第八章原核生物基因表达与调控
一、教学目的和要求：
掌握原核生物基因表达及调控机制
二、教学重点：
１、乳糖操纵子调控机制
2、半乳糖操纵子调控机制
3、色氨酸衰减子调控机制
三、教学难点：
1、半乳糖操纵子调控机制
2、色氨酸衰减子调控机制
四、教学方法：
面授并辅以多媒体教学
五、教学内容
生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。
基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞）
基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质。
第一节原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA：
单个裸露的DNA
不编码占5%
转录和翻译同一时间，地点进行
转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控
?根据基因表达产物可划分：
组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境影响——组成型表达。
/适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。?一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态?
?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。
?基因调控主要在三个水平上进行:
?①. DNA水平
?②. 转录水平
?③. 翻译水平
?一、转录的起始
转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。
通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。
?（一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：大肠杆的的RNA聚合酶：由5个亚基组成，即α2ββ’σ，有时还有2个ω亚基。以α2ββ’σ组成的酶称全酶。σ亚基与其他亚基
结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分α2ββ’称为核心酶(core enzyme)。
?在大肠杆菌中还发现一种新的σ因子，称为σ’因子，因此将含有σ亚基的全酶称为全酶I，含有σ’亚基的称为全酶Ⅱ。二者的不同在于：全酶Ⅱ可以利用双链DNA为模板合成po1y 〔A〕。
?σ亚基作用：参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条DNA 链被转录、转录方向与转录起点的选择都与σ亚基有关。
?离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段DNA 的两条链都被转录。
?由此可见：σ亚基对识别DNA链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。σ因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的σ因子(P227表9—1)
?核心酶的β亚基作用：对RNA聚合酶的功能至关重要，参与RNA合成、终止信号的识别。由于β亚基与RNA的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。
?β’亚基作用：可使聚合酶结合到模板DNA上。
?α亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式存在，参与全酶同启动子的牢固结合。
RNA聚合酶体积很大，横跨近60个碱基，而解旋的DNA区域可能不到17个碱基。当聚合酶按5′→3′方向延伸RNA链时，解旋的DNA区域也随之移动。靠近3′端的DNA不断解旋。同时在5′端重新形成DNA双链，不断将RNA-DNA杂合链中的RNA链挤出。
?（二）启动子(promoter)：
?转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在基因3’端上游的DNA序列，其长度从100 bp到200 bp不等，是转录起始时RNA聚合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。
?在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即
+1)．由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)．其核苷酸则依次以负号表示．紧接起始点左侧的核昔酸为-1。
原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是CAP-cAMP 结合位点，下游部分是RNA聚合酶的进入位点。
?二、转录的终止
?（一）终止子及其结构：
?1、概念：DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子(terminator)，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。
?2、类型：强终止子和弱终止子
?强终止子：不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终止子；
?弱终止子：依赖于Rho蛋白糖助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为ρ因子。
?所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含GC对，在回文序列的下游常有6—8个AU对，因此这段终止子转录后形成的RNA 具有与A相对应的寡聚U，是使RNA聚合酶脱离模板的信号。
依赖子ρ因子的终止子其回文序列中GC对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其AU 对含量也较低，因而是弱终止子，必需有ρ因子存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于ρ因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有ρ因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有ρ因子存在．RNA聚合酶会继续转录下去，这就称为通读(read through)，当ρ因子存在时，转录才能终止。?在强终止子中，由于其DNA模板上富含GC而使转录出的RNA上富含C 和G，于是RNA与模板之间可以形成较强的氢键，成为DNA—RNA杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进而有利于终止。
?（二）ρ因子辅助终止作用的机理
?(三)基因表达的极性现象
?在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随即进行翻译，这时整个mRNA 都覆盖着核糖体，ρ因子无法接近mRNA．而RNA聚合酶早已越过前面的基因的依赖ρ因子的终止子，所以转录实际上并不停止．而是继续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻译停止，核糖体不再进入到mRNA上无义密码子以后的位置上。于是ρ就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停留在终止子上的RNA聚合酶。结果使RNA聚合酶释放，不能再转录下游基因。
?概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应．就称为基因表达的极性现象。
?除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列IS1、IS2等DNA片段插入到操纵子的基因中也会发生极性现象。
?ρ因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为其突变很可能减弱了ρ对无义密码子后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停顿，且远离无义突变的DNA区段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译
?(四)抗终止作用
?ρ因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，RNA聚合酶便可通过终止子(依赖于ρ因子的)继续转录后面的基因。这种现象称为抗终止作用(anti一termination)。
?抗终止作用最有代表性的例子见于λ噬菌体的时序控制。λ噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期和晚期3个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止子相隔。λ噬菌体侵入敏感细胞，首先借助宿主的RNA聚合酶转录前早期基因，由此获得的表达产物N蛋白是一种抗终止因子，它与RNA聚合酶作用使后者越过左右两个终止子继续转录，实现晚早期基因表达。
?三、原核生物RNA的加工
?四、SD序列与翻译效率
?核糖体结合保护降解法：测定mRNA 上核糖体起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的条件下，当翻译起始时，核糖体与mRNA的结合位点已形成稳定的复合体，于是加入核酸酶使未与核糖体结合的mRNA的区段降解，而有核糖体结合区域则受到保护。
?在细菌中受核糖体保护的起始序列约35～40个碱基长，其中包含起始密码子AUG。在起始密码子上游约4～7个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的5′…AGGAGG…3′短小序列，
它可以与16S rRNA3′端的3′…UCCUCC…5′区段完全互补。mRNA上的这段序列称为Shine Dalgarno 序列（简称SD序列）。
SD序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的mRNA有不同的SD序列，它们与16S rRNA的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。第二节大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控?一、操纵子与操纵子模型
?操纵子学说/操纵子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生理学奖)
?操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P）组成。
转录、翻译、合成蛋白结合调节蛋白结合RNA聚合酶
?二、正调控与负调控
?调节基因RNA 调节蛋白
正调节蛋白+操作子结构基因转录、表达
基因失活，结构基因不表达（正控制/正调节）
负调节蛋白+
基因失活，结构基因组成型表达/负调节）
根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：
隐性的组成型表达——负控制系统
结构基因处于不可诱导状态——正控制系统
根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：
开启调控系统中结构基因的转录活性——诱导
关闭调控系统中结构基因的转录活性——阻遏
操纵子调控系统的基本类型：
可诱导负控制系统
可诱导正控制系统
可阻遏负控制系统
可阻遏正控制系统正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；
原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；
降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。
?如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:
?①. β-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖
?②. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖
?③. 转乙酰酶：β-半乳糖转变成乙酰半乳糖
?大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加.
?乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.
?三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导)
?乳糖操纵子的组成：1个启动子(promoter)、2个操作子(operator)、3个结构基因
?诱导因子：（异乳糖、?-半乳糖苷、异丙基硫代半乳糖苷IPDG）
?乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突变位点位于调节基因和操作子上。
?A：乳糖操纵子组成部分；
?B：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
无乳糖时，基因不表达；
C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
有乳糖时，基因表达；
D. 调节基因突变(I-O+Z+Y+A+),
无乳糖时，基因组成型表达；
E. 操纵基因突变型(I＋O c Z+Y+A+),
无乳糖时，基因组成型表达。?顺式显性（cis-dominant)：显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象，称为~。如O。P240表9-2
?四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控
?葡萄糖效应—培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。
?葡萄糖抑制操纵子的原理：
葡萄糖腺苷酸环化酶活性降低ATP无法转变成cAMP 不能形成CAP-cAMP 复合蛋白RNA酶无法结合在DNA上结构基因不表达。
●无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP -CAP复合物
结合CAP
●乳糖操纵子：两个开关
第一：cAMP -CAP复合物——受葡萄糖影响第二：异乳糖复合物——受乳糖影响
第三节其他类型的操纵子?一、具有双启动子的半乳糖操纵子
?半乳糖（gal)操纵子组成：2个互相重叠的启动子gal P1 和gal P2 、3个操作子（CAP 位点、2个阻遏蛋白位点(galOe）galOi）、3个结构基因.）
?gal P1 依赖cAMP-CAP 转录始于S1
gal P2 阻遏蛋白调节开启转录始于S2
位于galE内位于CAP位点内
?正控制可诱导系统（第一系统）：
gal P1、cAMP-CAP复合物、cAMP-CAP位点S1
ATP cAMP cAMP -CAP复合物
结合CAP CAP位点
激活gal 操纵子，转录从S1开始，结构基因表达?有葡萄糖
负控制可诱导系统（第二系统）：
galP2、阻遏蛋白-半乳糖复合物、galOe、galOi S2
无半乳糖：阻遏蛋白结合操作子——阻遏
有半乳糖：复合物构象改变——开启（从S2开始转录）
有G，有gal：1.阻遏 2.诱导
无G，无gal：1.诱导 2.阻遏：cAMP- CAP与阻遏蛋白竞争
无G，有gal：1.诱导 2.诱导：高水平表达
有G，无gal：1.阻遏 2.阻遏
?二、阿拉伯糖操纵子的双向控制
Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。
特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。
组成：Ｒ：araC基因编码调节蛋白AraC蛋白；
Ｏ：O1不参与调控；O2 ：AraC蛋白负调控结合位点；
Ｉ：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。?调控：①. 诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：
Ara与AraC蛋白复合物结合在Ｉ位点，CAP-cAmp复合物结合I位点，基因转录开启；
②. 在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时：
AraC蛋白同时与I和O2结合，DNA构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。
?三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用
1．色氨酸操纵子模型：
由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。
操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；
大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；
色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转转录；
色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。
∴trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型(repressible operon)。
色氨酸操纵子模型结构：
5种结构基因：trpE、D、C、B、A；
调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；
阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；?2.色氨酸操纵子的负调控：
⑴. 阻遏调控：
trpR基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物
与操作子结合阻止转录；
色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操作子结合，操纵元开始转录；
色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。
⑵. 弱化子调控：
当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。
色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成
发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落，不能转录；
色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA 序列；
?问题：弱化子如何进行调控？
?前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。
?原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。
①. 当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置
阻碍了2,3配对使3, 4区段配对形成发夹结构终止子RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。?②.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置，位于区段1 使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。
?衰减作用的生物学意义
从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如DNA和RNA的构象变化、mRNA 上内部终止(衰减)子的重建以及核糖体上tRNA对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏负调控系统更为有效。
一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转变速度极低时．衰减系统能更迅速地作出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中等浓度；
另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系，以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰减体系加以调节——通过不终止mRNA的合成来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓度。可见：衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。第四节DNA重组对基因表达的调控?在某些细菌中，特定基因的表达与基因组内DNA重排有关。
?如沙门氏菌具有运动鞭毛，它是由许多相同的鞭毛蛋白亚基装配而成。
?沙门氏菌含有两个不同的结构基因H1和H2，它们编码不同的鞭毛蛋白。
?H1基因表达则产生Hl型鞭毛蛋白，这时细菌就处于I相(Phase l)；若是H2基因表达就产生H2鞭毛蛋白，细菌处于Ⅱ相(Phase Ⅱ)。
?处于I相的细菌生长时，其中少数细菌以103／每次细胞分裂的频率而自发转变为Ⅱ相细
菌；处于Ⅱ相的细菌也以同样的频率转变为I相细菌，这一过程称为相变(phase wariation) ?H2基因与另一个基因rH1紧密连锁，同属于一个操纵子。并协同表达。rHl编码Hl基因的阻遏蛋白．当H2和rH1表达时，由于rHl阻遏物阻止了H1基因的表达．就只合成H2鞭毛蛋白。如果H2基因和rHl基因被关闭不表达，这时H1基因便表达，合成Hl鞭毛蛋白。
?相变的控制取决于含H2和rHl基因操纵子的启动基因所处的状态。含有启动基因在内的上游DNA长995核苷酸对，两边各有一段长14核苷酸对的重复，即IRL和IRR。H2基因的起始密码子开始于IRR右边的第17核苷酸对处，IRL和IRR之间的序列含有基因hin，它的产物是相变酶，可催化这段995核昔酸对序列发生包括hin基因在内的倒位。
?另外，在倒位前这段序列的第950一983核昔酸对区还含有一个促进下游基因转录的启动子(p)，它使H2和rH1基因表达，于是细胞处于Ⅱ相。当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向改为朝左，H2和rH1失去启动子而失活，这时细胞内没有rH1阻遏蛋白，因而H1基因表达，细胞转变成I相。一旦这段DNA倒位依复原状，细胞又将转变为Ⅱ相。
?这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变来解释？
因为第一这种变化只发生在两种鞭毛蛋白类型的相互转变，而沙门氏菌的鞭毛蛋白类型有十几种之多，如果是基因突变，那么也应出现其他类型的鞭毛蛋白。再者，这种变化发
生的频率很高，从每代每105个细胞中改变一个到每代每103个细胞中改变一个；第三，
实验证明：相变的实质是Hl 或H2基因选择性表达的结果。
第五节蛋白质合成的自体调控?一、RF2合成的自体调控…CUU U GAC
25 26
RF2充分时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码子，被RF2识别，翻译终止（不完全肽链，无RF2活性）
RF2不足时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码子，发生移位作用，跳过U，不被RF2识别，翻译继续，直到此基因的最后的终止密码子，在RF1的作用下，形成完整肽链（具RF2活性）
?二、核糖体蛋白质合成的自体调控
实验分析：核糖体蛋白质与rRNA的结合部位同编码核糖体蛋白的mRNA的结合部位有同源性，而且某些核糖体蛋白的mRNA其部分二级结构与rRNA的部分二级结构相似，二者都能与起调控作用的核糖体蛋白质相结合，只是rRNA的结合能力强于mRNA 。然而，一旦rRNA的合成减少或停止，游离的核糖体蛋白开始积累。这些多余的核糖体蛋白就会与本身的mRNA结合，从而阻断自身的翻译，同时也阻断同一多顺反子mRNA下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使核糖体蛋白质的合成和rRNA的合成几乎同步地停止。但rRNA 的合成是在转录层次的调节，而核糖体蛋白质的合成则是在翻译层次的控制。
?三、严谨反应与核糖体合成的调控
概念：严谨反应（stringent response)是指细菌生长在不良营养条件下时，由于缺乏任何一种氨基酸等因素所导致的蛋白质合成突然下降,tRNA合成突然停止等一系列反应。
第六节反义RNA在基因表达中的调控作用?反义RNA（anti-sense RNA)：指与目的DNA 或RNA序列互补的DNA或RNA片段。
?反义RNA与特定的mRNA结合的位点通常是SD序列、起始密码子AUG和部分N端的密码子，从而抑制mRNA的翻译．所以又称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA(mRNA—interfering complementary RNA，micRNA)。
真核生物基因表达的调控 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、 2、 3、 4、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、无操纵子和衰减子。 大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。
生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。 从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。 c.基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。
第八章原核生物基因表达与调控 一、教学目的和要求： 掌握原核生物基因表达及调控机制 二、教学重点： １、乳糖操纵子调控机制 2、半乳糖操纵子调控机制 3、色氨酸衰减子调控机制 三、教学难点： 1、半乳糖操纵子调控机制 2、色氨酸衰减子调控机制 四、教学方法： 面授并辅以多媒体教学 五、教学内容 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质。 第一节原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA： 单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控 ?根据基因表达产物可划分： 组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境影响——组成型表达。 /适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。?一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? ?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 ?基因调控主要在三个水平上进行: ?①. DNA水平 ?②. 转录水平 ?③. 翻译水平 ?一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。
一、真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。 1. 真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在 109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有10万个基因。 2. 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传 成分(如线粒体DNA等)，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。 3. 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。 4. 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元， 共同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron)的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 5. 原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中 仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。 6. 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码 的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。 7. 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组 中则存在大量重复序列(repetitive sequences)。用复性动力学等实验表明有三类重复序列：1）高度重复序列(highly repetitive sequences)，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。2）中度重复序列(moderately repetitive sequences)，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复3×105次，在人的基因组中约占7%，功能也还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围。3）单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。 从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人类对真核基因组的认识还很有限，使现在国际上制订的人基因组研究计划(human gene project)完成，绘出人全部基因的染色体定位图，测出人基因组109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系，特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要经历很长期艰巨的研究过程。 二、真核基因表达调控的特点 尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。
细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。 一、操纵元的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(见下图)。 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个 酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透催化乳(lactose permease)过酶半乳糖苷酶-糖分解第一步的β。
见下图)(β-galactosidase)( -β在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成细菌大量合成分钟后，2－3半乳糖苷酶量极少，加入乳糖半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的碳源时，菌体内的β-。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测3%半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的β-出细菌中诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。 和Jacob针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的1961于Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，学说，如下图所示。下图中年提出乳糖操纵元(lac operon)是转录是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，P、za开始的P结合而阻碍从O能与R，R编码合成调控蛋白i所需要的启动子，调控基因a、z 基因转录，所以O就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与P结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。
真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。 DNA水平的调控 DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂，删除，扩增，重排，修饰（如甲基化与去甲基化，乙酰化与去乙酰化等）和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。 转录水平的调控 转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。通过染色质改型，组蛋白乙酰化，染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用，基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件，转座元件，增强子，抑制子的调控，同时受反式作用因子包括基本转录因子，上游转录因子和转录调节因子等的调控。 转录后调控 转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑 在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。
翻译水平的调控 阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA，阻止其翻译 此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。 翻译后调控 直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。 1．蛋白质折叠 线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。 2．蛋白酶切割 末端切割 有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。 多聚蛋白质的切割 有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。
第十章作业 1. 简述真核生物基因表达调控的7个层次。 ①染色体和染色质水平上的结构变化与基因活化 ②转录水平上的调控，包括基因的开与关，转录效率的高与低 ③RNA加工水平的调控，包括对出事转录产物的特异性剪接、修饰、编辑等。 ④转录后加工产物在从细胞核向细胞质转运过程中所受到的调控 ⑤在翻译水平上的控制，即对哪一种mRNA结合核糖体进行翻译的选择以及蛋白质成量的控制 ⑥对蛋白质合成后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪接等的控制 ⑦对mRNA选择性降解的调控 2. 真核基因表达调控与原核生物相比有何异同？ 相同点：①与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也有转录水平调控和转录后水平的调控，并且也以转录水平调控为最重要； ②在真核结构基因的上游和下游(甚至内部)也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 不同点：①原核细胞的染色质是裸露的DNA，而真核细胞染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体。 ②在原核基因转录的调控中，既有激活物参与的正调控，也有阻遏物参与的负调控，二者同等重要。 ③原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，即在转录尚未完成之前翻译便已开始。 ④真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也就不一样，某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机制。 3. DNA 甲基化对基因表达的调控机制。 甲基化抑制基因转录的机制：DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白H1相结合，DNaseⅠ超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 直接影响了转录因子与启动区DNA的结合效率的结合活性，不能启始基因转录。DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了转录活性。 4. 转录因子结合DNA的结构基序（结构域）有哪几类？ ①螺旋-转折-螺旋 ②锌指结构 ③碱性-亮氨酸拉链 ④碱性-螺旋-环-螺旋 5. 真核基因转调控中有几种方式能够置换核小体？ ①占先模式：可以解释转录时染色质结构的变化。该模型认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。 ②动态模式该模型认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即转换核小体中的全部或部分成分并重新组装，这个耗能的基因活化过程称为染色质重构 6. 简述真核生物转录水平调控过程。 真核生物在转录水平的调控主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的，主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程：①转录起始复合物的形成：真核生物RNA聚合酶识别的是由通用转录因子与DNA形成的
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 ．基因转录起始 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 浓度升高 C ．半乳糖与阻遏蛋白结合 D ． RNA 聚合酶与启动序列结合 E ．阻遏蛋白与操纵序列结合 3 ．增强子的特点是 A ．增强子单独存在可以启动转录 B ．增强子的方向对其发挥功能有较大的影响 C ．增强子不能远离转录起始点 D ．增强子增加启动子的转录活性 E ．增强子不能位于启动子内 4 ．下列那个不属于顺式作用元件 A ． UAS B ． TATA 盒 C ． CAAT 盒 D ． Pribnow 盒 E ． GC 盒 5 ．关于铁反应元件（ IRE ）错误的是 A ．位于运铁蛋白受体 (TfR) 的 mRNA 上 B ． IRE 构成重复序列 C ．铁浓度高时 IRE 促进 TfR mRNA 降解 D ．每个 IR E 可形成柄环节构 E ． IRE 结合蛋白与 IRE 结合促进 TfR mRNA 降解 6 ．启动子是指 A ． DNA 分子中能转录的序列 B ．转录启动时 RNA 聚合酶识别与结合的 DNA 序列 C ．与阻遏蛋白结合的 DNA 序列 D ．含有转录终止信号的 DNA 序列 E ．与反式作用因子结合的 RNA 序列 7 ．关于管家基因叙述错误的是 A ．在同种生物所有个体的全生命过程中几乎所有组织细胞都表达 B ．在同种生物所有个体的几乎所有细胞中持续表达 C ．在同种生物几乎所有个体中持续表达 D ．在同种生物所有个体中持续表达、表达量一成不变 E ．在同种生物所有个体的各个生长阶段持续表达 8 ．转录调节因子是 A ．大肠杆菌的操纵子 B ． mRNA 的特殊序列 C ．一类特殊的蛋白质 D ．成群的操纵子组成的凋控网络 E ．产生阻遏蛋白的调节基因 9 ．对大多数基因来说， CpG 序列高度甲基化 A ．抑制基因转录 B ．促进基因转录 C ．与基因转录无关 D ．对基因转录影响不大 E ．既可抑制也可促进基因转录 10 ． HIV 的 Tat 蛋白的功能是 A ．促进 RNA po l Ⅱ 与 DNA 结合 B ．提高转录的频率
原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平 真核基因的表达调 控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启 动子,由sita因子决定基因表的的特异性 真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子 依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型 转录出多顺反子RNA 实现协调调节 真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平 其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子 与RNA聚合酶结合 、阻遏蛋白 负调控 、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性 不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合 可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多 在DNA水平上可以通过染色体 丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA 的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录 真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在 乳糖不存在 此时无诱导剂
原核生物基因表达调控概述 基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。 1.基因表达调控意义 在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。 2.原核基因表达调控特点 原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。 细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。 二.原核生物表达调控的概念 （1）细菌细胞对营养的适应
细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长 的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。 （2）顺式作用元件和反式作用元件 基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。RNA聚合酶是典型的反式作用因子。 顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其 自身同处于一个DNA分子上的基因；这种基因DNA序列通常不编码蛋白质， 多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。 （3）结构基因和调节基因 结构基因是编码蛋白或RNA基因。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结 构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞核组织器官基本成分的结构蛋白，有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异性DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点 结合控制转录是调控关键。 （4）操纵基因和阻遏蛋白 操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录，阻遏蛋白是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏蛋白物一起合成于操纵基因，阻遏蛋白操纵因子结构基因的转变，阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。
真核生物基因表达的调控 河南大学民生学院王磊生物技术 一、生物基因表达的调控的共性 首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。 1、作用范围。生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。可见，调控是普遍存在的现象。 2、调控方式。基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。 3、调控水平。一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。 二、真核生物基因表达调控的特点 真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。 1、多层次。真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。 2、无操纵子和衰减子。 3、大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。 4、个体发育复杂，而受环境影响较小。真核生物多为多细胞生物，在生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。前者为短期调控，后者属长期调控。从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。 三、真核生物基因表达调控的机制 介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。 1、染色质水平。真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。 a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多
原核生物和真核生物基因表达调控、复制、转录、翻译特点的比较 1.相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节 ①结构基因均有调控序列； ②表达过程都具有复杂性，表现为多环节； ③表达的时空性，表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性； 2.不同点: ①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。 ②原核基因表达调控主要为负调控，真核主要为正调控。 ③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性，真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。 ④原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。 ⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。 真核生物基因表达的调控环节较多： 在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。 在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TA TA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。 在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。 在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。 真核基因调控中最重要的环节是基因转录，真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。 真核生物和原核生物复制的不同点： ①真核生物DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 ②原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。真核生物中前导链的合成并不像原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。 ③真核生物DNA的合成所需的RNA引物及后随链上合成的冈崎片段的长度比原
真核生物与原核生物基因表达调控的区别
精品文档 原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型转录出多顺反子RNA 实现协调调节真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA 聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA 的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA 复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA 运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在乳糖不存在此时无诱导剂 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
第10章真核生物基因表达的调控 本章教学要求 1.熟悉真核基因组的结构特点、真核生物在DNA水平、转录水平和翻译水平上基因表达调控的特点。 2.掌握以下概念：顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子，熟悉沉默子、基本转录因子、特异转录因子。 3.了解转录因子的结构特点。 本章教学重点和难点 1、真核生物在DNA水平和转录水平基因表达调控的特点。 2、转录因子的结构特点。 教学方法与手段 讲授与交流互动相结合，采用多媒体教学。 授课内容 10.1 真核生物基因表达调控的特点和种类 一、真核生物基因表达调控的特点 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。 真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现"预定"的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。 真核生物基因表达调控与原核的共同点： ?基因表达都有转录水平和转录后的调控，且以转录水平调控为最重要； ?在结构基因上游和下游、甚至内部存在多种调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。 真核生物基因表达调控与原核的不同点： 1、真核基因表达调控的环节更多：转录与翻译间隔进行，具有多种原核生物没有的调控机制；个体发育复杂，具有调控基因特异性表达的机制。 2、真核生物活性染色体结构的变化对基因表达具有调控作用：DNA拓扑结构变化、DNA 碱基修饰变化、组蛋白变化； 3、正性调节占主导，且一个真核基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物。
真核生物的基因表达调控概述 真核生物基因在染色质活性、DNA水平、转录水平和翻译水平的表达调控特点。答：真核基因组结构具有基因组结构庞大、单顺反子、含有大量重复序列、基因不连续性、非编码区较多等特点。 （1）染色质结构水平对基因表达调控：①常染色质或异染色质；②染色质的状态（活性或阻遏），紧密结构会抑制基因表达，解凝集结构利于基因表达；③可以通过对组蛋白结构的修饰来实现，有组蛋白翻译后的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等；④DNA水平的调控包括基因丢失、扩增、重排和移位等方式。 （2）转录水平的调控：①RNA聚合酶、转录因子等反式作用因子和顺式作用元件（启动子强弱、增强子、沉默子）相互作用对基因转录的调控；②同一基因转录起始位点的不同，导致在不同组织细胞中的基因表达差异。 （3）转录后的加工：转录后加工的多样性，包括①加尾和剪接；②多个5′端转录起始位点或剪接位点；③多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式；④虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点等多种方式调控基因的表达。（4）翻译水平的调控：①翻译起始因子eIF-4F 的磷酸化激活蛋白质的合成，eIF-2α 的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平；② mRNA 结构与翻译控制：mRNA5′端m7G 帽有增强翻译水平的作用，上游AUG 密码子的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率；③起始AUG 上游序列对翻译效率的影响，如Kozak序列；④poly(A)尾增加翻译效率；⑤poly(A)尾中富含UA 序列抑制翻译。 （5）翻译后加工水平的调控：翻译的蛋白质还需要加工、修饰、折叠和分选后才具有功能。综上所述，真核生物基因表达调控是一个十分复杂的过程。
第十章真核生物基因表达调控 第一节染色质结构与基因表达 染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期，30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。分裂期结束后，染色体又转化为染色质。按照功能不同，可将染色质划分为活性染色质和非活性染色质。前者是指那些具有转录活性的染色质，而后者则用于表示缺乏转录活性的染色质。在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染色质。 一、位置效应 位置效应（position effect）是指一个基因由于在基因组的位置发生改变，而发生的表达上的变化。 二、活性染色质的特征 与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，其核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测这种变化。 三、染色质结构的调节 在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地接近DNA。由组蛋白和基因组DNA两部分组成的染色质结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，实际上起着阻遏转录的作用。基因转录需要染色质发生一系列重要的变化，如染色质去凝集，核小体变成开放式的疏松结构，使转录因子等更容易接近并结合核小体DNA。有两种方式可以显著改变DNA的易接近性：组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。 1．组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响 每种核心组蛋白包括一个～80个氨基酸残基构成的保守的区域称为组蛋白
真核基因和原核基因表达调控的异同？ 真核基因表达调控的基本原理与原核基因相同，主要表现在： 1、与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也以转录水平调控为最重要； 2、在结构基因均有调控序列，并依靠特异蛋白因子与这些调控序列的结合与否调控基因的表达。 3、都要经历转录、翻译的过程。 4、表达过程都有复杂性，多环节 不同 1、真核基因表达调控过程更复杂。 2、在染色质结构上。原核细胞的DNA是裸露的，而真核细胞DNA包装在染色体中。DNA与组蛋白组成核小体形成为染色体基本单位。在原核细胞中染色质结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核细胞中染色质的变化调控基因表达，并且基因分布在不同的染色体上，存在染色体间基因的调控问题； 3、真核生物中编码蛋白质的基因通常是断裂基因，含有有非编码序列即内含子，因而转录产生的mRNA前体必须剪切加工才能成为有功能的成熟的mRNA，而不同拼接方式的可产生不同的mRNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。 4、在原核基因转录的调控中，既有正调控，也有负调控，二者同等重要，而真核细胞中虽然也有正调控成分和负调控成分，但目前已知的主要是正调控，且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能调节基因的转录； 5、原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，而真核基因的转录与翻译在时空上是分开的，从而使真核基因的表达有多种调控机制。 6、真核生物细胞中存在mRNA的稳定性调控
7、真核生物大都为多细胞生物，基因的表达随细胞内外环境条件的改变和时间程序在不同的表达水平上进行着精确调控，而原核生物主要受环境因素和营养状况影响基因调控。 8、真核生物由三种RNA聚合酶分别负责三种RNA的转录，而原核生物只有一种。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控 第一节概述 机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。 在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。 1．顺式作用元件和反式作用因子 基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在 DNA上)相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。因此反式作用因子(trans-acting factor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。 顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。因此，顺式作用元件(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 2．结构基因和调节基因 为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因，有时用结构基因和调节基因的概念。结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因(regulatory gene)是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。3．启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，两者都是典型的顺式作用位点。启动子位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子能终止基因的转录。启动子和终止子是能受同一类反式作用因子识别的顺式作用元件，这一类反式作用因子就是RNA聚合酶。当然，两个位点也能各自结合一些特定的其他因子。
原核生物与真核生物基因表达的区别 最佳答案 原核生物的机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。 转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。 通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。 RNA 的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA 分子的组成和功能。 在真核细胞中，还可对RNA 从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA 只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA 转录的起始和RNA 翻译的起始路线也很相似。 真核生物基因表达的调控要比原核生物复杂得多，特别是高等生物，不仅由多细胞构成，而且具有组织和器官的分化。细胞中由核膜将核和细胞质分开，转录和翻译并不是偶联，而是分别在核和细胞质中进行的，基因组不再是环状或线状近于裸露 DNA ，而是由多条染色体组成，染色体本身结构是以核小体为单位形成的多极结构， 真核生物的个体还存在着复杂的个体发育和分化，因此说真核生物的基因表达调控是多层次的，从DNA到RNA 到有功能蛋白质多途径进行调控的。 主要的调控途径有如下几个方面： ①DNA 和染色体水平上的调控：基因的拷贝数扩增或丢失和基因重排，DNA 修饰，在染色体上的位置，染色体结构（包括染色质、异染色质、核小体）都可影响基因表达。 ②转录水平上的调控：转录起始的控制和延伸的弱化对mRNA 前体的水平都会产生影响。 ③转录后RNA 加工过程和运送中的调控：真核基因转录出的mRNA 前体，要经过加工才能成熟为mRNA ，包括切割、拼接、编辑、5`和3`末端修饰等，成熟的mRNA 再运出细胞核。 ④翻译水平上的调控：5`端前导序列形成茎环结构降低翻译水平或抑制蛋白结合5`端，阻止mRNA 的翻译。 ⑤翻译后的调控：翻译后产生的蛋白质常常需要修饰和加工如磷酸化、糖基化、切除信号肽及构象形成等，才能成为有活性的蛋白质，可以利用这个过程有选择地激活或灭活某些蛋白质。 ⑥mRNA 降解的调控：控制mRNA 寿命就能控制一定数目的mRNA 分子产生蛋白质数量，这种调控是由mRNA 3`端的序列决定的。（为什么是有其决定？？） 真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同之处 2010-8-29 09:12 最佳答案 ①真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子