第七章原核基因表達的調控第一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一順式作用元件：對基因表達有調節活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；反式作用因子：通過擴散自身表達產物（酶、調節蛋白）控制其他基因的表達,基因表達的調控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質）和順式作用元件（通常在DNA上）相互識別、相互作用而實現。第二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.1基因表達：儲存遺傳信息的基因經過一系列步驟表現出其生物功能的整個過程。基因表達調控：對基因表達過程的調節。生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、精確調控:第三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

組成性表達(constitutiveexpression)

適應性表達(adaptiveexpression）1.2基因表達的方式第四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.2.1組成性表達：

指不大受環境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。維持細胞最低限度功能所不可少的基因。如編碼組蛋白基因、編碼核糖體蛋白基因、線粒體蛋白基因、糖酵解酶的基因等。

第五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.2.2適應性表達指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導(induction)：應環境條件變化基因表達水平增高的現象，這類基因被稱為可誘導的基因(induciblegene)；阻遏(repression)：隨環境條件變化而基因表達水平降低的現象相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.3基因表達的規律

——時間性和空間性基因表達的組織特異性-空間特異性：在個體生長過程中，各個組織只合成自身結構和功能所需蛋白。不同組織細胞中不僅表達的基因數量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同。基因表達的階段特異性-時間特異性：細胞分化發育的不同時期，基因表達的情況是不相同的。某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生。第七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.4基因表達調控的生物學意義適應環境、維持生長和增殖（原核、真核）維持個體發育與分化（真核）生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、精確調控的，盡管現在對調控機理的奧妙所知還不多，但已經認識到：不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達調控也是生命本質所在。第八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.5原核生物基因表達調控環節：①轉錄水平上的調控；②轉錄后水平上的調控：mRNA加工成熟水平上的調控；翻譯水平上的調控。第九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第一節概述第二節操縱子第三節轉錄后加工的調控第四節翻譯水平的調控第十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2基本概念2.1結構基因和調控基因2.2操縱基因2.3啟動子和終止子2.4順式作用元件和反式作用因子2.5轉錄因子第十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.1結構基因和調控基因結構基因（structuralgene）：編碼蛋白質或RNA的任何基因。原核生物的結構基因一般成簇排列，真核生物獨立存在。調控基因（regulatorgene）：參與其他基因表達調控的RNA或蛋白質的編碼基因。其編碼產物與DNA上的特定位點結合調控基因表達。2基本概念PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorPromoterGene第十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一調控基因調控蛋白影響結構基因的表達第十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.2

操縱基因

操縱基因（operatorgene，O）：調控蛋白特異性結合的一段DNA序列；調控蛋白結合在操縱基因的序列上，會影響其下游基因轉錄的強弱：調控基因調控蛋白影響結構基因的表達第十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一負性調控：調控蛋白結合在操縱基因的序列上，減弱或阻止其調控基因轉錄，相應的調控蛋白稱為阻抑蛋白；第十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一正性調控：調控蛋白結合在操縱基因的序列上，增強或啟動其調控基因轉錄，相應的調控蛋白稱為激活蛋白。第十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.3啟動子和終止子啟動子(promoter,P)：能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。終止子(terminator,T)

：給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列。第十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2基本概念2.1結構基因和調控基因2.2操縱基因2.3啟動子和終止子2.4順式作用元件和反式作用因子2.5轉錄因子第十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.4順式作用元件和反式作用因子順式作用元件(cis-actingelement)：對基因表達有調節活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；通常不編碼蛋白質，多位于基因旁側或內含子中，如啟動子、終止子、操縱基因等。調控基因第十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一反式作用因子(trans-actingfactor)

：通過擴散自身表達產物（酶、調節蛋白）控制其他基因的表達,

其編碼基因與其識別或結合的靶序列不在同一個DNA分子上。如調控蛋白、轉錄因子等。調控基因調控蛋白影響結構基因的表達第二十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.5轉錄因子轉錄因子：轉錄起始過程中，RNA聚合酶所需要的輔助因子。轉錄因子是參與正調控的反式作用因子。在無轉錄因子時，RNA聚合酶不能起始轉錄。轉錄因子通常識別位于基因上游啟動子附近的順式作用元件。第二十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一RNApolIITFIIDTAFs

TBPPolIII啟動子

TFIIIBTFIIICTBPRNApolIII

PolI啟動子

RNApolISL1

UBF1

TBPPolII啟動子轉錄起始點TATA

第二十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一基因表達的調控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質）和順式作用元件（通常在DNA上）相互識別、相互作用而實現。順式作用元件

轉錄因子反式作用因子調控基因RNApolymarase啟動子第二十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第一節概述第二節操縱子第三節轉錄后加工的調控第四節翻譯水平的調控第二十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物阻抑作用的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第二十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1乳糖操縱子(lacoperon)的結構發現：1940年Monod：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養基上生長時，細菌優先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌才利用乳糖繁殖增長；1961年，法國人Jacob&Monod提出乳糖操縱子學說。獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎。FrancisJacob

JacquesMonod

第二十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一外周胞質乳糖細胞內面乳糖透(性)酶透(性)酶β－半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖內膜第二十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一操縱子的結構組成：結構基因群:ZYA

啟動子:P

操縱基因：O

調控基因:I

終止子:TT第二十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一操縱子：是基因表達的協調單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節基因產物的控制。

第二十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物阻抑作用的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第三十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1阻抑蛋白的負性調控β-半乳糖苷酶降解乳糖為葡萄糖和半乳糖；葡萄糖作為細胞的能源和碳源，半乳糖可被另外的酶系統轉變為葡萄糖。調控基因第三十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.1可誘導的負性調控－乳糖操縱子調控方式；誘導物（inducer）：作用于調控蛋白-阻抑蛋白，引起誘導發生的小分子物質。第三十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.2Lac操縱子的本底水平表達誘導物先要越膜才能與阻遏蛋白結合由乳糖被β-半乳糖苷酶降解產生的異構乳糖才是真正的誘導物。問題：預先存在β-半乳糖苷酶和透過酶嗎？非誘導條件下Lac操縱子微量表達。原因：阻抑蛋白對操縱基因的結合不是絕對緊密。第三十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第三十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一安慰誘導物：

如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。第三十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物阻抑作用的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第三十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第三十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一阻抑蛋白的結構和功能阻抑蛋白與特異DNA（操縱基因）的結合位點阻抑蛋白對DNA的特異結合作用阻抑蛋白對RNA聚合酶的影響2阻抑蛋白的作用機制第三十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一N端1～59aa,頭部片段HTH，與操縱基因DNA的大溝結合；2個核心區：每個有6個折疊，誘導物結合在兩個核心區之間的裂縫中；C端為一組a-螺旋2.1阻抑蛋白的結構和功能的關系核心結構域1核心結構域2HTH鉸鏈區頭部尾部－聚合第三十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一4個亞基的核心片段接觸形成四聚體第四十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.2阻抑蛋白與特異DNA（操縱基因）的結合位點操縱基因的對稱序列對稱軸：+11第四十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.3阻抑蛋白對DNA的特異結合作用：非誘導條件下，阻抑蛋白都結合在DNA上，特異位點的親和力高，非特異位點的親和力低。誘導物的加入改變了阻抑蛋白的分布。第四十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.4阻抑蛋白對RNA聚合酶的影響阻抑蛋白和RNApol可同時與DNA結合；阻抑蛋白存在增強了RNApol的結合：

RNApol與啟動子結合的平衡常數1.9X107；有阻抑蛋白時，2.5X109。雖然阻抑蛋白存在使得RNApol不能轉錄。但加入誘導物后，釋放出阻抑蛋白，閉合復合體變成為開放復合體，立即起始轉錄。阻抑蛋白結合區第四十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一操縱基因和啟動子的相對位置關系第四十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物CAP的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第四十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.3CAP對乳糖操縱子的正調控作用2.3.1CAP(分解代謝物激活蛋白，catobolitegeneactivatorinprotein)：由cap編碼，結合cAMP后成為有活性的CAP；

cAMP：分解代謝產物，其含量與葡萄糖的分解代謝有關：第四十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一cAMP-CAP復合物對lac操縱子的正調控葡萄糖效應：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP復合物，操縱子關閉第四十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.3.2CAP的作用機制（1）CAP以兩種方法來激活轉錄：a可能直接CAP作用于RNApola亞基，b作用于DNA，改變其結構，從而幫助RNAPol結合。第四十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（2）

CAP結合位點結合位點～22bpI-70~-50II-50~-40CAP為二聚體，45KD，被cAMP激活第五十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2.3.3

CAP存在原因：由于pLac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發生去阻遏使lac操縱元轉錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。第五十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一乳糖第五十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物CAP阻抑作用的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第五十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3色氨酸操縱子3.1色氨酸trp操縱子的結構第五十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1）阻抑蛋白的負調控3.2trp操縱子的雙重調控體系輔阻遏物當缺乏色氨酸時,該操縱子開放表達阻遏物當存在色氨酸時，該操縱子關閉第五十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一可阻抑的負調控-trp操縱子阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000；輔阻遏物(corepressor)：作用于阻抑蛋白，引起基因表達阻抑的小分子物質。誘導物（inducer）：作用于調控蛋白-阻抑蛋白，引起誘導發生的小分子物質。效應物（effector）：在操縱子系統中某些特定的物質能與調控蛋白結合，使調控蛋白的空間構像發生變化，從而改變其對基因轉錄的影響的特定物質。第五十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2）弱化作用/衰減作用當色氨酸達到一定濃度，但還沒有高到能夠活化阻抑蛋白使其起阻遏作用的程度時，產生色氨酸合成酶類的量已經明顯降低，而且產生的酶量與色氨酸濃度呈負相關。弱化子第五十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一前導序列trpL(leadersequence):在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。起著隨色氨酸濃度升高降低轉錄的作用；弱化子(attenuator)：也稱內部終止子，DNA中可導致轉錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150bp）。弱化作用(attenuation)：弱化子控制RNA聚合酶通讀弱化子能力的調控機制。第五十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第五十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一高色氨酸第六十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一為什么需要阻遏體系？當大量Trp存在時，阻遏系統起作用。阻抑蛋白與之結合，阻止先導mRNA合成。為什么需要弱化系統？當trp濃度低時，阻抑蛋白從有活性變為無活性，速度極慢，不能很快引發trp合成。因此需要一個能快速作出反應的系統，以保持培養基中適當的Trp水平。兩個調控系統，避免浪費提高效率；

阻遏系統高水平trp時，不轉錄低水平trp時，轉錄至前導序列

弱化系統細調原核生物細致的精細調控機制，增強原核生物對環境的適應性第六十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第六十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第二節操縱子1乳糖操縱子(lacoperon)的結構2乳糖操縱子的調控機制2.1阻抑蛋白的負性調控2.2阻抑蛋白的作用機制2.3分解代謝產物CAP阻抑作用的正調控3色氨酸操縱子4正調控系統和負調控系統第六十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一5正調控系統和負調控系統操縱子調控系統的基本類型：負性調控：減弱或阻止其調控基因轉錄，可誘導負調控系統可阻遏負調控系統正性調控：增強或起動其調控基因轉錄，可誘導正調控系統可阻遏正調控系統第六十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第六十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一乳糖第六十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第一節概述第二節操縱子第三節轉錄后加工的調控第四節翻譯水平的調控第六十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第三節轉錄后加工的調控第六十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1經mRNA切割進行的調控原核生物的mRNA很少經過加工，少數情況下多順反子mRNA先被內切酶切成較小的單位再作為翻譯的模板。rpIL(L7)第六十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第七十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2

通過切割釋放原核rRNA大腸桿菌的rRNA：16S，23S和5S。7個操縱子編碼rRNA，rrnA-G，在染色體上并不緊密連鎖。每個操縱子都含有16S、23S、5SRNA及幾個tRNA。tRNA的數量，種類及位置都不固定。每個操縱子都有一個雙重啟動子結構：第一個啟動子在16SrRNA起始點上約300bp處，可能是基本的啟動子。離P1110bp有第二個啟動子P2。第七十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第一節概述第二節操縱子第三節轉錄后加工的調控第四節翻譯水平的調控第七十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四節翻譯水平的調控

翻譯過程中的自體調控重疊核苷酸與翻譯調控稀有密碼子的調控魔斑核苷酸水平對翻譯的影響小分子RNA調節翻譯第七十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一自體調控：某種蛋白質或者RNA調控自身的表達。

1.1阻抑蛋白對翻譯起始的調控1.2參與基因表達裝置的蛋白質的合成的自體調控1.3mRNA二級結構對翻譯的調控1翻譯過程中的自體調控第七十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.1阻抑蛋白對翻譯起始的調控阻抑蛋白通過與mRNA的特定區域結合，抑制核糖體對翻譯起始區的識別。最常見形式：阻抑蛋白與含有起始密碼子AUG的序列直接結合，從而阻止核糖體結合。第七十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一表

與mRNA起始區結合抑制翻譯的阻抑蛋白阻抑蛋白靶基因作用位點R17外殼蛋白R17復制酶核糖體結合位點的發夾結合T4RegAT4早期mRNA含有起始密碼子的各種序列T4DNA聚合酶T4DNA聚合酶S-D序列T4p32基因32單鏈5'前導序列第七十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一p32易與單鏈DNA結合，不影響自身合成

。缺乏單鏈DNA，過量的p32直接地結合在mRNA上阻斷了翻譯的起始。圖過量的基因32

的蛋白p32與自身的mRNA結合抑制核糖體翻譯起始T4噬菌體蛋白p32合成的自體調控第七十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.2參與基因表達裝置的蛋白質的合成的自體調控參與基因表達裝置的蛋白質包括：核糖體蛋白質、蛋白質合成因子和RNA聚合酶亞基等。第七十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一物第七十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一參與基因表達裝置的蛋白質的基因混合組成幾個操縱子，每個操縱子都含有數個基因。這些操縱子的表達都受操縱子自身的一些基因產物的調控。蛋白質富集后抑制其自身及一些相關基因產物的進一步合成。第八十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一自體調控：某種蛋白質或者RNA調控自身的表達。

1.1阻抑蛋白對翻譯起始的調控1.2參與基因表達裝置的蛋白質的合成的自體調1.3mRNA二級結構對翻譯的調控1翻譯過程中的自體調控第八十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1.3mRNA二級結構對翻譯的調控翻譯一個順反子需要二級結構的改變，而這種二級結構的改變又依賴于前一個順反子的翻譯。mRNA上有多個核糖體存在時，第一個順反子的翻譯會破壞mRNA原有的二級結構，使核糖體能夠與下一個順反子的翻譯起始區域結合。第八十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第八十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

舉例-RNA噬菌體基因的表達調控：CP外殼蛋白CP是阻遏物，占據rep的核糖體結合位點，控制其合成Rep復制酶CP和Rep并不等量第八十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四節翻譯水平的調控

翻譯過程中的自體調控重疊核苷酸與翻譯調控稀有密碼子的調控魔斑核苷酸水平對翻譯的影響小分子RNA調節翻譯第八十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第八十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2

重疊核苷酸與翻譯調控

色氨酸操縱子

TrpE-Thr-Phe-終止密碼子

ACUUUCUGAUGGCU

Met-Ala-TrpDTrpB

-Glu-Ile-終止

GAAAUCUGAUGGAA

Met-Glu-TrpA第八十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四節翻譯水平的調控

翻譯過程中的自體調控重疊核苷酸與翻譯調控稀有密碼子的調控魔斑核苷酸水平對翻譯的影響小分子RNA調節翻譯第八十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3稀有密碼子的調控在原核生物中，有時同一個操縱子中的基因其功能并無相關性，那么它們的產量就不可能要求一致，但又同在一個操縱子中，如何來進行調節呢？第八十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第九十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一表在不同產物中Ile密碼子使用頻率不同密碼子在25種非調控蛋白中(%)在引物酶中(%)在σ因子中(%)AUU373626AUC623274AUA1320蛋白質翻譯一旦開始后，其速度即受對應于mRNA分子中所利用的各種tRNA的供應情況而決定。稀少tRNA分子所識別的密碼子大都翻譯得較慢，而被豐富的tRNA識別的密碼子則翻譯得要快些。第九十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四節翻譯水平的調控

翻譯過程中的自體調控重疊核苷酸與翻譯調控稀有密碼子的調控魔斑核苷酸水平對翻譯的影響小分子RNA調節翻譯第九十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一4魔斑核苷酸水平對翻譯的影響-應急調控應急調控(strigentcontrol)：細菌在饑餓條件下，缺乏各種氨基酸使得蛋白質合成受阻，將采取關閉大量的代謝過程來抵御不良條件，保存自己的一種機制。當氨基酸缺乏時，tRNA成為空載體，就觸發ATP和GTP合成一種新化合物