第 6 章 基因表达的调控

1. 第6章 基因表达的调控

4. 基因表达（gene expression） • 是指基因组中结构基因经过转录、翻译等过程，合成蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能的全过程。

5. RNA 的合成 • 4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 • 转录单位：结构基因、启动子、终止子 • 按碱基配对原则, 沿5’---3’方向 • 真核生物有三型RNA聚合酶 • 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 • 转录后的产物经加工成为成熟的RNA

6. 蛋白质的合成 • 合成体系：氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、某些酶与蛋白质因子、ATP、GTP、Mg • mRNA编码区的三个相邻核苷酸组成密码子 • tRNA起接合器作用，核糖体是合成场所和装配机 • 核糖体循环：起始、肽链延长和终止 • 翻译后加工：折叠、共价修饰、水解和亚单位的聚合

7. 基因表达及其调控的特点 • 管家基因（housekeeping gene）在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 • 组成性基因表达（constitutive gene expression）管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。

8. 诱导表达（induction expression）有一些基因表达极易受环境影响，在特定环境信号刺激下，基因的表达开放或增强。 • 阻遏表达（repression expression）在特定环境信号刺激下，基因的表达关闭或减弱。

9. 时间特异性（temporal specificity）在多细胞生物，从受精卵到组织、器官形成的各个发育阶段，相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭。 • 空间特异性（spatial specificity）在个体生长全过程，某基因产物在不同组织空间顺序出现。

10. 协调表达（coordinated expression）功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。又称协调调节（coordinated regulation）

11. 基因表达的调控（gene expression regulation ） • 是指各种细胞中相同的遗传信息，有规律的选择性、程序性、适度的表达以适应机体生长、发育、繁殖以及环境变化的需要，发挥其生理功能的调节和控制。

12. 基因表达调控的生理意义 • 适应环境、维持生长和增殖 • 维持个体发育与分化

13. 基因表达调控的基本原理 • 基因表达的多级调控 • 基因转录激活调节基本因素 • 特异DNA序列 • 调节蛋白 • DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 • RNA聚合酶

14. Transcription 5’ GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3’coding (= non-template) strand 3’ CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5’template strand 5’ GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU 3’ mRNA

15. 第一节原核生物基因表达的调控

16. 一 转录水平的调控（一）影响转录的因素 • 启动子 • σ因子 • 阻遏蛋白 • 正调控蛋白 • 倒位蛋白 • RNA聚合酶抑制物 • 衰减子

17. 操纵子（operon） 调控区 信息区 启动子 操纵基因

18. 启 动 子 • 决定转录方向及模板链： E. coli的启动子长约40-60bp，至少包括三个功能区。 • 起始部位（initiation site） ＋1 • 结合部位（binding site） -10bp，RNA聚合酶与之结合 T80A95T45A60A50T96 • 识别部位（recognition site） -35bp，σ因子与之结合 T82G78A65C54A95

19. σ因子 • 不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化可由到产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。 阻遏蛋白（repressor） • 与DNA结合后都是抑制转录，这种基因表达调控的方式称为负调控。

20. 正调控蛋白 • 与DNA结合后促进转录，这种基因表达调控的方式称为正调控。 • CAP蛋白(catabolic gene activator protein，CAP) 分解代谢物基因活化蛋白 • ntrC蛋白 是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白，其自身活性可通过ntrB使其磷酸化（有活性）和去磷酸化（无活性）而被调节

21. E. coli Promoters consensus TATA (Pribnow) box

22. 倒位蛋白（inversion protein） • 是一种位点特异的重组酶。沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码，在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主。 衰减子（attenuator） • 又称弱化子，位于操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。

23. RNA聚合酶抑制物 • 细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止 • 这种现象称为严谨反应（stringent response）

24. Positive vs. Negative Regulation

25. Allosteric Effectors Binding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator.

26. （二） 转录的调控机制 • 乳糖操纵子调控的机制 • 阿拉伯糖操纵子的调控机制 • 色氨酸操纵子的调控机制

27. 1.乳糖操纵子（lac operon） 结构特点 • 三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase) • 其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O） • 启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点

28. Ribosome initiation Operon Organization of Lac Operon and LacI promoter

29. Regulation of Gene Expression IPTG also induces Splits lactose lactose transport ?? 半乳糖 （异丙基硫代半乳糖苷）

31. AC AMP cAMP glucose Adenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of Lac Adenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (cAMP) from ATP High glucose adenylate cyclase is inhibited (indirectly, via a catabolic product) Therefore cAMP levels are LOW Absence of glucose  adenylate cyclase is NOT repressed Therefore cAMP levels are HIGH cAMP forms a complex with the CAP protein, which allows it to then bind to the CAP site upstream of the Lac operon. Binding of the CAP protein is required to allow RNA polymerase to bind to the lac promoter and turn on transcription. In the absence of CAP binding, there is no (or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose.

32. CAP Binding Bends DNAv This DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding

33. CAP mediates glucose repression of Lac Promotes transcription

34. 调控机制 • I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。

35. Four States of the Lac Operon LacI LactoseGlucose - + - - CAP-cAMP + - + +

36. 2.阿拉伯糖操纵子（ara operon） 结构特点 • 结构基因 B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖 • 调控区 由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成

37. CAP

38. 调控机制 • C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC， AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。

39. The Arabinose Operon Arabinose present, Glucose absent, operon ON No Arabinose present, operon OFF This loop prevents RNA transcription (NOT true for all loops)

40. 调控作用 • 有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭 • 无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭 • 无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放

41. 3.色氨酸操纵子（trp operon） 结构特点 • E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸， • 上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成 • R基因编码阻遏蛋白

43. Genomic Organization of the Trp Operon

44. 调控机制 • 阻遏型操纵子及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。 调控作用 • 将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。

45. Control of Gene Expression in the Trp Operon • The enzyme catalyzing the first step in the pathway is inhibited by Trp (feedback control). • In the presence of Trp, a repressor protein binds to an operator upstream of the Trp operon and shuts off transcription • Attenuation. There is a 160 base pair region in the Trp mRNA that causes transcription to terminate prematurely if Trp is present.

46. Trranscriptional Control

47. Attenuation Control

48. 二 翻译水平的调控 • SD序列（Shine-Dalgarno sequence） • 原核细胞多顺反子mRNA上的一段序列，位于起始密码子上游 • SD序列与起始密码子的距离、蛋白质对SD序列的作用，影响翻译的起始 • mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用

49. mRNA的稳定性 • mRNA的降解速度是翻译调控的一个重要因素 • mRNA的稳定与其序列和结构（即一级结构与次级结构）有关

50. 翻译产物对自身翻译的影响 • 核糖体蛋白 50种蛋白质分布于不同操纵子各自编码一种可结合于mRNA多顺反子上游特定部位的蛋白质，阻止核蛋白体结合 • 翻译终止因子RF2调节自身的翻译 前25个密码子与后315个密码子间的UGAC在无RF2时框移