原核生物基因表达调控

第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控

第一节概述

机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。

在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。

1．顺式作用元件和反式作用因子

基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在 DNA上)相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。因此反式作用因子(trans-acting factor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。

顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。因此，顺式作用元件(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。

2．结构基因和调节基因

为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因，有时用结构基因和调节基因的概念。结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因(regulatory gene)是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。

调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。3．启动子和终止子

位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，两者都是典型的顺式作用位点。启动子位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子能终止基因的转录。启动子和终止子是能受同一类反式作用因子识别的顺式作用元件，这一类反式作用因子就是RNA聚合酶。当然，两个位点也能各自结合一些特定的其他因子。

4．操纵基因和阻抑蛋白

细菌的传统控制机制是负调控:即阻抑蛋白(repressor)阻止基因表达。在缺省的情况下(即无阻抑蛋白时),RNA聚合酶能够识别受调节基因的启动子，使这种基因得到表达。另一个叫做操纵基因(operator)的顺式作用位点与启动子相邻，操纵基因是阻抑蛋白的靶位点。当阻抑蛋白与操纵基因结合时，就会阻止RNA聚合酶启动转录，基因的表达因而被关闭。

5．转录因子

除了上述负调控，基因转录的调控也有正调控。在细菌中，正调控与负调控使用的频率也许大致相等，但在真核生物中，最常见的调控方式是正调控。参与正调控的反式作用因子就是转录因子(transcription factor)。转录因子是转录起始过程中，RNA聚合酶所需的辅助因子。典型真核基因的缺省状态(即无转录因子)是基因处于无活性状态，RNA聚合酶自身不能在启动子上起始转录。反式作用因子在启动子附近有作用位点，其中的一些或所有因子的结合使RNA聚合酶能起始转录。

正调控和负调控的共同点是调控蛋白都是反式作用因子，它通常识别位于基因上游的顺式作用元件。不同类型的调节蛋白识别不同的序列。尽管调节蛋白结合DNA的实际长度较长，但它仅识别DNA上很短的序列，一般小于1Obp。细菌启动子就是一个例子，尽管RNA聚合酶在转录起始时，覆盖大于7Obp的DNA，但其识别的关键序列是位于-35和-10中心处6个碱基的序列。

原核生物和真核生物的基因组织差异很大，细菌的结构基因一般成簇排列，而真核生物基因则是独立存在。成簇排列的结构基因能受单一启动子共同控制，结果是整套基因或者都表达或都不表

达。

第二节操纵子

原核生物的调控可发生在转录和翻译等不同阶段，但以转录水平调控为主。大肠杆菌的乳糖操纵子是目前转录水平最清楚的调控，转录水平调控的许多一般规律都源于对乳糖操纵子的研究。

在细菌中编码功能相关的结构蛋白的基因常成簇排列在一起。例如，同一个代谢途径的酶的基因就常成簇排列。此外，除了参与代谢途径的酶以外，其他与该途径有关的蛋白质的基因也可能包括在此控制单元内。例如，负责转运小分子底物进入细胞内的蛋白质的基因有时就包括在这样的控制单元内。这样的控制单元就是操纵子(operon)。操纵子就是由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因(operator，或称操作子)所控制。操纵子中的全部结构基因从同一个启动子开始转录成单个mRNA分子。操纵基因则是操纵子的前端部分，它能和阻抑蛋白结合，控制有关操纵子的转录。因此操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是由调节基因表达出的蛋白质，是参与操纵子调节的反式作用因子。

2.1 乳糖操纵子的结构

参与β-半乳糖苷(如乳糖)的分解代谢的三个酶的基因就成簇排列，构成乳糖操纵子 (lactose operon, lac)。下图列出了乳糖操纵子的结构基因、相关的顺式作用调控元件及反式作用调节基因的组织排列。

三个结构基因分别编码三种蛋白质。lacZ编码β-半乳糖苷酶。β-半乳糖苷酶是分子量约500kDa 的四聚体，能催化β-半乳糖苷水解，它能将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖。lacY编码β-半乳糖苷透

性酶，β-半乳糖苷透性酶是分子量30kDa的膜结合蛋白，是β-半乳糖苷转运系统的组成成分，参与β-半乳糖苷进入细胞内的转运。lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶，β-半乳糖苷转乙酰基酶催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到β-半乳糖苷上。

lacZ或lacY突变能产生不能利用乳糖的lac基因型。lacZ突变导致酶失活，因而不能分解利用乳糖。lacY突变菌不能从培养基中吸收乳糖。令人不解的事，仍没有分离到lacA缺陷的细菌。细菌在含不能被分解的某些β-半乳糖苷类似物的培养基中培养时，很可能乙酰化反应发挥作用，因为这种修饰可引起脱毒和外排。

结构基因突变只引起其编码的特定蛋白失活，而调节基因突变则影响其控制的所有结构基因的表达。lacZYA基因的转录受lacI基因指导合成的调控蛋白的控制。lacI基因正好与结构基因相邻，但它不与结构基因属同一转录单位，它有自己独立的转录单位，含自己的启动子和终止子。lacI编码可扩散的产物，理论上，它不必位于结构基因附近，lacI基因移到其他任何地方都能很好地发挥作用，因此它属于反式作用调节因子。

乳糖操纵子的控制属负调控，也就是说调节蛋白关闭其转录。lacI的表达产物称为乳糖操纵子阻抑蛋白(lac repressor)，它的功能是阻止结构基因的表达。乳糖操纵子阻抑蛋白是由4个同样亚基组成的四聚体，每个亚基分子量为38kDa。一个大肠杆菌细胞中有大约10个阻抑蛋白分子。调节基因转录成单顺反子mRNA，转录的速度似乎只受其启动子与RNA聚合酶的亲和力大小的控制。

阻抑蛋白通过与lacZYA基因簇开始处的操纵基因(用0lac表示)结合发挥功能。操纵基因位于启动子(P lac)和结构基因(lacZYA)之间。阻抑蛋白与操纵基因结合时，能阻止RNA聚合物在启动子上的转录起始。lac操纵基因是mRNA起始点上游-5bp至转录单位内+2lbp的序列，因此它与启动子的右末端重叠。

2.2 小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响

细菌需要快速应答环境的变化，营养供给随时都可能发生变化，其生存取决于从分解利用一种物质转换为分解利用另一种物质的能力，因此对细菌来说，灵活性就特别珍贵。当然，经济性也相当重要，因为如果一个细菌以放任能量消耗的方式去适应环境则有很大的弊端。在某种物质并不存在时，产生参与该物质代谢的各种酶，代价实在太昂贵。细菌的做法是当某种物质不存在时，并不合成该物质代谢通路中的酶，但随时准备这种物质一出现就可合成所需的酶。应答某种特定物质出现而合成特定酶的过程称为诱导(induction)，这种调控方式在细菌中很普遍，在单细胞真核生物(如酵母中)也存在。大肠杆菌乳糖操纵子是这种控制机制的最好范例。

当大肠杆菌在不含β-半乳糖苷的环境中培养时，不需要β-半乳糖苷酶，细胞内含的β-半乳糖苷酶很少，每个细胞不到5个分子。加入适宜的底物后，细胞内很快出现酶活性，2-3分钟内，一些酶就出现，且很快达每细胞5000个分子的水平。在适宜的条件下，β-糖苷酶的量可达细胞总可溶蛋白的5%～10%。如果底物从培养基中去掉，酶的合成很快停止到诱导前的水平。

lac mRNA极不稳定，其半衰期仅有约3分钟，这使得诱导能很快逆转。只要诱导物一除去，转录就停止，所有lac mRNA便在很短的时间内分解掉，细胞内的mRNA含量回到诱导前的基础水平。

这种快速应答环境营养成分变化的能力不仅表现在分解新底物方面，而且也用来关闭突然出现在培养基中的化合物的内源性合成，例如，大肠杆菌通过色氨酸合成酶(trptophan synthetase)催化合成色氨酸，但是，如果培养基中含有色氨酸，酶的合成立即停止。这种效应就是所谓的阻抑作用(repression)，它使细菌避免采用自身资源进行不必要的合成。

诱导作用和阻抑作用都能对细菌的代谢能力进行调控。前者调节细菌使用某种物质的能力，后

者调节合成特定代谢中间物的能力。每种调节的诱发剂都是小分子物质，或为酶底物，或为酶所催化合成的产物。如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，这种小分子物质就叫做诱导物(inducer)。如果某种小分子物质能够阻止细菌产生合成其自身的酶，这种小分子物质就叫做辅阻抑物(corepressor)。

诱导物或辅阻抑物的作用是高度特异的，仅有特定或密切相关的分子能发挥作用。但是这些小分子并不直接与其调控的目标酶分子相互作用而实现其调控功能。β-半乳糖苷酶的一些诱导物与天然诱导物相似，但不能被酶分解。例如异丙基硫代-β-D-精苷 (isopropylthio-β-D-galactoside，IPTG)，尽管不能被β-半乳糖苷酶识别，但它是乳糖操纵子非常有效的诱导物。这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为义务诱导物(gratutious inducer)。义务诱导物由于能在细胞内保持原型不变，因此很有用，而真正的诱导物会被代谢分解掉，从而影响对系统的研究。用义务诱导物进行研究得到了一个重要结论:在诱导系统中，一定有一些与精确识别特异底物的酶分子不同的成分，这些成分能识别与底物相类似的分子，而酶不能。在乳糖操纵子中，这种应答诱导物的成分就是lacI 编码的阻抑蛋白。它在应答环境变化时控制结构基因lacZYA转录的作用。三个结构基因从lacZ上游的启动子开始转录成一条mRNA。阻抑蛋白的状态决定启动子是开启还是关闭。缺乏诱导物时，由于阻抑蛋白具有结合操纵基因的活性，结构基因不被转录。而加入诱导物后，阻抑蛋白转变成非活性形式而离开操纵基因，因此转录从启动子开始，并通过结构基因，一直转录到位于lacA边上的终止子。

这种控制回路的关键在于阻抑蛋白的二重性:它既能阻止转录，又能识别小分子诱导物。阻抑蛋白上有二个结合位点，一个是操纵基因结合位点，另一个是诱导物结合位点。当诱导物与它的结合位点结合后，改变了阻抑蛋白质的构型，从而影响操纵基因结合位点的活性。

诱导实现协同调节(coordinate regulation)，这种调节中所有受调节的基因作为整体表达或不表达。mRNA从5'端依次翻译，这解释了为什么诱导总是引起β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷转乙酰基酶依次出现，共用的mRNA的翻译解释了为什么在不同的诱导条件下三种酶的相对量总是保持不变。诱导是基因表达的开关，虽然不同的诱导物诱导效率不同，但这些因子只影响转录和翻译的绝对水平，并不影响三种基因的相互关系。

操纵子组成成分中有一个矛盾，乳糖操纵子含有编码分解该糖所需的半乳糖苷酶的结构基因(lacZ)，也包括编码负责转运底物进入细胞的蛋白的基因(lacY)。但是如果操纵子处于阻抑状态，诱导物怎样进入细胞开始诱导过程呢？两个方面的机制保证了细胞内总有小量的蛋白，足以开始诱导，一是操纵子有一基础水平的表达，即使不被诱导时，操纵子也有少量表达(诱导水平的0.1%)；另一个机制是一些诱导物通过其他吸收系统进入细胞内。

乳糖操纵子模型的主要内容:

①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA所编码。

②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子（P）不能单独启动合成β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷乙酰基转移酶（β-半乳糖苷转乙酰酶）。

③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。

④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。

⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而

激发lac mRNA的合成，也就是说，有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。

2.3 正调控和负调控

正调控和负调控是根据在无调控蛋白的情况下，操纵子应答的结果来确定的。两种控制系统的特性有镜像关系。

在负调控系统中，如果不被阻抑蛋白关闭，基因就能表达。任何干扰基因表达的作用都是负调控，这些调控有一个共同点：即一个阻抑蛋白或与DNA结合，阻止RNA聚合酶启动转录，或与mRNA 结合阻止核糖体启动翻译。

负调控是一个万一安全(fail-safe)的机制。即万一调控蛋白失活，调控系统便发挥功能，使细胞能够合成这些酶。因此，很容易理解负调控是如何进化的。最初，系统呈现组成型表达，随后，细胞中产生一种干扰这种表达的机制而给细胞提供了选择优势，这种优势就演化成负调控系统。

受正调控机制调控的基因，仅当活性调控蛋白存在时，才可能表达。正调控中控制特定操纵子的机制正好与负调控对应。正调控与负调控不同，它不妨碍起始，而调控蛋白对正调控来说，则必不可少。调节蛋白与DNA及RNA聚合酶相互作用，协助转录起始。正调节蛋白应答的小分子通常称为激活物(activator)。另一种正调控则进行全局性替换σ因子，改变启动子的选择性，或进行全局性替换抗终止因子，从而改变终止子的识别。

了解正调控的进化过程较了解负调控的更困难，因为甚至在任何调控存在之前，细胞也肯定具有表达这些被调控的基因的能力，可以推测，此控制系统的一些成分的作用肯定发生了变化。也许，原来它是基因表达装置的调节部件，后来变成仅局限于对某些系统或某个特定系统发挥作用。根据应答调节其表达的小分子的性质，操纵子分为诱导型(inducible)和阻抑型(repressible)两类。只有在小分子诱导物存在时，诱导型操纵子才能发挥作用；只有在小分子辅阻抑物(corepressor)不存在时，阻抑型操纵子才能发挥作用。描述阻抑型系统中操纵子活性状态的术语是去阻抑(derepressed)，去阻抑与诱导有同样的含义。有时将不能去阻抑的突变操纵子称为超去阻抑(super-derepressed)，与不可诱导型完全对应。通过利用调控蛋白与小分子诱导剂或辅阻抑物适当的相互作用，无论是正调控还是负凋控都能实现诱导或阻抑。当诱导物使阻抑蛋白失活或使激活物蛋白激活时，实现诱导。当辅阻抑物使阻抑蛋白激活或使激活物蛋白失活时，则实现阻抑。

调节蛋白失活的遗传结果能用于区别正调控系统和负调控系统。阻抑蛋白的失活产生代表负调控系统的隐性组成型或去阻抑型表型。另一方面，使激活物失活的突变，形成代表正调控系统的隐性不可诱导型或超阻抑型表型。

色氨酸操纵子是阻抑系统的一个实例。色氨酸是一系列生物合成酶催化反应的终产物。细胞内色氨酸的水平控制色氨酸酶的合成和活性。在这些调控中色氨酸起激活阻抑蛋白的辅阻抑物的作用，这是经典的阻抑机制。当环境中的色氨酸丰富时，由于阻抑蛋白与辅阻抑物复合物与操纵基因结合，操纵子被阻抑。当环境中提供的色氨酸不足时，辅阻抑物失活，与操纵基因结合的特异性下降，辅阻抑物贮存DNA的其他位点上，操纵子的阻抑被解除。

清除阻抑蛋白能使trp启动子上转录起始的频率增加约70倍。即使在阻抑条件下，结构基因也以低的基础水平或称阻抑水平继续表达。在操纵基因上的阻抑效率较乳糖操纵子低得多。乳糖操纵子基础水平表达仅为诱导水平表达的千分之一。

小分子引起调节蛋白变构也可实现诱导和阻抑。控制调节蛋白的活性也能达到调控的目的。其中的例子是OxyR，它是由过氧化氢诱导的一种基因转录激活剂。OxyR蛋白直接被氧化所激活。因此

它提供了一种敏感的氧化应激检测手段。另一个常见的调控信号是调节蛋白的磷酸化。

2.4 分解代谢产物阻抑作用对启动子的正调控

到目前为止，我们一直把启动子看作一段DNA序列，它能与RNA聚合酶结合，从而起始转录。但是有一些启动子，如果没有辅助蛋白的协助，RNA聚合酶并不能在其上起始转录。因为要打开转录单位的开关，必须有这些蛋白存在，所以这些蛋白是正调控。已知几种正调控物，一些被噬菌体编码，一些存在于宿主细胞内。它们发挥作用的一种模型是激活物克服了低效率启动子效率低的问题，这些低效率启动子位于没有很好的保守序列的-35区或-10区。

2.4.1 分解代谢产物的阻抑作用

在大肠杆菌中，一种蛋白质控制着应答碳源条件的一大套操纵子的活性，这种蛋白质便是发挥作用最广泛的激活物之一。当葡萄糖作为能源时，它能比其他糖优先被利用。因此当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它分解利用葡萄糖，而阻抑乳糖的利用。这种选择是通过阻止包括乳糖操纵子、半乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子等的表达来实现的。这种作用被称为分解代谢产物阻抑作用(catabolite repression)。

分解代谢产物的阻抑作用属于葡萄糖降低细胞内cAMP水平的调控系列环节。cAMP由腺苷酸环化酶(adenylate cyclase)催化合成。腺苷酸环化酶以ATP为底物，将核糖环上3'、5'两个碳原子通过磷酸二酯键连接。编码腺苷酸环化酶基因的突变(cya-)不能应答葡萄糖水平的变化。

、2.4.2 分解代谢物激活蛋白(CAP)的功能

cAMP通过与cap基因产物结合，使分解代谢物调控的操纵子的表达水平与cAMP水平成正比。cap 基因产物称为分解代谢物激活蛋白(catabolite activator protein,CAP)。cap基因突变可阻止操纵子的激活，而在葡萄糖缺乏时，这些操纵子能被正常表达。CAP是一正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。只有cAMP存在时，CAP才有活性，cAMP起到了传统的小分子诱导物的作用。

cAMP下降，CAP就不能与控制区结合，RNA聚合酶就不能启动转录。因此，葡萄糖降低cAMP水平的作用，实际上是使相关操纵子表达所需的调控因子失活，使操纵子不能被表达。

CAP因子可与DNA结合，从每个正常发挥作用的启动子上都能分离到cAMP-CAP- DNA复合物。CAP因子是由二个相同亚基构成的二聚体，每个亚基都含螺旋-转折-螺旋基序，分子量为2250ODa，能被单个分子cAMP激活。一个CAP亚基含有一个DNA结合区和一个转录激活区。

2.4.3 CAP结合位点的结构

CAP二聚体与其效应的启动子结合位点长约22bp。使CAP失去作用的突变通常位于保守的五碱基单位TGTGA/ACACT内，这些碱基是识别的基本元件。因为CAP二聚体的两个亚基有效地与DNA结合，所以与CAP结合最强的位点含两个反向重复的五碱基单位。然而很多结合位点缺乏第二个五碱基单位，因此，在这些结合位点上第二个亚基必须与不同的序列结合(如果与DNA结合的话)。与CAP 结合亲和力的差异阐明了为什么在体内不同的基因受cAMP激活的水平不同。

2.4.4 CAP结合位点与转录起始点的位置关系

不同操纵子的CAP结合位点与转录起始点的相对位置不同。甚至TGTGA五碱基单位可处在启动子的不同方向上，有的在上游，有的在下游，有的在在中。下图的三个例子涵盖了CAP结合位点的三种情况：

①有时CAP结合位点位于启动子内。例如gal基因座，CAP位点位于-50至-23bp处，中心在-4lbp处。由于CAP结合位点正好位于通常被RNA聚合酶保护的区域内，所以很可能仅有一个CAP结

合，且与RNA聚合酶有很紧密的接触。

②CAP结合位点与启动子相邻，例如乳糖操纵子。在乳糖操纵子中，受CAP保护的DNA区域位于-72至-52bp处，中心在-6lbp处。很可能有两个CAP与其结合。其结合模式为:CAP主要结合在DNA 的一个面上，RNA聚合酶也正好结合在此面上，CAP与RNA聚合酶正好相互挨着。

③其他操纵子CAP结合位点位于启动子上游，如阿拉伯糖操纵子(ara)其CAP结合位点与一个CAP 结合，距转录起始点远，位于-107至-78bp之间。因CAP和RNA聚合酶间有另一调控蛋白结合，故CAP不能与RNA聚合酶接触。

对CAP的依赖与启动子本身的效率有关，非CAP依赖启动子有好的-35序列，但一些启动子没有好的-10序列。实际上，我们可以推论，如果启动子含有效的能独立与RNA聚合酶作用的-35区和-10区，CAP的有效调控将十分困难。

2.4.5 CAP对RNA聚合酶的作用

理论上CAP激活转录有两种方式，第一种是CAP直接作用于RNA聚合酶，另一种作用于DNA，改变其结构，以协助RNA聚合酶的结合。实际上，CAP对RNA聚合酶和DNA都有效。

大多数启动子上的CAP结合位点与gal(中心在-4lbp)或lac(中心在-6lbp)相似。如其位置偏离这两处，CAP激活转录的能力下降。其位置的规律是仅当CAP与转录起始点相距数个整双螺旋时，才能激活转录。表明CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。

当RNA聚合酶的σ亚基C末端存在缺失时，转录似乎仍能正常进行，但失去受CAP激活的能力，转录则不能正常进行。这表明CAP直接作用于RNA聚合酶的α亚基。使用只有一个亚基且具有正常转录一激活区功能的CAP二聚体进行的实验表明，当与lac启动子结合时，只需要与起始点较近的亚基的激活区，这可能是它能与RNA聚合酶接触，这也解释了为什么CAP结合位点在转录起始点上、下游都可发挥作用，没有方向性的要求。CAP具有两个亚基也保证了不管在上游还是下游，激活区都能与RNA聚合酶接触。CAP激活区含有一个暴露的小环，其中的点突变可阻断CAP与RNA聚合酶相互作用。

RNA聚合酶与DNA的结合受RNA聚合酶与CAP的相对位置影响。当CAP结合在启动子内(如在职了中)时，能加快从关闭型复合物到开放型复合物的转换速度。当 CAP结合位点与启动子相邻(如在gal中)时，能加快起始结合形成关闭型复合物的速度。这表明相互作用的确切效果与蛋白质在各启动子处的几何形状有关。在ara启动子处的相互作用可能不同，有更多蛋白质参与。

2.4.6 CAP的结合对DNA构型的影响

CAP-DNA复合物的结构很有意思，DNA呈弯曲状态。蛋白质与DNA结合时，将 DNA双螺旋变弯。可以对弯曲的内容(碱基成分)和位置进行测定。制备一个靶序列二聚体，用不同的限制酶进行酶切，得到一系列片段，每个片段含有一个单体长度的DNA，那么蛋白结合位点位于每个片段的不同位置上。弯曲的位置不同，片段在凝胶电泳中移动速度不同，如果没有弯曲，所有片段移动速度相同。当弯曲位于DNA片段中心时，对运动阻碍最大，泳动速度最慢；弯曲位于一端时，对运动阻碍最小，泳动速度最快。将电泳迁移率对酶切位点作图，最大迁移率在曲线是最低点，在这个位置上，酶切序列与弯曲点紧挨着。

CAP与lac启动子相互作用，弯曲点位于二重对称的中心。弯曲相当严重，弯曲度大于90。所以CAP结合后，DNA双螺旋结构有很大变化。弯曲的机制是:TGTGA保守序列内产生一个尖纽结，每个拷贝中的两个纽结呈回文结构，引起超过90°的弯曲。弯曲对转录可能有一些直接作用，但是更可能的情况是弯曲使CAP能与启动子上的RNA接触。

在多种启动子中CAP激活转录的精确过程可能不同，但是它们达到相同的总目标:由于给细胞提供了足够的葡萄糖，关闭那些不必要的代谢通路。此外，这点也是负调控和正调控的协调控制，涵盖了调节蛋白对散在分布的基因座多个结合位点的结合。

真核生物基因表达的调控

真核生物基因表达的调控 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、 2、 3、 4、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、无操纵子和衰减子。 大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。

生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。 从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。 c.基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。

原核生物基因表达与调控

第八章原核生物基因表达与调控 一、教学目的和要求： 掌握原核生物基因表达及调控机制 二、教学重点： １、乳糖操纵子调控机制 2、半乳糖操纵子调控机制 3、色氨酸衰减子调控机制 三、教学难点： 1、半乳糖操纵子调控机制 2、色氨酸衰减子调控机制 四、教学方法： 面授并辅以多媒体教学 五、教学内容 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质。 第一节原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA： 单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控 ?根据基因表达产物可划分： 组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境影响——组成型表达。 /适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。?一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? ?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 ?基因调控主要在三个水平上进行: ?①. DNA水平 ?②. 转录水平 ?③. 翻译水平 ?一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。

真核生物的基因表达调控机制

一、真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。 1. 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在 109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有10万个基因。 2. 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传 成分(如线粒体DNA等)，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。 3. 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。 4. 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元， 共同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron)的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 5. 原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中 仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。 6. 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码 的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。 7. 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组 中则存在大量重复序列(repetitive sequences)。用复性动力学等实验表明有三类重复序列：1）高度重复序列(highly repetitive sequences)，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。2）中度重复序列(moderately repetitive sequences)，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复3×105次，在人的基因组中约占7%，功能也还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围。3）单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。 从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人类对真核基因组的认识还很有限，使现在国际上制订的人基因组研究计划(human gene project)完成，绘出人全部基因的染色体定位图，测出人基因组109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系，特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要经历很长期艰巨的研究过程。 二、真核基因表达调控的特点 尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。

原核基因表达调控综述

细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。 一、操纵元的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(见下图)。 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个 酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透催化乳(lactose permease)过酶半乳糖苷酶-糖分解第一步的β。

见下图)(β-galactosidase)( -β在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成细菌大量合成分钟后，2－3半乳糖苷酶量极少，加入乳糖半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的碳源时，菌体内的β-。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测3%半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的β-出细菌中诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。 和Jacob针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的1961于Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，学说，如下图所示。下图中年提出乳糖操纵元(lac operon)是转录是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，P、za开始的P结合而阻碍从O能与R，R编码合成调控蛋白i所需要的启动子，调控基因a、z 基因转录，所以O就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与P结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。

真核生物基因表达调控

第十章作业 1. 简述真核生物基因表达调控的7个层次。 ①染色体和染色质水平上的结构变化与基因活化 ②转录水平上的调控，包括基因的开与关，转录效率的高与低 ③RNA加工水平的调控，包括对出事转录产物的特异性剪接、修饰、编辑等。 ④转录后加工产物在从细胞核向细胞质转运过程中所受到的调控 ⑤在翻译水平上的控制，即对哪一种mRNA结合核糖体进行翻译的选择以及蛋白质成量的控制 ⑥对蛋白质合成后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪接等的控制 ⑦对mRNA选择性降解的调控 2. 真核基因表达调控与原核生物相比有何异同？ 相同点：①与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也有转录水平调控和转录后水平的调控，并且也以转录水平调控为最重要； ②在真核结构基因的上游和下游(甚至内部)也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 不同点：①原核细胞的染色质是裸露的DNA，而真核细胞染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体。 ②在原核基因转录的调控中，既有激活物参与的正调控，也有阻遏物参与的负调控，二者同等重要。 ③原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，即在转录尚未完成之前翻译便已开始。 ④真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也就不一样，某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机制。 3. DNA 甲基化对基因表达的调控机制。 甲基化抑制基因转录的机制：DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白H1相结合，DNaseⅠ超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 直接影响了转录因子与启动区DNA的结合效率的结合活性，不能启始基因转录。DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了转录活性。 4. 转录因子结合DNA的结构基序（结构域）有哪几类？ ①螺旋-转折-螺旋 ②锌指结构 ③碱性-亮氨酸拉链 ④碱性-螺旋-环-螺旋 5. 真核基因转调控中有几种方式能够置换核小体？ ①占先模式：可以解释转录时染色质结构的变化。该模型认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。 ②动态模式该模型认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即转换核小体中的全部或部分成分并重新组装，这个耗能的基因活化过程称为染色质重构 6. 简述真核生物转录水平调控过程。 真核生物在转录水平的调控主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的，主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程：①转录起始复合物的形成：真核生物RNA聚合酶识别的是由通用转录因子与DNA形成的

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。 DNA水平的调控 DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂，删除，扩增，重排，修饰（如甲基化与去甲基化，乙酰化与去乙酰化等）和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。 转录水平的调控 转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。通过染色质改型，组蛋白乙酰化，染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用，基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件，转座元件，增强子，抑制子的调控，同时受反式作用因子包括基本转录因子，上游转录因子和转录调节因子等的调控。 转录后调控 转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑 在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。

翻译水平的调控 阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA，阻止其翻译 此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。 翻译后调控 直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。 1．蛋白质折叠 线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。 2．蛋白酶切割 末端切割 有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。 多聚蛋白质的切割 有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。

真核生物与原核生物基因表达调控的区别

原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平 真核基因的表达调 控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启 动子,由sita因子决定基因表的的特异性 真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子 依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型 转录出多顺反子RNA 实现协调调节 真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平 其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子 与RNA聚合酶结合 、阻遏蛋白 负调控 、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性 不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合 可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多 在DNA水平上可以通过染色体 丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA 的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录 真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在 乳糖不存在 此时无诱导剂

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述 基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。 1.基因表达调控意义 在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。 2.原核基因表达调控特点 原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。 细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。 二.原核生物表达调控的概念 （1）细菌细胞对营养的适应

细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长 的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。 （2）顺式作用元件和反式作用元件 基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。RNA聚合酶是典型的反式作用因子。 顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其 自身同处于一个DNA分子上的基因；这种基因DNA序列通常不编码蛋白质， 多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。 （3）结构基因和调节基因 结构基因是编码蛋白或RNA基因。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结 构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞核组织器官基本成分的结构蛋白，有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异性DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点 结合控制转录是调控关键。 （4）操纵基因和阻遏蛋白 操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录，阻遏蛋白是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏蛋白物一起合成于操纵基因，阻遏蛋白操纵因子结构基因的转变，阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达的调控 河南大学民生学院王磊生物技术 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。 2、无操纵子和衰减子。 3、大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 4、个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。 a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多

真核生物与原核生物基因表达调控的区别复习课程

真核生物与原核生物基因表达调控的区别

精品文档 原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型转录出多顺反子RNA 实现协调调节真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA 聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA 的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA 复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA 运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在乳糖不存在此时无诱导剂 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

真核生物基因表达的调控

第10章真核生物基因表达的调控 本章教学要求 1.熟悉真核基因组的结构特点、真核生物在DNA水平、转录水平和翻译水平上基因表达调控的特点。 2.掌握以下概念：顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子，熟悉沉默子、基本转录因子、特异转录因子。 3.了解转录因子的结构特点。 本章教学重点和难点 1、真核生物在DNA水平和转录水平基因表达调控的特点。 2、转录因子的结构特点。 教学方法与手段 讲授与交流互动相结合，采用多媒体教学。 授课内容 10.1 真核生物基因表达调控的特点和种类 一、真核生物基因表达调控的特点 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现"预定"的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。 真核生物基因表达调控与原核的共同点： ?基因表达都有转录水平和转录后的调控，且以转录水平调控为最重要； ?在结构基因上游和下游、甚至内部存在多种调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 真核生物基因表达调控与原核的不同点： 1、真核基因表达调控的环节更多：转录与翻译间隔进行，具有多种原核生物没有的调控机制；个体发育复杂，具有调控基因特异性表达的机制。 2、真核生物活性染色体结构的变化对基因表达具有调控作用：DNA拓扑结构变化、DNA 碱基修饰变化、组蛋白变化； 3、正性调节占主导，且一个真核基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物。

真核生物的基因表达调控概述

真核生物的基因表达调控概述 真核生物基因在染色质活性、DNA水平、转录水平和翻译水平的表达调控特点。答：真核基因组结构具有基因组结构庞大、单顺反子、含有大量重复序列、基因不连续性、非编码区较多等特点。 （1）染色质结构水平对基因表达调控：①常染色质或异染色质；②染色质的状态（活性或阻遏），紧密结构会抑制基因表达，解凝集结构利于基因表达；③可以通过对组蛋白结构的修饰来实现，有组蛋白翻译后的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等；④DNA水平的调控包括基因丢失、扩增、重排和移位等方式。 （2）转录水平的调控：①RNA聚合酶、转录因子等反式作用因子和顺式作用元件（启动子强弱、增强子、沉默子）相互作用对基因转录的调控；②同一基因转录起始位点的不同，导致在不同组织细胞中的基因表达差异。 （3）转录后的加工：转录后加工的多样性，包括①加尾和剪接；②多个5′端转录起始位点或剪接位点；③多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式；④虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点等多种方式调控基因的表达。（4）翻译水平的调控：①翻译起始因子eIF-4F 的磷酸化激活蛋白质的合成，eIF-2α 的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平；② mRNA 结构与翻译控制：mRNA5′端m7G 帽有增强翻译水平的作用，上游AUG 密码子的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率；③起始AUG 上游序列对翻译效率的影响，如Kozak序列；④poly(A)尾增加翻译效率；⑤poly(A)尾中富含UA 序列抑制翻译。 （5）翻译后加工水平的调控：翻译的蛋白质还需要加工、修饰、折叠和分选后才具有功能。综上所述，真核生物基因表达调控是一个十分复杂的过程。

真核生物基因表达调控

第十章真核生物基因表达调控 第一节染色质结构与基因表达 染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期，30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。分裂期结束后，染色体又转化为染色质。按照功能不同，可将染色质划分为活性染色质和非活性染色质。前者是指那些具有转录活性的染色质，而后者则用于表示缺乏转录活性的染色质。在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染色质。 一、位置效应 位置效应（position effect）是指一个基因由于在基因组的位置发生改变，而发生的表达上的变化。 二、活性染色质的特征 与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，其核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测这种变化。 三、染色质结构的调节 在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地接近DNA。由组蛋白和基因组DNA两部分组成的染色质结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，实际上起着阻遏转录的作用。基因转录需要染色质发生一系列重要的变化，如染色质去凝集，核小体变成开放式的疏松结构，使转录因子等更容易接近并结合核小体DNA。有两种方式可以显著改变DNA的易接近性：组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。 1．组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响 每种核心组蛋白包括一个～80个氨基酸残基构成的保守的区域称为组蛋白

真核基因和原核基因表达调控的异同

真核基因和原核基因表达调控的异同？ 真核基因表达调控的基本原理与原核基因相同，主要表现在： 1、与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也以转录水平调控为最重要； 2、在结构基因均有调控序列，并依靠特异蛋白因子与这些调控序列的结合与否调控基因的表达。 3、都要经历转录、翻译的过程。 4、表达过程都有复杂性，多环节 不同 1、真核基因表达调控过程更复杂。 2、在染色质结构上。原核细胞的DNA是裸露的，而真核细胞DNA包装在染色体中。DNA与组蛋白组成核小体形成为染色体基本单位。在原核细胞中染色质结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核细胞中染色质的变化调控基因表达，并且基因分布在不同的染色体上，存在染色体间基因的调控问题； 3、真核生物中编码蛋白质的基因通常是断裂基因，含有有非编码序列即内含子，因而转录产生的mRNA前体必须剪切加工才能成为有功能的成熟的mRNA，而不同拼接方式的可产生不同的mRNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。 4、在原核基因转录的调控中，既有正调控，也有负调控，二者同等重要，而真核细胞中虽然也有正调控成分和负调控成分，但目前已知的主要是正调控，且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能调节基因的转录； 5、原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，而真核基因的转录与翻译在时空上是分开的，从而使真核基因的表达有多种调控机制。 6、真核生物细胞中存在mRNA的稳定性调控

7、真核生物大都为多细胞生物，基因的表达随细胞内外环境条件的改变和时间程序在不同的表达水平上进行着精确调控，而原核生物主要受环境因素和营养状况影响基因调控。 8、真核生物由三种RNA聚合酶分别负责三种RNA的转录，而原核生物只有一种。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）

第六章 原核基因表达调控模式思考题答案

第七章原核生物的基因调控思考题答案 一、填空题 1. 能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物称为安慰诱导物。能够诱导乳糖操纵子的化合物IPTG 就是其中一例。这种化合物同阻遏蛋白质结合。并使之与操纵基因分离。乳糖操纵子的体内功能性诱导物是异乳糖。 2. 色氨酸是一种调节分子，被视为辅阻遏物。它与一种蛋白质结合形成全阻遏物；乳糖操纵子和色氨酸操纵子是两个负控制的例子。cAMP—cAP蛋白通过正控制起作用。色氨酸操纵子受另一种系统弱化作用的调控，它涉及到第一个结构基因被转录前的转录终止作用。 二、选择题(单选或多选) 1. 标出以下所有正确表述：( C ) (a)转录是以半保留方式获得序列相同的两条DNA链的过程 (b)依赖DNA的DNA聚合酶是多亚基酶，它负责DNA的转录 (c) 细菌的转录物(mBNA)是多基因的 (d)σ因子指导真核生物hnRNA的转录后加工，最后形成mRNA (e)促旋酶在模板链产生缺口，决定转录的起始和终止 2．下面哪些真正是乳糖操纵子的诱导物?( (c) (d) ) (a) 乳糖 (b) O—硝基苯酚—β—半乳糖苷(ONPG) (c) 异丙基巯基—β—半乳糖苷 (d) 异乳糖 3．氨酸操纵子的调控作用是受两个相互独立的系统控制的，其中一个需要前导肽的翻译，下面哪一个调控这个系统？( (b) ) (a) 色氨酸 (b) 色氨酰－tRNA Trp (c) 色氨酰—tRNA (d) cAMP (e)以上都不是 三、判断题 1. 下面哪些说法是正确的? (a) LacA的突变体是半乳糖苷透性酶的缺陷 (b) 在非诱导的情况下，每个细胞大约有4分子的p—半乳糖苷酶 (c) 乳糖是一种安慰诱导物 (d) RNA聚合酶同操纵因子结合 (e) 多顺反子mRNA是协同调节的原因 (f) Lac阻遏物是一种由4个相同的亚基组成的四聚体 (g) 腺苷酸环化酶将cAMP降解成AMP (h) CAP和CRP蛋白是相同的 (i) —35和—10序列对于RNA聚合酶识别启动子都是很重要的 (j) 色氨酸的合成受基因表达、阻遏、弱化作用和反馈抑制的控制 (k) Trp的引导mRNA能够同时形成三个“茎—环”结构 (l) 在转录终止子柄部的A—T碱基对可以增强结构的稳定性 (m) 真核生物和原核生物的转录和翻译都是偶联的

原核生物基因表达调控

第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控 第一节概述 机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。 在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。 1．顺式作用元件和反式作用因子 基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在 DNA上)相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。因此反式作用因子(trans-acting factor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。 顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。因此，顺式作用元件(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 2．结构基因和调节基因 为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因，有时用结构基因和调节基因的概念。结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因(regulatory gene)是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。3．启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，两者都是典型的顺式作用位点。启动子位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子能终止基因的转录。启动子和终止子是能受同一类反式作用因子识别的顺式作用元件，这一类反式作用因子就是RNA聚合酶。当然，两个位点也能各自结合一些特定的其他因子。

原核生物与真核生物基因表达的区别

原核生物与真核生物基因表达的区别 最佳答案 原核生物的机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。 转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。 通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。 RNA 的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA 分子的组成和功能。 在真核细胞中，还可对RNA 从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA 只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA 转录的起始和RNA 翻译的起始路线也很相似。 真核生物基因表达的调控要比原核生物复杂得多，特别是高等生物，不仅由多细胞构成，而且具有组织和器官的分化。细胞中由核膜将核和细胞质分开，转录和翻译并不是偶联，而是分别在核和细胞质中进行的，基因组不再是环状或线状近于裸露 DNA ，而是由多条染色体组成，染色体本身结构是以核小体为单位形成的多极结构， 真核生物的个体还存在着复杂的个体发育和分化，因此说真核生物的基因表达调控是多层次的，从DNA到RNA 到有功能蛋白质多途径进行调控的。 主要的调控途径有如下几个方面： ①DNA 和染色体水平上的调控：基因的拷贝数扩增或丢失和基因重排，DNA 修饰，在染色体上的位置，染色体结构（包括染色质、异染色质、核小体）都可影响基因表达。 ②转录水平上的调控：转录起始的控制和延伸的弱化对mRNA 前体的水平都会产生影响。 ③转录后RNA 加工过程和运送中的调控：真核基因转录出的mRNA 前体，要经过加工才能成熟为mRNA ，包括切割、拼接、编辑、5`和3`末端修饰等，成熟的mRNA 再运出细胞核。 ④翻译水平上的调控：5`端前导序列形成茎环结构降低翻译水平或抑制蛋白结合5`端，阻止mRNA 的翻译。 ⑤翻译后的调控：翻译后产生的蛋白质常常需要修饰和加工如磷酸化、糖基化、切除信号肽及构象形成等，才能成为有活性的蛋白质，可以利用这个过程有选择地激活或灭活某些蛋白质。 ⑥mRNA 降解的调控：控制mRNA 寿命就能控制一定数目的mRNA 分子产生蛋白质数量，这种调控是由mRNA 3`端的序列决定的。（为什么是有其决定？？） 真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同之处 2010-8-29 09:12 最佳答案 ①真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子