1、第八章基因的表达与调控本章主要内容本章主要内容 基因概念的发展基因概念的发展 基因表达调控的基本概念与原理基因表达调控的基本概念与原理 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控基因是一个特定的基因是一个特定的DNA或或RNA片片段，但并非一段段，但并非一段DNA或或RNA都是基都是基因。因。从遗传学史的角度看，基因概念的发展从遗传学史的角度看，基因概念的发展大致分以下几个发展阶段：大致分以下几个发展阶段：孟德尔的遗传因孟德尔的遗传因子阶段子阶段；摩尔根的基因阶段摩尔根的基因阶段；顺反子阶段顺反子阶段和和现代基因阶段。现代基因阶段。1、孟德尔的遗传因子阶
2、段：、孟德尔的遗传因子阶段：生物的某种性状是由生物的某种性状是由“遗传因子遗传因子”负责负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体细胞遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。内成双存在，在生殖细胞内成单存在。孟德尔所说的孟德尔所说的“遗传因子遗传因子”是代表决定是代表决定某个性状遗传的抽象符号。某个性状遗传的抽象符号。孟德尔在阐明遗传因子在世代传递规律孟德尔在阐明遗传因子在世代传递规律是，就已经认识到基因的两个基本属性：是，就已经认识到基因的两个基本属性：基因是世代相传的；基因是世代相传的；
3、基因决定遗传性的表达。基因决定遗传性的表达。基因是生物体传递遗传信息和表达遗传基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的信息的基本物质单位基本物质单位，这就是孟德尔的，这就是孟德尔的基因观。基因观。1909年，丹麦遗传学家约翰逊（年，丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen）创造了）创造了“基因（基因（gene）”这一术语。这一术语。2、摩尔根的基因阶段：、摩尔根的基因阶段：1926年，摩尔根（年，摩尔根（T.H.Morgan）的）的巨著巨著基因论基因论出版。出版。将代表性状的将代表性状的特定基因特定基因与某一条与某一条特特定染色体定染色体上的上的特定位置特定位置联系起来。基因不联系起来。基因不
4、再是抽象的符号，而是在染色体上占有一再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，赋予基因以物质的内涵。定空间的实体，赋予基因以物质的内涵。首次完成了当时最新的基因概念的首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，随着染色体同源节段的互换而交换，它它不仅是决定性状的功能单位，而且是一不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。具体和
5、丰富了。基因到底是何物基因到底是何物?其物质结构其物质结构和化学组成怎样和化学组成怎样?它是怎样决定遗它是怎样决定遗传性状的传性状的?经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。单位，又是功能单位。1941年比德尔（年比德尔（G.W.Beadle 1903）和塔特姆（）和塔特姆（E.L.Tatum 19091975）提出）提出一个基因一个酶学说一个基因一个酶学说；1949年鲍林（年鲍林（L.C.Pauling1901）与合作者在研究镰）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链
6、的氨基酸顺序基因决定着多肽链的氨基酸顺序；1944年艾弗里（年艾弗里（O.T.Avery 18771955）、麦卡蒂）、麦卡蒂（M.McCarty 1911）等人发表了关于）等人发表了关于“转化因子转化因子”的重的重要论文，首次用实验明确证实：要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体；1952年赫尔希（年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（）和蔡斯（M.M.Chase 1927）进一步）进一步证明遗传物质是证明遗传物质是DNA而不是蛋白质而不是蛋白质；1953年美国分子生物学家沃森（年美国分子生物学家沃森（J.D.Watson）和英国分）和英国分子生物学家克里克（
7、子生物学家克里克（F.H.C.Crick）提出了著名的）提出了著名的DNA双螺双螺旋结构模型旋结构模型，进一步说明基因成分就是，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白，它控制着蛋白质合成。质合成。基因本质的确定为分子遗传学发展拉开了序幕。3 3、顺反子阶段、顺反子阶段 ：1957 1957年，本泽尔年，本泽尔（Seymour BenzerSeymour Benzer）以以T T4 4噬菌噬菌体为材料，在体为材料，在DNADNA分子水平上研究基因内部的分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了精细结构，提出了顺反子顺反子（cistroncistron）概念。概念。顺反子是顺反子是1 1个遗传功
8、能单位个遗传功能单位，1 1个顺反子决定个顺反子决定1 1条多肽链。条多肽链。1 1个顺反子可以个顺反子可以包含一系列突变单位包含一系列突变单位突变突变子。突变子是子。突变子是DNADNA中中1 1个或若干个核苷酸构成。个或若干个核苷酸构成。重组子代表重组子代表1 1个空间单位个空间单位，有起点和终点，可，有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。互换。总之：顺反子学说打破了总之：顺反子学说打破了“三位一体三位一体”的基因的基因概念，把基因具体化为概念，把基因具体化为DNADNA分子上特定的一段顺分子上特定的一段顺序序-顺反子
9、，其内部又是可分的，包含多个顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。突变子和重组子。近代基因的概念：近代基因的概念：基因是一段有功能的基因是一段有功能的DNADNA序列，是序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。子和突变子。突变子：指改变后可以产生突变型表型的最突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。小单位。重组子：不能由重组分开的基本单位。重组子：不能由重组分开的基本单位。4 4、现代基因阶段、现代基因阶段 ：1961 1961年法国雅各布年法国雅各布（F.JacobF.Jacob）和莫诺和莫诺（J.L.J.L.Mo
10、nodMonod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。操纵子学说。从此从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因因和操纵基因。1）操纵子：）操纵子：2）现代分子遗传学关于基因的概念）现代分子遗传学关于基因的概念基因是基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核分子上带有遗传信息的
11、特定核苷酸序列区段；苷酸序列区段；基因由重组子、突变子序列构成；基因由重组子、突变子序列构成；重组子重组子是是DNA重组的最小可交换单位重组的最小可交换单位突变子突变子是基因突变的最小单位是基因突变的最小单位重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)基因决定某一性状表现。基因决定某一性状表现。可以包含多个功能单位可以包含多个功能单位(顺反子顺反子)（1）现代基因概念）现代基因概念(2)基因的功能类型基因的功能类型根据基因的原初功能可以将基因分为：根据基因的原初功能可以将基因分为：编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因
12、如结构蛋白、酶等如结构蛋白、酶等结构基因结构基因和产生调节蛋白的和产生调节蛋白的调节基因调节基因 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录产物转录产物RNA不翻译，如编码不翻译，如编码tRNA、rRNA 不转录的不转录的DNA区段区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位结合的部位结构基因结构基因(structural gene)(structural gene)：指可编码指可编码RNARNA或蛋白
13、质的一段或蛋白质的一段DNADNA序列。序列。(3)基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式 指其表达产物参与调控其它基因表达指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。的基因。调控基因调控基因(regulator gene)(regulator gene)：lac 调控基因 指在同一段指在同一段DNADNA顺序上，由于阅读框架不同顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。象。因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部。个基因完全存在于另一个基因内部。重叠基因重叠基因(over
14、lapping gene)(overlapping gene)：指在染色体组上存在指在染色体组上存在多份拷贝多份拷贝的基因，往的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。往是生命活动中最基本、最重要的基因。最典型的重复基因是最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋和组蛋白基因等。白基因等。重复基因：重复基因：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。即内含子所隔裂。内含子内含子(intron)(intron)：DNADNA序列中不出现在成熟序列中不出现在成熟mRNAmRNA的片的片段；段；外显子外显子(extron)(extron)：DNA
15、DNA序列中出现在成熟序列中出现在成熟mRNAmRNA中的片中的片段。段。隔裂基因隔裂基因(split gene)(split gene)：卵清蛋白基因即转座因子，指染色体组上可以转移的基即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。因。实质：实质：能够转移位置的能够转移位置的DNADNA片断。片断。功能：功能：在同一染色体内或不同染色体之间在同一染色体内或不同染色体之间移动，引起插入突变、移动，引起插入突变、DNADNA结构变异（如重复、结构变异（如重复、缺失、畸变），缺失、畸变），通过表现型变异得到通过表现型变异得到鉴别。鉴别。跳跃基因跳跃基因(jumping gene)(jumping gen
16、e)：同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。家族中就存在假基因现象。假基因假基因(pseudogene):(pseudogene):血红蛋白分子的四条多肽链基因与基因与DNA一个基因大约有一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的基因是一个含有
17、特定遗传信息的DNA分子区段分子区段。如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录产物产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段DNA的的核苷酸序列核苷酸序列和和相应产物的序列相应产物的序列。二、基因的微细结构：二、基因的微细结构：（一）互补测验（一）互补测验互补测验（顺反测验）：互补测验（顺反测验）：根据功能确定等根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式位基因的测验。即根据
18、顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。基因（顺反子）。对于两个独立起源的、表型相似的对于两个独立起源的、表型相似的隐性隐性突变，如何判定是属于突变，如何判定是属于同一基因同一基因(功能功能单位单位)还是还是两个基因突变两个基因突变产生的呢？产生的呢？根据两突变根据两突变反式双杂合体反式双杂合体的表现，就可的表现，就可以解决上述问题。以解决上述问题。双突变杂合体有两种形式：顺式双突变杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式和反式(trans)。顺式排列顺式排列为对照（为对照（是两个突变座位位于同一条是两个突变座位位于同一条染色体上染
19、色体上），其表现型永远是野生型。），其表现型永远是野生型。实质上是进行实质上是进行反式测验反式测验（反式排列：是两个突反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上变座位位于不同的染色体上）。）。1、顺反测验与顺反子、顺反测验与顺反子 根据两突变反式双杂合体的表现：根据两突变反式双杂合体的表现：突变型突变型无互补作用无互补作用为同一功能单位的突变为同一功能单位的突变野生型野生型有互补作用有互补作用为不同功能单位的突变为不同功能单位的突变 互补测验互补测验，也称，也称顺反测验顺反测验(cis-trans test)。Benzer将将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反测验所确定的最小遗传功能单位
20、称为顺反子顺反子(cistron)顺反子内发生的突变间不能互补顺反子内发生的突变间不能互补 表型表型 有无功能互补有无功能互补 结论结论 A A+B B反式反式:A B A B+A A+B B反式反式:A B A B+突变型突变型 属同一顺反子属同一顺反子 野生型野生型 属不同顺反子属不同顺反子 互补试验的原理互补试验的原理:Seymour Benzer(1955)用用E.Coli烈烈性噬菌体性噬菌体T4突变型遗传研究发现：突变型遗传研究发现：T4野生型野生型在在E.Coli菌苔上产生菌苔上产生小而不小而不规则规则噬菌斑；噬菌斑；T4突变品系突变品系按表型可分为：按表型可分为：rI、rII、r
21、III三类。其中三类。其中rII在在E.Coli B上产生快速溶上产生快速溶菌现象，形成菌现象，形成大而圆大而圆噬菌斑，在噬菌斑，在E.Coli K()上不能生长。上不能生长。2、rII顺反测验顺反测验rII区段突变的性质：区段突变的性质：rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因区段为一个基因(功能单位功能单位)。Benzer通过顺反测验表明：通过顺反测验表明：3000多个多个rII突变型可以分为突变型可以分为A、B两组，两组，组间突变型间能够互补，而组内的突变型间组间突变型间能够互补，而组内的突变型间不能互补。不能互补。与与rII区段
22、连锁图对照发现：两组突变分区段连锁图对照发现：两组突变分别位于别位于rII区段的两端：区段的两端：|A|B|r47与与r106 r106与与r51两个突变位点若可以互补，即顺式和两个突变位点若可以互补，即顺式和反式排列都有功能，那么这两个突变反式排列都有功能，那么这两个突变位点位点不在不在同一个顺反子内；同一个顺反子内；若两个突变位点不能互补，即顺式有若两个突变位点不能互补，即顺式有功能，反式没有功能，说明这两个突功能，反式没有功能，说明这两个突变位点变位点在在同一个顺反子内。同一个顺反子内。rIIrII的两个顺反子的两个顺反子经典遗传学意义上的一个基经典遗传学意义上的一个基因因(rII区段区
23、段)实际上有实际上有两个顺两个顺反子反子(功能单位功能单位)；基因也很可能不是遗传的最基因也很可能不是遗传的最小功能单位；小功能单位；有些基因具有一个顺反子，有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子；有些基因具有多个顺反子；在多顺反子情况下，基因是在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体几个功能单位的复合体Benzer提出提出“一个顺反子一一个顺反子一条多肽链条多肽链”。(二二)基因的微细结构基因的微细结构:试验方法：试验方法：最初得到最初得到8个不同的个不同的r突变型品系，突变型品系，8个突变个突变基因均定位于基因均定位于T4DNA的一个区段内的一个区段内(rII区段区段)将将8种
24、突变型两两组合混和感染种突变型两两组合混和感染E.Coli B菌株菌株(双重感染双重感染,double infection)从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染E.coli K()试验结果：试验结果：在菌苔上获得了许多小而粗糙的在菌苔上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑野生型噬菌斑Benzer的重组实验的重组实验:重组值计算：重组值计算：rxry的数量与的数量与r+r+相同，计算相同，计算时时r+r+噬菌体数噬菌体数2。此种测定方法称为重组测验此种测定方法称为重组测验（recombination test)，它以遗传图的，它以遗传图的方式方式确定突变子之间确定突变子之
25、间关系，它的精确度可关系，它的精确度可达达十万分之一，十万分之一，即即0.001，也就是，也就是0.001个图距单位。个图距单位。故称为故称为基因的精细作图基因的精细作图。结论：结论：这些基因是这些基因是rII区段区段(一个基因一个基因)突变形成的突变形成的复复等位基因；等位基因；野生型产生于野生型产生于基因内重组基因内重组，基因是由，基因是由更小的更小的重组单位重组单位构成，从而推翻了经典遗传学基因构成，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。不可分性的性质。根据根据Benzer的分析，在的分析，在r区的区的A、B两两个顺反子中约有个顺反子中约有400个左右的个左右的突变位点突变位点，每，每
26、个突变位点都可以作为一个个突变位点都可以作为一个重组单位重组单位。顺反子概念的具体化：顺反子概念的具体化：顺反子顺反子为为DNA分子的一段序列，它负责分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位功能单位。但它又是可分的，一个顺反子可以包含但它又是可分的，一个顺反子可以包含一些列突变单位一些列突变单位-突变子突变子，突变子是构成基，突变子是构成基因的因的DNA中的一个或若干个核苷酸；顺反子中的一个或若干个核苷酸；顺反子中的核苷酸也可以独自发生重组中的核苷酸也可以独自发生重组-重组子重组子。生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞生物的遗
27、传信息是以基因的形式储藏在细胞内的内的DNA(或或RNA)分子中的。随着个体的发育，分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。命的全过程。从从DNA到蛋白质的过程，叫做到蛋白质的过程，叫做基因表达基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为，对这个过程的调节就称为基因表达基因表达调控调控(gene regulation或或gene control)。第二节第二节 基因表达调控的概念及原理基因表达调控的概念及原理
28、基因表达调控基因表达调控是现阶段分子生物学是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解研究的中心课题。要了解动、植物生动、植物生长发育的规律长发育的规律、形态结构特征和生物形态结构特征和生物学功能学功能，就必须弄清楚基因表达调控，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。的时间和空间概念。基因组基因组(genome)是指含有一个生物体生是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。息的整套核酸。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约达出来的，大肠杆菌基因组含有约4
29、000个基因，个基因，一般情况下只有一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。一、基因表达调控是生命的必需一、基因表达调控是生命的必需二、基因表达的时间性及空间性二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达
30、的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificit
31、y)。从上所述，不难看出：生物的基因从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着表达不是杂乱无章的，而是受着严密、严密、精确调控精确调控的，不仅生命的遗传信息是生的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。调控也是生命本质所在。组成性表达组成性表达(constitutive expression)(constitutive expression)适应性表达适应性表达(adaptive expression(adaptive expression）三、基因表达的方式三、基因表达的方式 1 1、组成性表达：组成性
32、表达：指较少受环境变动而变化的一类基因指较少受环境变动而变化的一类基因表达。表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为中持续表达，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。2、适应性表达适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为为诱导诱导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基可诱导的基因因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水
33、平降低相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为的现象称为阻遏阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。在一定机制控制下，功能上相关的在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为需协调一致、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)，这种调节称为，这种调节称为协调调节协调调节(coordinate regulation)。改变基因表达的情况以适应环境，在改变基因表达的情况以适应环境，在原原核生
34、物核生物、单细胞生物单细胞生物中尤其显得突出和重中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。变化。基因表达调控是生物适应环境生存的必基因表达调控是生物适应环境生存的必需。需。原核生物原核生物中，中，营养状况营养状况（nutritional status）和）和环境因素环境因素（environmental factor）对基因表达起着举足轻重的影响。）对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物真核生物尤其是高等真核生物中，尤其是高等真核生物中，激素水激素水平平（hormone level）和）和发育阶段发育阶段（developmental stag
35、e）是基因表达调控）是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。为下降。因为因为细菌细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupled transcription and translation）。）。真核生物真核生物中，转中，转录产物录产物（primary transcript）只有）只有从核内运转到核从核内运转到核外，才能被核糖外，才能被核糖体翻译成蛋白质。体翻
36、译成蛋白质。四、基因转录激活调节的基本要素：四、基因转录激活调节的基本要素：在转录水平上对基因表达的调控决在转录水平上对基因表达的调控决定于定于DNA的结构的结构、RNA聚合酶的功能聚合酶的功能、蛋白因子蛋白因子及其他及其他小分子配基小分子配基的相互作用的相互作用。（1 1）原核生物的特异）原核生物的特异DNADNA序列序列 原核生物的基因表达与调控是通过原核生物的基因表达与调控是通过操纵子操纵子机机制实现的。制实现的。操纵子：操纵子：是由功能上相关联的多个是由功能上相关联的多个编码序列编码序列（2 2个以上）及其上游的个以上）及其上游的调控序列调控序列（包括操纵序列、（包括操纵序列、启动序列
37、和调节序列）等成簇串联在一起，构成启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。的一个转录协调单位。1 1、DNADNA的结构的结构 操纵子操纵子调节序列调节序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列编码序列 表达表达 转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位编码序列：编码序列：规定蛋白质结构，又称结构基因；规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子多顺反子mRNAmRNA：由多个结构基因串联在一起，受同一个由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个启动序列调控，转录生成一个mRNA,mRNA,翻译
38、生成多个蛋白翻译生成多个蛋白质质,称此为多顺反子称此为多顺反子mRNAmRNA。多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白 1)启动序列（启动子）：是启动序列（启动子）：是RNA聚合酶结合聚合酶结合并启动转录的特异并启动转录的特异DNA序列。序列。RNA RNA聚合酶识别部位聚合酶识别部位 RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位 决定转录起始点决定转录起始点在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将将mRNA开始的一个核苷酸定为开始的一个核苷酸定为o点点(即即+1)。由此向右常称为下游由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸，其核苷酸
39、依次编为正序号；依次编为正序号；起始点左例称为上游起始点左例称为上游(upstream)。其核苷酸则。其核苷酸则依次以负号表示。紧接起始点左侧的核苷酸为依次以负号表示。紧接起始点左侧的核苷酸为-1。-35序列序列 -10序列序列TGTTGACA11-15bpTATAAT转录起转录起始位点始位点普普 遍遍 模模 式式5-8bp细菌启动子有细菌启动子有4（可能有（可能有5个）个保守的序列特征：个）个保守的序列特征：起始转录点：起始点通常（大于起始转录点：起始点通常（大于90%）是嘌啉碱）是嘌啉碱基。基。-10区：在起始点上游，几乎都存在一个区：在起始点上游，几乎都存在一个6bp区域。区域。六联体（
40、六联体（hexamer）的中心通常靠近起始点上游）的中心通常靠近起始点上游10bp。它的共有序列为。它的共有序列为TATAAT，可被总结为如下，可被总结为如下形式：形式：T80A95T45A60A50T96 下标表示碱基出现最大频率的百分数下标表示碱基出现最大频率的百分数。-35区：此六联体是以起始点上游区：此六联体是以起始点上游35bp为中心。为中心。其共有序列为其共有序列为TTGACA，详细形式为：，详细形式为：T82T84G78A65C54A45-10区和区和-35区之间的间隔：区之间的间隔：90%的启动子中，的启动子中，-10区和区和-35区之间的间隔在区之间的间隔在16-18bp之间
41、。尽管间隔之间。尽管间隔区的真实序列并不重要，但其距离大小对帮助即核区的真实序列并不重要，但其距离大小对帮助即核对成的对成的RNA聚合酶结合到一定间隔的两个聚合酶结合到一定间隔的两个DNA位位点很重要。点很重要。在较远的上游，一些启动子有一段富含在较远的上游，一些启动子有一段富含AT的序的序列，称作列，称作UP元件元件（UP element）。）。它和它和RNA聚合酶的亚基相互作用。典型的例聚合酶的亚基相互作用。典型的例子出现在一些高表达基因的启动子。子出现在一些高表达基因的启动子。2)操纵序列操纵序列（operator）：）：是是阻遏蛋白阻遏蛋白的结合位点。的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋
42、白时，会阻碍当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚聚 合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。向前移动，阻碍转录。RNA pol阻遏蛋白编码序列编码序列3)其他调节序列：其他调节序列：有的特异有的特异DNA序列可结合激活蛋白，序列可结合激活蛋白，增强增强RNA聚合酶活性，使转录激活。聚合酶活性，使转录激活。（2 2）真核生物的特异）真核生物的特异DNADNA序列序列 真核生物基因组中含有可以真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达调控自身基因表达活性的特异活性的特异DNADNA序列序列，称为，称为顺式作用元件顺式作用元件。
43、顺式作用元件顺式作用元件能够被能够被转录调节蛋白转录调节蛋白特异识别和特异识别和结合，从而影响基因表达活性。结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子 顺式作用元件顺式作用元件又分为又分为 增强子增强子 沉默子沉默子 顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列一些共有序列，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，这盒等，这些共有序列是顺式作用元件的核心序列，也是些共有序列是顺式作用元件的核
44、心序列，也是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。2、调节蛋白、调节蛋白（1 1）原核生物的调节蛋白（）原核生物的调节蛋白（3 3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNARNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(RNARNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 与启动子上游与启动子上游DNADNA序列结合，促进序列结合，促进RNARNA聚合酶与启动序列聚合酶与启动序列 结合，促
45、进基因转录。（结合，促进基因转录。（CAPCAP分解代谢激活蛋白分解代谢激活蛋白）某些真核转录因子可特异识别、结合某些真核转录因子可特异识别、结合自身基因自身基因的调节序列的调节序列,调节调节自身基因自身基因的表的表达，称达，称顺式作用顺式作用（ciscis-actingacting）。）。顺顺-反式作用元件与顺反式作用元件与顺-反式作用反式作用 DNA-DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用指反式作用因子与指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被调节蛋白识别的是非共价结合，被调节蛋白识别的DNADNA结合结合位点通常呈对称、或
46、不完全对称结构。位点通常呈对称、或不完全对称结构。3、DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用 绝大多数调节蛋白在结合绝大多数调节蛋白在结合DNA前，需要通过前，需要通过蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。形成二聚体或多聚体。还有一些调节蛋白不能直接结合还有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是，而是通过蛋白质一蛋白质相互作用间接结合通过蛋白质一蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录。调节基因转录。也有的是在结合也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋白前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程。质之间的解聚过程。（1 1）启动子与启动子与RNAR
47、NA聚合酶活性聚合酶活性 启动序列启动序列/启动子是由转录起始点、启动子是由转录起始点、RNARNA聚合聚合 酶结合位点及控制转录的调节组件组成。酶结合位点及控制转录的调节组件组成。启动子核苷酸序列影响与启动子核苷酸序列影响与RNARNA聚合酶的亲和聚合酶的亲和力，亲和力大小直接影响转录起始频率。力，亲和力大小直接影响转录起始频率。所以启所以启动子有强弱之分。动子有强弱之分。另外，由于真核启动子与另外，由于真核启动子与RNA-pol的结合需的结合需要转录因子的参与，所以真核的要转录因子的参与，所以真核的RNA-pol活性除活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关与启动子序列有关，和转录
48、因子的存在与否有关4、RNA聚合酶聚合酶（2）调节蛋白与调节蛋白与RNA聚合酶的活性聚合酶的活性 启动序列决定基础转录频率，一些特异启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，然后通过剂等）刺激下在细胞内表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响蛋白质相互作用影响RNA聚聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，从而合酶活性，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。引起表达的变化。五、基因表达的多级调控五、基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录水平转录水平 转录起始
49、转录起始 转录后加工转录后加工 转录后水平转录后水平 转录产物的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 第三节第三节 原核基因表达调控原核基因表达调控 Regulation of Prokaryotic Gene Expression1、DNA水平的调节水平的调节2、转录水平上的调控转录水平上的调控（transcriptional regulation）：是最主要的调控方式。）：是最主要的调控方式。3、转录后水平上的调控转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）一、原核基因调控机制的类型与特点：一、原核基因调控机制
50、的类型与特点：（一）原核生物的基因调控主要发生在（一）原核生物的基因调控主要发生在转录水平转录水平上上，根据调控机制的不同可分为：，根据调控机制的不同可分为：在在负转录调控系统负转录调控系统中，调节基因的产中，调节基因的产物是物是阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor），其与），其与DNA上特异位点相结合，起着阻止结构上特异位点相结合，起着阻止结构基因转录的作用。基因转录的作用。在在正转录调控系统正转录调控系统中，调节基因的产中，调节基因的产物是物是激活蛋白激活蛋白（activator），其不是阻），其不是阻止起始，而是帮助起始。止起始，而是帮助起始。无论是正调控还是负调控都是通过无论是正调控还
