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第一节 概述 (Introduction)DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表达基因表达(gene expression)-基因转录及翻译的过程。基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA的合成属于基因表达的合成属于基因表达中心法则中心法则(the central dogma)：一、基因表达的时空特异性一、基因表达的时空特异性 (temporal and spatial specificity)n时间特异性时间特异性(temporal specificity) 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。n Hb (hemoglobin) n珠蛋白基因簇： （胚胎型） 、 n珠蛋白基因簇： （胚胎型）、 （胎儿型）、n22 22 22n空间特异性空间特异性(spatial specificity) 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现组织空间顺序出现n同形异位盒基因同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核高度保守的一段核苷酸序列（苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因控制胚胎发育的基因n同形异位现象同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来果蝇头部长触角部位长出脚来一、基因表达的时空特异性一、基因表达的时空特异性 (temporal and spatial specificity)二、基因表达的方式二、基因表达的方式 指在个体发育的任一阶段都能在大多数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，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。这类基因通常被且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为持家基因（称为持家基因（housekeeping gene）。）。 1、组成型表达（、组成型表达（constitutive gene expression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达n诱导诱导（induction）：）：是指在特定环境因素刺激下，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。因称为可诱导基因。 nDNA损伤损伤 修复酶基因激活修复酶基因激活n乳糖乳糖 利用乳糖的三种酶表达利用乳糖的三种酶表达n阻遏（阻遏（repression）：）：是指在特定环境因素刺激下，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。因称为可阻遏基因。 n色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系色氨酸合成酶系三、基因表达调控的环节三、基因表达调控的环节 多级调控多级调控 基因表达调控基因表达调控可见于从基因激活可见于从基因激活到蛋白质生物合成到蛋白质生物合成的各个阶段，因此的各个阶段，因此基因表达的调控可基因表达的调控可分为转录水平（基分为转录水平（基因激活及转录起因激活及转录起始），转录后水平始），转录后水平（加工及转运），（加工及转运），翻译水平及翻译后翻译水平及翻译后水平，但以转录水水平，但以转录水平的基因表达调控平的基因表达调控最重要。最重要。 n适应环境、维持生长和增殖n维持个体发育与分化四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义第二节第二节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 (Control of Prokaryotic Gene Exepression )一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)n操纵元操纵元(operon)：由调控区（启动子和操纵子）：由调控区（启动子和操纵子）与信息区（结构基因）组成与信息区（结构基因）组成二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控(control of translation)一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)1 1、启动子、启动子(promoter)(promoter)：指能被指能被RNARNA聚合酶识别、聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段结合并启动基因转录的一段DNADNA序列序列 A A、启动子决定转录方向及模板链、启动子决定转录方向及模板链B B、启动子决定转录效率、启动子决定转录效率启动子有三个功能区：启始部位（启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结区）、结合部位（合部位（-10区）、识别部位（区）、识别部位（-35区）区）( (一一) )、影响转录的因素、影响转录的因素2 2、因子因子：识别基因的启动子，控制转录时序：识别基因的启动子，控制转录时序70：识别大多数基因的启动子识别大多数基因的启动子32：识别热休克诱导基因的启动子，控制识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋热休克蛋白白(heat shock protein,Hsp)基因表达基因表达。( (一一) ) 、影响转录的因素、影响转录的因素一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)激活蛋白激活蛋白(activating protein)：与操纵子结合后能增与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白激活蛋白，所，所介导的调控方式称为介导的调控方式称为正性调控正性调控(positive regulation)，促进转录。促进转录。3 3、阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录、阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录阻遏蛋白阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵子结合后能减弱与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白阻遏蛋白,其介其介导的调控方式称为导的调控方式称为负性调控负性调控(negative regulation)，抑抑制转录；制转录；一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)( (一一) ) 、影响转录的因素、影响转录的因素 它是一段位于结构基因上游前导区具有它是一段位于结构基因上游前导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录产终止子结构的短序列，通过前导序列转录产生的生的mRNAmRNA形成类似于终止子的二级结构，达形成类似于终止子的二级结构，达到终止转录的目的。到终止转录的目的。一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription)4)、弱化子（、弱化子（attenuator）( (一一) ) 、影响转录的因素、影响转录的因素n乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制n色氨酸操纵元的调控机制色氨酸操纵元的调控机制（二）、转录的调控机制（二）、转录的调控机制一、转录水平的调控一、转录水平的调控(control of transcription) 莫洛莫洛(Monod)(Monod)和雅各布和雅各布(Jacob)(Jacob) 获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制一、操纵子模型的提出一、操纵子模型的提出n1940年，年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生会出现停顿。即产生“二次生长曲线二次生长曲线”。n文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶（诱导酶）。（诱导酶）。n1947年，报告：年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化酶的适应现象及其在细胞分化中的意义中的意义”。乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制一、操纵子模型的提出一、操纵子模型的提出n1951年，年，Monod与与Jacob合作。合作。n发现两对基因：发现两对基因：nZ基因：与合成基因：与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；nI基因：决定细胞对诱导物的反应。基因：决定细胞对诱导物的反应。nSzilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。n Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制一、操纵子模型的提出一、操纵子模型的提出二、操纵元的结构与功能二、操纵元的结构与功能操纵元操纵元(operon): (operon): 结构基因结构基因(structural gene)(structural gene)、启、启动子动子(promoter,(promoter,P P) )和操纵子和操纵子(operator,(operator,O O) )。n阻遏物基因阻遏物基因(inhibitor,(inhibitor,I I),),产生阻遏物产生阻遏物(repressor)(repressor)。乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制1、阻遏蛋白的、阻遏蛋白的负负调节调节(negative control of repressor)n无乳糖无乳糖(no lactose):(no lactose): laclac操纵元处于阻遏操纵元处于阻遏状态状态(repression)(repression)n有乳糖有乳糖(presence of lactose) (presence of lactose) ：laclac操纵元操纵元即可被诱导即可被诱导(derepression,induction)(derepression,induction)n 诱导剂诱导剂(inducer):(inducer): 别乳糖、半乳糖、别乳糖、半乳糖、IPTGIPTG（异丙基硫代半乳糖苷）（异丙基硫代半乳糖苷）乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制三、乳糖操纵元调控方式三、乳糖操纵元调控方式阻遏蛋白的阻遏蛋白的负负调节调节(negative control of repressor)mRNA-半乳糖苷乙酰转移酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷酶翻译转录无活性的阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白阻遏物蛋白亚基有诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因CAPcAMPCAP-cAMPRNA聚合酶阻遏蛋白 阻遏物蛋白亚基无诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因2、CAPCAP的的正正调节（调节（Positive Control of CAPPositive Control of CAP）nCAP(catabolite activator protein)CAP(catabolite activator protein)分分解代谢基因激活蛋白解代谢基因激活蛋白n同二聚体同二聚体nDNADNA结合区结合区 ncAMP(cyclic AMP)cAMP(cyclic AMP)结合位点结合位点乳糖操纵元调控的机制乳糖操纵元调控的机制三、乳糖操纵元调控方式三、乳糖操纵元调控方式CAPPOTTTACA -35区TATGTT -10区CAP位点5-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3R基因CAP的的正性正性调节（调节（Positive Control of CAP）-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)n负调节与正调节协调合作负调节与正调节协调合作n阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP不发挥作用不发挥作用n如没有如没有CAPCAP加强转录，即使阻遏蛋白