人工基因組的設計與合成李炳志bzli@2013-031中心法則蛋白質翻譯轉錄逆轉錄復制DNARNA復制2第六章

基因表達調控(一)李炳志bzli@2013-033第六章基因表達調控基本概念原核表達調控真核表達調控4基因表達與調控基因表達(geneexpression)是指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。對這個過程的調節就稱為基因表達調控（generegulation或genecontrol）。基因表達調控是現階段分子生物學研究的中心課題。rRNA、tRNA編碼基因轉錄生成RNA的過程也屬于基因表達。5基因表達的方式組成型表達constitutiveexpression適應型表達adaptiveexpressionregulatedgeneexpression協調表達coordinateexpression6組成型表達管家基因（housekeepinggene）在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達的基因。組成型基因表達（constitutivegeneexpression）管家基因的表達方式，較少受環境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續表達或變化很小。7適應型表達

指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導表達Inductionexpression

基因表達水平應環境條件變化增高的現象。這類基因被稱為可誘導的基因induciblegene；阻遏表達Repression expression基因表達水平隨環境條件變化降低的現象。相應的基因稱為可阻遏的基因repressiblegene8協調表達（coordinatedexpression）在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致，共同表達，這種調節稱為協調調節（coordinatedregulation）9基因表達的時間性與空間性時間特異性：單細胞生物個體的生長過程，及在不同外環境下的生長狀態，均伴隨各種基因表達的改變。多細胞在個體發育的不同階段，及處于不同內環境下，細胞基因表達方式也存在變化。空間特異性：多細胞生物中，組成不同組織器官的細胞，其基因表達方式有很大差別。10原核基因表達調控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。11操縱子學說Jacob和Monod因提出操縱子學說和信使RNA而于1965年諾貝爾生理學獎。12操縱子組成操縱子是原核生物基因表達調控的基本功能單位，基本結構包括：結構基因、啟動子、調控序列、終止子等。原核生物基因多以操縱子形式組成調控單元，共同開啟或關閉，形成多順反子mRNA。13結構基因群一個操縱子常含有2個以上的結構基因，每個基因為一個開放讀碼框，分別有翻譯起始密碼子和終止密碼子，首尾相連。共用核糖體結合位點。14啟動子一個操縱子至少有一個啟動子，分三段：識別區、結合區和起始區。啟動子序列差異決定了和RNA聚合酶的親和力，影響了啟動子的啟動頻率，即啟動子的強弱。15操縱基因（Operator）操縱子中能與調控蛋白特異性結合的DNA序列。操縱基因常與啟動子部分重合或鄰近，調控蛋白的結合常影響下游基因的轉錄。16調控基因編碼能與操縱基因特異性結合的調控蛋白的基因。17

正調控（positivecontrol）:

調控因子通過與啟動子元件結合來激活基因的表達。負調控（negativecontrol）:

阻抑物與操縱基因結合來阻止基因的表達。正調控與負調控18誘導(induction)：通過小分子誘導物參與,使阻抑物失活或活化激活劑來實現對基因或操縱子表達的調控。阻遏(repression):

通過小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化阻抑物來實現基因或操縱子不表達的調控。誘導與阻遏19幾個概念阻遏蛋白：能與操縱基因結合減弱或阻止基因表達的蛋白；誘導蛋白：能與操縱基因結合加強或起始基因表達的蛋白；效應物：能與調控蛋白結合，改變其構象并影響轉錄的物質誘導劑：能引起誘導發生的分子；阻遏劑：能引起阻遏發生的分子；20操縱子的類型根據作用方式分：誘導型：調節分解代謝相關的操縱子，受cAMP-CAP調節。分解代謝的底物常為小分子誘導物；阻遏型：調節合成代謝相關的操縱子，不受cAMP-CAP影響。有些有弱化子存在，產物一般為阻遏物。21調控類型與特點22乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個特定區段，由調節基因I，操縱基因O和結構基因Z、Y、A組成。23乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個特定區段，由調節基因I，操縱基因O和結構基因Z、Y、A組成。2425乳糖不存在時26乳糖存在時27誘導物

別乳糖是lac操縱子轉錄的活性誘導物，發現一個合成的、結構上類似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個誘導物的作用，所以IPTG常用于誘導含有使用了lac啟動子的質粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。28誘導物29操縱子對誘導劑的響應30

通過去阻遏調控lac操縱子只是調控的一種方式，另一調控系統也可起到lac操縱子的轉錄誘導作用。分解物基因激活蛋白（catabolicgene-activatorprotein:CAP）可以部分調控細菌對糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時，CAP可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉錄。

當葡萄糖和乳糖都存在時，即使阻遏物不結合，轉錄也是非常弱的。然而當葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在時，轉錄激烈增加。這是由于CAP是lac操縱子的一個激活劑，并且起始了正調控轉錄。cAMP的作用象個調節器，它與CAP結合正向調控CAP的DNA結合活性。Lac操縱子的正調控31cAMP生成adenylatecyclaseATP

cAMP32CRP的活性控制葡萄糖與cAMP的濃度負相關，并通過cAMP調控基因的轉錄。33Lac操縱子的正調控34乳糖操縱子調控總圖35TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromo