生物化学 基因表达的调控
生物化学-第十八章 基因表达调控
3、协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；
※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序 列结合，操纵子仍无转录活性。
单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌 首先利用葡萄糖。
葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢 阻遏(catabolic repression)。
胰岛素基因 胰岛β细胞
三、基因表达的方式多样性
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）基本表达 某些基因在一个个体的几乎所有细胞
中持续表达，通常被称为管家基因 (housekeeping gene)。
无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大 多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很 小。这类基因表达被视为基本（或组成性） 基因表达(constitutive gene expression)。
无专一性，需要启动子才能发挥作用。 酵母：上游激活序列（UAS）
3. 沉默子(silencer)
某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
（二）反式作用因子 1. 转录（调节）因子分类（按功能特性）
* 基本转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组
GC盒: GGGCGG CAAT盒: GCCAAT
• 位于-30 〜 -110bp区域 • 与相应蛋白因子结合，影响转录效率。
典型的启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或 GC盒组成，通常具有一个转录起始点及较高的 转录活性。
2. 增强子(enhancer)
指远离转录起始点、决定基因的时间、 空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序 列。发挥作用的方式：与方向、 距离无关。
《生物化学》-第八章
➢ 与前述操纵子的基本组成一样，乳糖操纵子也是由结构基因和调控区组成的 ➢ 乳糖操纵子包括Z、Y和A三个结构基因 ➢ Z结构基因编码β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖 ➢ Y结构基因编码半乳糖透过酶，促使半乳糖透过酶进入细菌内 ➢ A结构基因编码乙酰转移酶，催化半乳糖形成乙酰半乳糖 ➢ 调控区包括调节基因（I）、启动子（P）、操纵基因（O）及启动子上游的一个CAP结合位点，
第一节 基因表达的调控
二、基因表达调控的概念和意义
（一）基因表达调控的概念
➢ 基因表达调控是指细胞或生物体在接收内外环境信号刺激 或适应环境变化的过程中，在基因表达水平上所做出的应 答，即基因组内的基因如何被表达、表达多少等
➢ 基因表达调控大致可以在5个层次上进行，即转录前、转 录、转录后、翻译和翻译后
➢ 基因表达是指在一定的调节机制的控制下，基因组DNA经 转录、翻译等一系列过程，合成具有特异生物学功能的蛋 白质的过程
➢ 并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA编码 基因转录生成功能型RNA的过程也属于基因表达
第一节 基因表达的调控
一、基因表达的概念、特点及方式
（二）基因表达的特点--时间特异性
5′-侧上游，主要控制整个结构基因群的转录
第一节 基因表达的调控
三、原核生物基因表达的调控
（一）操纵子的基本组成
➢ 3．操纵基因 ➢ 操纵基因是指能被阻遏蛋白特异性识别并结合
的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子 序列重叠 ➢ 当阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻遏蛋白会阻 碍RNA聚合酶与启动子结合或使RNA聚合酶 不能沿DNA链向前移动，从而阻遏转录的进行
（一）操纵子的基本组成
➢ 1．结构基因 ➢ 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因 ➢ 一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达20个以上 ➢ 各结构基因头尾衔接、串联排列，组成结构基因群
生物化学中的基因表达调控
生物化学中的基因表达调控生物体内的基因表达调控是一项关键的生物化学过程，它决定了基因的表达水平和基因产物的功能。
这个调控系统以多种复杂的方式调节基因的表达，以适应细胞内和细胞外环境的变化。
本文将介绍基因表达调控的机制和其在生物化学中的重要性。
一、基因表达调控的概述基因表达调控是指细胞如何决定在何时、何地和何种程度上表达特定基因的过程。
这种调控是细胞内复杂网络的结果，涉及到DNA序列、蛋白质因子和其他细胞组分的相互作用。
二、转录调控在基因表达的第一步中，DNA序列被转录成RNA，这一过程称为转录。
转录调控是一种主要的基因表达调控机制，通过控制转录的起始和终止来调节基因的表达水平。
这种调控包括DNA序列中的启动子区域和转录因子的相互作用。
三、转录后调控转录后调控是指在转录结束后，通过调节RNA的处理、稳定性和翻译效率来调控基因表达。
这种调控包括RNA修饰、剪接和降解等过程。
转录后调控对于基因调控的精确性和适应性具有重要作用。
四、表观遗传调控表观遗传调控是指通过改变染色质结构和DNA甲基化状态来调控基因表达。
这种调控是长期稳定的，可以由环境因素和遗传变异所影响。
表观遗传调控在细胞分化、发育和疾病发生中起着重要的作用。
五、信号传导调控细胞内外的信号分子可以通过信号传导通路直接或间接地调节基因的表达。
这种调控机制可以迅速地响应环境变化，调节基因表达以满足细胞的需要。
信号传导调控在细胞生命活动中起着非常关键的作用。
六、miRNA调控miRNA是一类小分子RNA，通过与靶基因的mRNA结合来抑制其翻译或降解，从而调节基因表达。
miRNA调控是一种重要的基因表达调控机制，参与细胞增殖、分化和生理病理过程。
七、基因表达调控的重要性基因表达调控在生物化学中具有重要的意义。
它使细胞能够对环境变化做出适应性反应，并在细胞生命周期的不同阶段保持基因表达的稳定性和精确性。
基因表达调控的异常可能导致疾病的发生和发展。
总结：基因表达调控在生物化学中是一个复杂而重要的过程。
生物化学——基因表达调控
CCAAPP CAP CAP CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
.
9
(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白)
高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
葡萄糖浓度低 cAMP 浓度高
(有CAP)
葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低
(无CAP)
RNA-pol
O
O
mRN
A
O
O
.
10
三、真核基因基因表达的调节
阻遏基因
DNA mRNA
I C Ppo O l
Z YA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
.
7
有乳糖存在时
DNA mRNA
I C pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
.
8
(2)CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA I C P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
24
2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区
信息区
DNA I C P O Z Y A
调控 序列
启动 序列
操纵 序列
CAP结合位点
编码基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
A：乙酰基转移酶 代谢产物基因激活蛋白(cataboli.te gene activator protie6n,CA
(1)阻遏蛋白的负性调节
第十四章 基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制， 提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表 达调控研究的新纪元。
生物化学 5-基因表达调控
个基因或一些功能相近的基因表达（生物体内基因表达）的开启、
关闭和表达强度的直接调节。
它是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存 能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。
二、基因表达的方式
（一）组成性表达(constitutive gene expression)
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表 达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的， 这类基因可称为管家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少
性。
• 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度较低， cAMP与CAP 结合受阻，lac操纵子表达下降。
（4）协调调节
Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作 • 无乳糖，无诱导物时，转录作用被I表达的阻遏蛋白所阻断。 • 有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，使其变构，从操纵基
因上解离出来。
调节基因
β －半乳糖苷酶
2、阻遏蛋白 的负性调节
没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻
遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与
O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序 列结合，抑制转录启动。
有乳糖存在时，lac 操纵子可被诱导。
别乳糖作为诱导剂分子结合阻遏 蛋白，使蛋白构象变化，导致阻 遏蛋白与O序列解离，发生转录
基因产物特异识别、结 合其它基因的调节序列， 调节其它基因的开启或
关闭称为反式调节
基因产物特异识别、 结合自身基因的调 节序列，调节自身 基因的开启或关闭 称为顺式调节
DNA
a
A A
反式调节
b
mRNA
蛋白质A
C
c
DNA
mRNA
顺式调节
生物化学第十三章 基因表达调控
第十三章基因表达调控一、基因表达调控基本概念与原理：1．基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA 分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。
2．基因表达的时间性及空间性：⑴时间特异性：基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。
故又称为阶段特异性。
⑵空间特异性：基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。
故又称为细胞特异性或组织特异性。
3．基因表达的方式：⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。
这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。
⑵诱导和阻遏表达：诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
这类基因称为可诱导基因。
阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
这类基因称为可阻遏基因。
4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。
②维持个体发育与分化。
5．基因表达调控的基本原理：⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。
⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。
生物化学习题及解析基因表达调控
基因表达调控一、选择题（一） A 型选择题1 ．基因表达调控的最基本环节是A ．染色质活化B ．基因转录初步C ．转录后的加工D ．翻译E ．翻译后的加工2．将大肠杆菌的碳源由葡萄糖转变为乳糖时，细菌细胞内不发生A ．乳糖→半乳糖B ．cAMP 浓度高升C ．半乳糖与隔断蛋白结合D ．RNA聚合酶与启动序列结合E ．隔断蛋白与控制序列结合3．加强子的特点是4．以下那个不属于顺式作用元件A 5 ABCDE 6 ． UAS B ． TATA 盒 C ． CAAT 盒 D ． Pribnow盒E．．关于铁反应元件（IRE）错误的选项是．位于运铁蛋白受体(TfR)的mRNA上． IRE 组成重复序列．铁浓度高时 IRE 促进 TfR mRNA 降解．每个 IRE可形成柄环节构． IRE 结合蛋白与 IRE 结合促进 TfR mRNA 降解．启动子是指GC 盒A． DNA 分子中能转录的序列B．转录启动时 RNA 聚合酶鉴别与结合的 DNA 序列C．与隔断蛋白结合的 DNA 序列D．含有转录停止信号的 DNA 序列E．与反式作用因子结合的 RNA 序列7．关于管家基因表达错误的选项是A．在同种生物全部个体的全生命过程中几乎全部组织细胞都表达B．在同种生物全部个体的几乎全部细胞中连续表达C．在同种生物几乎全部个体中连续表达D．在同种生物全部个体中连续表达、表达量一模一样E．在同种生物全部个体的各个生长阶段连续表达8．转录调治因子是E．产生隔断蛋白的调治基因9 ．对大多数基因来说，CpG 序列高度甲基化A ．控制基因转录B ．促进基因转录C ．与基因转录没关D ．对基因转录影响不大E ．既可控制也可促进基因转录10 ． HIV 的 Tat 蛋白的功能是A ．促进 RNA polⅡ 与DNA结合B．提高转录的频率C ．使 RNA pol Ⅱ经过转录停止点D ．提前停止转录E ．控制 RNA pol Ⅱ参加组成前初步复合物11．活性基因染色质结构的变化不包括A ． RNA 聚合酶前方出现正性超螺旋B ． CpG 岛去甲基化C ．组蛋白乙酰化D ．形成茎 - 环结构E ．对核酸酶敏感12．真核基因组的结构特点不包括E ．几个功能相关基因成簇地串联13 ．功能性前初步复合物中不包括A ． TF Ⅱ AB ． TBPC ．σ因子D ．initiator （Inr ）E ．RNA pol Ⅱ14 ． tRNA 基因的启动子和转录的启动正确的选项是A ．启动子位于转录初步点的 5 '端B ． TF ⅢC 是必需的转录因子，TF Ⅲ B 是帮助TF ⅢC 结合的辅助因子C ．转录初步需三种转录因子 TF Ⅲ A 、 TF Ⅲ B 和 TF Ⅲ CD ．转录初步第一由 TF Ⅲ B 结合 A 盒和 B 盒E ．一旦 TF Ⅲ B 结合， RNA 聚合酶即可与转录初步点结合并开始转录15．基因转录激活调治的基本要素错误的选项是A ．特异 DNA 序列 B ．转录调治蛋白C ． DNA- 蛋白质相互作用或蛋白质 - 蛋白质相互作用D ． RNA 聚合酶活性E ． DNA 聚合酶活性16．关于“基因表达”表达错误的选项是A ．基因表达并无严格的规律性B ．基因表达拥有组织特异性C ．基因表达拥有阶段特异性D ．基因表达包括转录与翻译E．有的基因表达受环境影响水平高升或降低17 ．关于基因引诱和隔断表达错误的选项是A ．这类基因表达受环境信号影响升或降B ．可引诱基因指在特定条件下可被激活C ．可隔断基因指应答环境信号时被控制D ．乳糖控制子体系是引诱和隔断表达典型例子E ．此类基因表达只受启动序列与 RNA 聚合酶相互作用的影响18 ．控制子不包括19．顺式作用元件是指C．编码基因以外可影响编码基因表达活性的序列D．启动子不属顺式作用元件 E ．特异的调治蛋白20 ．关于反式作用因子不正确的选项是A．绝大多数转录因子属反式作用因子B．大多数的反式作用因子是 DNA 结合蛋白质C．指拥有激活功能的调治蛋白D ．与顺式作用元件平时是非共价结合E ．反式作用因子即反式作用蛋白21 ．乳糖控制子的直接引诱剂是A ．乳糖B ．半乳糖C ．葡萄糖 D．透酶 E ．β- 半乳糖苷酶22 ．关于乳糖控制子不正确的选项是A ．当乳糖存在时可被隔断B ．含三个结构基因C ． CAP 是正性调治要素D ．隔断蛋白是负性调治要素E ．半乳糖是直接引诱剂23 ．活化基因一个明显特点是对核酸酶A ．高度敏感B ．中度敏感C ．低度敏感D ．不度敏感E ．不用然24 ． lac隔断蛋白与lac控制子结合的地址是A ． I基因B．P序列C．O序列D．CAP序列E．Z基因25 ． CAP 介导 lac控制子正性调治发生在A ．无葡萄糖及 cAMP 浓度较高时B ．有葡萄糖及 cAMP 浓度较高时C ．有葡萄糖及 cAMP 浓度较低时D ．无葡萄糖及 cAMP 浓度较低时E ．葡萄糖及 cAMP 浓度均较低时26 ．功能性的前初步复合物（ PIC ）形成牢固的转录初步复合物需经过TBP 接近A．结合了默然子的转录控制因子B．结合了加强子的转录控制因子C．结合了默然子的转录激活因子D．结合了加强子的转录激活因子E．结合了加强子的基本转录因子（二） B 型选择题A．控制子 B ．启动子 C ．加强子 D ．默然子 E ．转座子1 ．真核基因转录激活必不能少2 ．真核基因转录调治中起正性调治作用3 ．真核基因转录调治中起负性调治作用4．原核生物的基因调控体系是5．由特定基因编码，对另一基因转录拥有调控作用的转录因子6．影响自己基因表达活性的 DNA 序列7．由特定基因编码，对自己基因转录拥有调控作用的转录因子8．属于原核生物基因转录调治蛋白的是A ． lac隔断蛋白B．RNA聚合酶C．c AMP D．CAPE．转录因子9．与 CAP 结合10．与启动序列结合11．与控制序列结合A ．多顺反子B ．单顺反子C ．内含子D ．外显子E ．控制子12．真核基因转录产物13．原核基因转录产物14．真核基因编码序列A ． UBF1B ． SL 1 C．ICR D．TFⅢ B E．UCE15 ． RNA polⅠ所需转录因子，并能与UCE 和核心元件结合16 ． tRNA 和 5S rRNA 基因的启动子17 ．人 rRNA 前体基因的启动子元件18 ． tRNA 和 5S rRNA 基因转录初步所需转录因子（三） X 型选择题1．基因表达的方式有2．基因表达终产物能够是3．在遗传信息水平上影响基因的表达包括4．控制子包括E．顺式作用元件5．以下哪些是转录调治蛋白E．反式作用因子6．基因转录激活调治的基本要素有A ．特异 DNA 序列B ．转录调治蛋白C ． DNA-RNA 相互作用D ． DNA- 蛋白质相互作用E ．蛋白质 - 蛋白质相互作用7．平时组成最简单的启动子的组件有E．上游激活序列8．关于启动子的表达哪些是错误的A ．开始转录生成 m RNA 的 DNA 序列B ． m RNA 开始被翻译的序列C ． RNA 聚合酶开始结合的 DNA 序列D ．隔断蛋白结合 DNA 的部位E．产生隔断物的基因9．基因表达过程中仅在原核生物中出现而真核生物没有的是A ． AUG 用作初步密码子B ．σ因子C ．电镜下的“羽毛状”现象D ．多顺反子 m RNA E ．多聚核糖表现象二、是非题1 ．管家基因在一个生物个体的几乎全部细胞中连续表达，且表达水平是一成不变的。
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
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阻遏蛋白 阻遏基因
16
调控序列
结构基因
lacI
Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
cAMP-CAP 结合部位 阻遏蛋白 阻遏基因
启 动 操纵序列 子
半乳糖苷酶
通透酶 半乳糖苷转乙酰基酶
结构基因 lacZ、lacY、lacA: 分别编码 b-半 乳糖苷酶，通透酶和乙酰基转移酶。这些相连的 基因呈多顺反子转录。 操纵序列（operator，o）: 阻遏蛋白的结合位 点。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，lac 的转录 将受到阻遏。 阻遏基因 lacI: 编码与操纵序列结合的阻遏蛋 白。 启动子（promoter）: 位于 lacI 和 lacO 之间。
• 诱导性表达和阻遏性表达是生物体为适应外界环 境的改变而做出的两种表现形式。 7
二、基因表达调控是多层次协调 的复杂过程
• 基因表达是一个多步骤的过程。因此，基因表达 调控可以在多个层次上进行，包括染色质水平的 调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻 译水平的调控和翻译后水平的调控。
• 转录水平的调控是最主要和最重要的调控步骤。
译的偶联来实现对氨基酸操纵子转录的精
细调节。
39
氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列
苏
苯丙
组
40
三、分解代谢和合成代谢操纵子的 调节机制
操纵子 乳糖操 纵子 色氨酸 操纵子 操纵子调 控的过程 分解代谢 合成代谢 基础 状态 调控方式
由诱导剂开 关闭 放表达 由辅阻遏剂 开放 关闭表达
41
第三节 真核生物基因表达调控
外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP 合成。
24
CAP-cAMP 复合物
25
CAP 的正调控作用
CAP CAP
lacI
CAP
Plac
lacO
lacZ
lacY RNApol lacA
CAP
CAPMP与CAP的二聚物形成复合物后，结合在CAP
结合位点上，促使转录的启动。
乳糖
CH2OH OH OH OH OH O
半乳糖
CH2OH O OH OH OH
O
CH2 O OH
OH
别乳糖
22
OH OH
Lac 操纵子的基因表达调节
• 在通透酶的作用下，乳糖进入胞内。
• 乳糖在 b-半乳糖苷酶作用下生成了别乳糖。别乳
糖与阻遏蛋白四聚体的结合改变了阻遏蛋白四聚 体的空间结构，不能再与操纵序列结合，能够转 录 lac 操纵子的结构基因。别乳糖被称为诱导剂 （inducer）。
真核生物体系的基因表达要比原核生物体系基因表 达复杂的多，其原因在于： 1. 大小不同。大肠杆菌基因组的长度为4 × 10 bp， 约有4000个基因；而哺乳类基因组的长度为~ 9 10 bp，约有3万~3.5万个基因。 2. 编码特性不同。原核基因组的大部分序列都是 编码基因；而哺乳类基因组中只有10%的序列 编码蛋白质、rRNA和tRNA等，其余90%的序 列功能至今尚不清楚。
血红蛋白亚基的合成量（％）
人血红蛋白珠蛋白基因簇的阶段性表达
50 40 30 20 10
a g
a
b
z
6
e
b
12 18 24 30 36
d
g
3 新生儿期（月龄） 6
10
胎儿期（周龄）
四、基因表达受顺式作用元件和反 式作用因子共同调节
• 一个基因是否表达和表达多少与调节序列 （regulatory sequence）密切相关。调节 序列位于被调控的结构基因（structural gene）的上游，具有特定的核苷酸序列。
• 但是，乳糖操纵子是一个弱启动子
(TTTACA/TATGTT) ，需要一个正调控机制来促 使转录的启动。
23
分解代谢物基因激活蛋白CAP 的结合位点
CAP-cAMP 结合部位
CAP：catabolite gene activation protein CAP的结合位点在 -60 处。
CAP以同源二聚物的形式与 cAMP 结合，形成 CAP-cAMP复合物结合在 CAP结合位点上。
11
根据调节序列与结构基因的相对位臵关系， 人们将这些调节序列称为顺式作用元件 （cis-acting element），包括启动子 （promoter）、增强子（enhancer）、沉 默子（silencer）等。
有一些蛋白分子可以与靶基因的顺式作用元 件结合，共同实现调节基因表达的目的， 它们被称为反式作用因子（trans-acting factor）。
lacO
27
乳糖操纵子的意义
• 阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同
担负着原核生物体系内糖源的协调利用。
• 乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原核
生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖完全 耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。
• 乳糖操纵子模型诠释了原核生物基因表达的调节
机制，开创了基因表达机制研究的新领域，是生 物学的一个划时代的突破。（1965年Nobel奖）
CAP
CAP
cAMP
26
阻遏蛋白和CAP共同参与的协同调控
乳糖缺乏 乳糖存在
Plac 葡萄糖缺乏 lacI
RNApol
lacO lacI
Plac
RNApol
lacO
CAP-cAMP 复合体 CAP-cAMP 结合部位 Plac 葡萄糖存在 lacI
RNApol
mRNA
lacO lacI
Plac
RNApol
操纵子前导区内一段类似于终止子结构的 DNA序列，其作用是减弱操纵子的转录， 实现对转录过程的精确调节。
38
转录衰减子的意义
• 转录衰减子的形成使RNA聚合酶无法对已
经启动的操纵子中的结构基因进行转录，
而终止转录的茎-环结构的形成又依赖于核
糖体在该操纵子中前导序列上进行的翻译。
由此可见，衰减作用充分利用了转录和翻
8
三、基因表达具有时空特异性
• 空间特异性（即组织特异性）：同一基因 产物在不同的组织器官中的分布是不同的， 某些基因在一种组织中暂不表达或永不表 达，而另外一些基因是相反的情况。 血红蛋白与肌红蛋白 同工酶
9
•时间特异性（即阶段特异性）：在细胞的生 长、发育过程中，相应的基因按一定的时间顺 序开启或关闭，决定细胞向特定的方向分化和 发育。
28
二、翻译水平的调控是对转录调控 的补充
• 原核生物基因表达的时空性决定了转录和
翻译过程的偶联。
• 色氨酸操纵子（trp operon）是典型的转
录和翻译过程的偶联。
• 转录衰减子的精细调节是通过转录和翻译
的偶联而实现的。
29
色氨酸操纵子（trp operon）
trpR P O trpL trpE trpD trpC trpB trpA
调节区
结构基因
结构基因：trpE、trpD、trpC、trpB 和 trpA 上游调控区：调节基因（trpR）、启动子（P）、 前导序列（trpL）和操纵序列（O）。
启动子（P）和操纵序列（O）有部分重叠。
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开放状态的色氨酸操纵子
P trpR RNApol O trpL 结构基因
mRNA Trp阻遏蛋白
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第一节 基因表达调控的基本性质
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
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一、诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普通方式
• 有些基因参与生命的全过程，需要在一个生物体 中所有细胞中持续地表达。这样的基因被称为管 家基因（housekeeping gene）。
当培养基中色氨酸含量很少时，trpR 阻遏蛋白以 同源二聚体的形式存在，不能与操纵序列 O 结合， 使得RNA聚合酶能够启动转录。
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关闭状态的色氨酸操纵子
RNApol
trpR
P
trpL
结构基因
Trp
Trp阻遏蛋白
当色氨酸含量丰富时，色氨酸与色氨酸阻遏蛋白 结合，使其能够与操纵序列结合，抑制转录。色氨 酸被称为辅阻遏剂（corepressor）。—————粗 调开关
• 1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分 离出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
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乳糖操纵子（Lac operon）的结构
调控序列 结构基因
lacI
Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
启动子 操纵序列
cAMP-CAP 结合部位 半乳糖苷酶
通透酶 半乳糖苷转乙酰基酶
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第二节 原核生物基因表达调控
Gene Expression Regulation for Prokaryotes
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原核生物基因组是一个闭合环 状的DNA分子。
原核生物的细胞结构也比较简 单，它的全部物质（DNA， RNA和蛋白质）都包容在细 胞膜内。
DNA
转录
mRNA
翻译
蛋白
原核生物基因组的转录和翻译 在同一空间内完成，时间上 的差异不大。在转录过程终 止之前，mRNA就已经结合 在由rRNA和核蛋白体蛋白 共同构成的核蛋白体上，开 14 始了蛋白质的生物合成。
LacI 阻遏蛋白与 DNA 结合的复合物
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别乳糖诱导的 lac 操纵子表达
细胞膜 lacI
RNApol Plac
lacO
lacZ
lacY
lacA
半乳糖苷酶
通透酶
别乳糖 诱导剂
乳糖