同學們上午好主講葉輝單位溫州醫學院生化教研室第十五章基因表達的調控1961年，FrancisJacob等通過E.coli基因表達調控研究提出了著名的操縱子學說控制中心法則各步進行快慢的調控系統復制RNARNA蛋白質蛋白質逆轉錄轉錄翻譯翻譯復制DNA第一節

基因表達調控的基本概念BasicConceptionsofGeneExpressionRegulation基因表達生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳信息經過轉錄，翻譯等系列生化反應的過程，合成特定的蛋白質，進而發揮特定生物學功能和生物學效應的全過程。基因表達調控控制基因表達的調節機制例如：人類有3萬個基因，并非全部表達，大腸桿菌有5%處于高表達狀態，其余為低表達或靜止狀態基因表達的多水平調控調控點轉錄前水平翻譯水平轉錄水平轉錄后加工翻譯后水平轉錄水平的調控是基因表達的最主要和重要的調控步驟正調控和負調控基因表達的效果正調節（positiveregulation）：因一種特異性調控元件的存在遺傳信息的表達增加負調節（negativeregulation）：因一種特異性調控元件的存在遺傳信息的表達減少基因表達調控的分類基因表達的方式組成性表達持家基因某些基因在一個生物體的幾乎所有細胞中以適當恒定的速率進行表達，較少受環境因素的影響。例如：為三羧酸循環的酶編碼的基因誘導和阻遏表達（受環境變化影響）同一事物的兩種表達形式（環境）誘導表達阻遏表達乳糖操縱子是誘導，阻遏表達的典型模型順式作用和反式作用順式作用元件Cis-actingfactor順式：相對同一分子或染色體而言反式：相對不同分子或染色體而言與編碼基因位于同一DNA分子（兩側，非編碼序列），影響自身基因表達活性的DNA序列啟動子、增強子、沉默子反式作用因子trans-actingfactor與編碼基因位于不同DNA分子的基因表達的蛋白質，通過與特異的順式作用元件相互作用（DNA結構域和蛋白-蛋白結構域）反式激活另一基因的轉錄三、基因表達調控的一般特征時間特異性（階段特異性）空間特異性（組織特異性）胚胎發育不同階段不同的基因表達（珠蛋白的表達）同一生長階段，同一基因產物在不同組織器官表達多少不同（同工酶）第二節原核生物基因表達的調控調節特點多水平調控多順反子（polycistronicmRNA）:多個編碼基因轉錄成一個mRNA分子，翻譯成多條多肽鏈操縱子（operon）模型的普遍性乳糖（lac）操縱子色氨酸（trp）操縱子一、乳糖操縱子（thelac

operon）結合阻遏蛋白IPOZYACAP結合位點CAP結合位點調節基因啟動序列操縱序列結構基因阻遏蛋白RNA聚合酶結合cAMP（一）乳糖操縱子的結構乳糖操縱子的結構結構基因調控區調節基因IZ基因編碼β半乳糖苷酶Y基因編碼β半乳糖苷透性酶A基因編碼乙酰基轉移酶操縱序列O：阻遏蛋白結合部位啟動序列P：結合RNA聚合酶CAP結合位點:cAMP結合位點編碼阻遏蛋白（二）乳糖操縱子表達的調節CAP的正性調節阻遏蛋白的負性調節無誘導物時無葡萄糖時（誘導物：異乳糖）不產生誘導物有葡萄糖阻遏蛋白的負性調節有乳糖ipozya調節基因結構基因mRNA阻遏蛋白調節基因表達阻遏蛋白+O區結合阻礙P區RNA聚合酶結合通過O區lac操縱子受阻遏狀態結構基因不表達無葡萄糖有乳糖產生誘導物ipozya誘導物與阻遏蛋白接合使阻遏蛋白失去活性LacmRNAβ-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶乙酰基轉移酶誘導物(異乳糖allolactose

；IPTG)分解乳糖的酶基因表達誘導物結合阻遏蛋白阻遏蛋白變構阻遏蛋白與O區解離RNA聚合酶通過O區1.掌握以下概念：基因表達、基因表達調控、正調節、負調節、持家基因、誘導表達和阻遏表達;2.掌握乳糖操縱子的結構；3.掌握乳糖操縱子的阻遏蛋白的負性調節.本節課的重點1.掌握以下概念：基因表達、基因表達調控、正調節、負調節、持家基因、誘導表達和阻遏表達;2.掌握乳糖操縱子的結構；3.掌握乳糖操縱子的阻遏蛋白的負性調節.復習與鞏固上節課的重點內容CAP的正性調節分解（代謝）基因激活蛋白（catabolitegeneactivatorprotein，CAP）同二聚體有DNA結合區和cAMP結合位點結合阻遏蛋白IPOZYACAP結合位點CAP結合位點調節基因啟動序列操縱序列結構基因阻遏蛋白RNA聚合酶結合cAMP乳糖操縱子的結構cAMPCAPIP

O

ZYA5＇3＇CAPCAPCAPCAPCAP＋葡萄糖濃度低時CAPCAPCAPCAPCAPCAPRNA聚合酶mRNACAPIP

OZYA5＇3＇葡萄糖濃度高時CAPcAMP×RNA聚合酶CAP的正性調節RNA-pol活性↑缺乏G時cAMP↑cAMP與CAP結合增加CAP與CAP位點結合基因表達↑G↑或cAMP↓cAMP與CAP結合受阻基因表達↓二、色氨酸操縱子（thetrp

operon）（一）色氨酸操縱子結構RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A調節基因調控區結構基因鄰氨基苯甲酸合成酶色氨酸合成酶啟動子前導trp

L衰減子吲哚甘油-3-磷酸合成酶調節基因操縱基因結構基因（合成Trp的酶）調控區trpE，trpD基因編碼鄰氨基苯甲酸合成酶trpC基因編碼吲哚甘油-3-磷酸合成酶trpB，trpA基因編碼色氨酸合成酶操縱序列O：阻遏蛋白結合部位啟動序列P：結合RNA聚合酶衰減子（attenuator，a）162bp調節基因R：編碼阻遏蛋白（二）色氨酸操縱子轉錄的調控機制RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A前導trpL衰減子調節區結構基因阻遏蛋白mRNATrp

mRNA（色氨酸水平低時）衰減的

mRNA（色氨酸水平高時）trp含有140個堿基阻遏蛋白mRNAUUUUUUUU3＇色氨酸操縱子的前導trpLmRNA結構1234Trp密碼子互補配對5＇前導肽（14AA）互補配對互補配對34UUUUUUUUU3＇RNA聚合酶12Trp密碼子mRNA核蛋白體DNA衰減子結構前導肽色氨酸濃度高時核蛋白體234Trp密碼子Trp結構基因1DNA色氨酸濃度低時RNA聚合酶（二）色氨酸操縱子轉錄的調控機制RP

Otrp

Etrp

Dtrp

Ctrp

Btrp

A前導trpL衰減子調節區結構基因阻遏蛋白mRNATrp

mRNA（色氨酸水平低時）衰減的

mRNA（色氨酸水平高時）trp含有140個堿基阻遏蛋白mRNA第三節真核生物基因表達的調控結構龐大基因占6%，5%-10%為rRNA等DNA序列，其余80%-90%DNA序列無遺傳學功能一個編碼基因轉錄成一個mRNA分子，翻譯成一條多肽鏈單順反子（monocisronic）真核基因組結構特點重復序列基因不連續性基因兩側有不被轉錄的非編碼序列（基因調控區）基因內部有內含子，不編碼蛋白質。多拷貝序列；單拷貝序列；反轉重復序列（回文）正性調節占主導轉錄與翻譯分隔進行轉錄后修飾、加工轉錄在細胞核翻譯在胞漿比原核復雜正性調節更有效：基因組龐大，正性調節增加基因表達調節的特異性和精確性負性調節不經濟：基因多，多阻遏不如少激活對DNase1敏感性增高核小體結構變化DNA堿基的化學修飾組蛋白變化甲基化與基因表達程度成反比磷酸化與乙酰化使核小體結構變得不穩定有利于轉錄基因被激活時染色體結構變化轉錄時RNA聚合酶前方轉錄區DNA為正超螺旋：后方負超螺旋；組蛋白解聚核小體核心結構與RNA聚合酶Ⅱ的轉錄轉錄水平的調控順式作用元件反式作用因子啟動子（promoter）增強子（enhancer）沉默子（silencer）真核生物順式作用元件GC盒TATA盒增強子CAAT盒結構基因

轉錄起始啟動子

+1-25bp

沉默子啟動子TATA盒GC盒CAAT盒（TATAAAA）轉錄起始點上游25-30bp是基本轉錄因子TFⅡD結合位點（GGGCGGG）轉錄起始點上游80-110bp，管家基因（CCAAT）轉錄起始點上游70-80bp轉錄起始點上游RNA-pol結合位點周圍的一組轉錄控制功能組件，控制轉錄起始的準確性及頻率增強子遠離轉錄起始點（1-30kb），決定基因時間，空間特異性表達，增強轉錄活性的DNA序列轉錄起始啟動子與增強子缺一不可沉默子負性調節元件，阻遏基因轉錄轉錄調節因子分類（轉錄因子TF）基本轉錄因子特異轉錄因子RNA-pol結合啟動子必需的一組蛋白因子TFⅡD為通用轉錄因子個別基因轉錄必需轉錄激活轉錄抑制蛋白質轉錄激活蛋白轉錄抑制蛋白DNA與增強子結合與沉默子結合反式作用因子反式作用子結構DNA結合域轉錄激活域二聚化結構域與順式作用元件結合部位介導蛋白質-蛋白質相互作用結構域1、螺旋-轉角-螺旋2、鋅指結構：Cys-Cys鋅指；Cys-His鋅指3、堿性亮氨酸拉鏈（basicleucinezipper，bZIP）：形成二聚體結合調節蛋白①螺旋-轉角-螺旋模體

-螺旋-轉角螺旋螺旋轉角NC②鋅指模體組氨酸殘基-折疊-螺旋Zn半胱氨酸殘基-折疊③亮氨酸拉鏈模體轉錄后的調控1、初級轉錄本的加工2、mR