-galactosidase） Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（ β-galotoside porinerase） A-硫代半乳糖转乙酰基酶（trans acetylase） CAP CAMP 结构基因区（信息区） I P O Z Y A RNA pol 调控区（2）乳糖操纵子（Lactose operon ，Lac operon）结构示意图

（3）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。 ①CAP（正控）结合到启动子上游CAP结合位点的一致序列附近后，促进RNA pol与P的结合，才能有效的转录，原因是： Lac p 是弱启动子，与一致序列的差异极大，CAP位点结合cAmp-CAP复合物后，Lac p结合RNA pol 的牢固性增强。所以CAP是Lac operon 的正控因子。启动子p与操纵基因有一定的重叠，妨碍RNA pol与P的结合，结合CAP后，改变了空间结构促进了RNA pol与P的结合。 ②阻遏蛋白（负控）调节基因I（除Lac operon用I外，其余均用R）产生的阻遏蛋白结合到操纵基因O上，就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物）可以去阻遏，实现对基因的转录，这是Lac operon的负控机制。 ② ①

I P O Z Y A CAP CAP RNA pol DNA -35 -10 2个CAP分子和RNA pol 在Lac p 一致序列上排列 mRNA 阻遏蛋白效应物（乳糖） ZYA基因产物（酶）

抑制激活

结合乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：结合乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：葡萄糖（G）乳糖基因开放基因关闭机理简述（学生填充） × √ √ CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 × × √ 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 √ × √ 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 √ √ √ CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏也无RNA pol结合 ① ② ③ ④

araC IO2 ParaC IO1 PBAD DNA B A D CAP位点 mRNA mRNA CAmP CAP Protein (Arac) B A D Arac-调节蛋白C的编码基因 Parc PBAD-启动子 IO1O2-调控元件 B-L核酮糖激酶（isomerase） A-L阿拉伯糖异构酶（kinase） D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase） I-起始部位

结合Ara糖、G存在与否及Ara operon正、负控因素基因开放、关闭情况如下： G Ara糖基因开放基因关闭机理简述（学生填充） √ ×或√ √ CAMP↓CAP位点空，Arac使AraI和O2成环 × × √ CAMP↑CAP结合位点，C释放O2、无Ara糖激活作用 × √ √ Ara糖+AraC→RNA pol与PBAD结合→转录↑ （Trp operon调控机理放在转录终止调控作用中讲） ① ② ③

E D C B A al R P O R-调节基因，编码阻遏蛋白 P-启动子 O-操纵基因 al-表诚子前导序式 DNA mRNA ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilate synthetase） 2个单体（2×60KD） C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatr synHietdse）45KD BA-编码Trp合成酶β亚基（50KD）和α亚基（29KD）阻遏蛋白效应物（trp，辅阻遏物，co-repressor)

DNA RPO aL EBCDA UGGUGG aLmRNA 1 2 3 4 位于第60位核苷酸 L肽 ---Trp-Trp--- 空间结构特点

L amrC DNA 2 3 SD24 SD11 mRNA前导肽红霉素甲基化酶前导肽

第六章 基因表达的调控 本章，我们讨论 4 个问题： 1. 什么是基因表达的调控？ 2. 原核生物基因表达调控是如何进行的？ 3. 真核生物基因表达调控是如何进行的？