一、概述

每種生物在生長發(fā)育和分化的過程中，以及在對外環(huán)境的反應中，各種相關基因有條不紊的表達起著至關重要的作用。通過基因表達，DNA中的遺傳信息即可用以決定細胞的表型和生物性狀。但是，基因的表達隨著組織細胞及個體發(fā)育的階段的不同，隨著內外環(huán)境的變化的不同，而表現為不同的基因的表達。目前一頁\總數六十五頁\編于十八點基因(gene):

是一段DNA分子，編碼一種多肽鏈或RNA。

基因組(genome)：

指一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。1.幾個重要的概念目前二頁\總數六十五頁\編于十八點基因表達(geneexpression)：

在一定調節(jié)機制控制下，基因經過轉錄及翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質或RNA分子的過程。簡單地說，基因表達就是基因的轉錄和翻譯過程。大多數基因的表達產物是蛋白質,部分基因如tRNA和rRNA基因表達產物是RNA。目前三頁\總數六十五頁\編于十八點基因表達的特性時間特異性或階段特異性空間特異性或組織細胞特異性目前四頁\總數六十五頁\編于十八點時間特異性（temporalspecificity）

按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，這就是基因表達的時間特異性。

如噬菌體、病毒、細菌、侵入縮主后，呈現一定的感染階段。目前五頁\總數六十五頁\編于十八點階段特異性（stagespecificity）多細胞生物基因表達表現為與分化、發(fā)育階段一致的時間性,因此又稱階段特異性。如在多細胞生物從受精卵到組織，器官形成的各個不同發(fā)育階段，相應基因嚴格按一定時間順序開啟或關閉，表現為與分化、發(fā)育階段一致的時間性。目前六頁\總數六十五頁\編于十八點空間特異性（spatialspecificity）:在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，就是基因表達的空間特異性。目前七頁\總數六十五頁\編于十八點細胞特異性（cellspecificity）或組織特異性（tissuespecificity）:基因表達的空間特異性又稱為細胞特異性或組織特異性，因為基因表達伴隨時間或階段順序所表現出的空間分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的。目前八頁\總數六十五頁\編于十八點2.基因表達的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：基本或組成性(constitutiveexpression)基因表達

某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(house-keepinggene)。目前九頁\總數六十五頁\編于十八點

無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性表達。目前十頁\總數六十五頁\編于十八點誘導和阻遏表達

在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因(induciblegene)。

可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程稱為誘導(induction)目前十一頁\總數六十五頁\編于十八點

如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegene)

可阻遏基因表達產物降低的過程稱為阻遏(repression)目前十二頁\總數六十五頁\編于十八點

在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調表達(coordinateexpression)。這種調節(jié)稱為協調調節(jié)(coordinateregulation)。目前十三頁\總數六十五頁\編于十八點3.基因表達調控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖生物體賴以生存的外環(huán)境是在不斷變化的，為了生存，所有活細胞都必須對外環(huán)境變化作出適當反應，調節(jié)代謝，以適應環(huán)境變化。生物體適應環(huán)境、調節(jié)代謝的能力與蛋白質分子的生物學功能有關。而蛋白質的水平又受基因表達的調控。目前十四頁\總數六十五頁\編于十八點維持個體發(fā)育與分化

多細胞生物調節(jié)基因的表達除為適應環(huán)境外，還有維持組織器官分化、個體發(fā)育的功能。

當某種基因缺陷或表達異常時，則會出現相應組織或器官的發(fā)育異常。目前十五頁\總數六十五頁\編于十八點二、原核生物基因表達的調節(jié)目前十六頁\總數六十五頁\編于十八點1.操縱子模型轉錄調節(jié)普遍采用操縱子模式，原核生物功能相關的基因往往串聯地排列在一起，在一個共同的調控區(qū)的調節(jié)下，一起轉錄生成一個多順反子，最終表達產物是一些功能相關的酶或蛋白質，它們一起參與某種底物的代謝或某種產物的合成。目前十七頁\總數六十五頁\編于十八點Fran?oisJacobandJacquesMonod,wasawardedthe1965NobelPrizeforPhysiologyorMedicinefordiscoveriesconcerningregulatoryactivitiesinbacteria.目前十八頁\總數六十五頁\編于十八點操縱子(operon)的結構與功能InhibitorgenePS1S2S3啟動子結構基因1，2，3...O操縱基因PromoterOperatorgeneStructuregene調控區(qū)結構基因操縱子表達阻遏蛋白

結合RNA聚合酶

結合阻遏蛋白表達功能蛋白?I阻遏物（調節(jié)）基因操縱子:基因表達的協調單位目前十九頁\總數六十五頁\編于十八點

在正轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白(activator)，激活蛋白結合DNA的啟動子及RNA聚合酶后，轉錄才會進行。

在正控誘導系統(tǒng)中，誘導物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉錄進行。

在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉錄不進行。2.關于正調控與負調控目前二十頁\總數六十五頁\編于十八點

負轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的物質是阻遏蛋白(repressor)—阻止結構基因轉錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結合，轉錄受阻。負控誘導系統(tǒng)—阻遏蛋白不與誘導物結合時，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結合，結構基因不轉錄，阻遏蛋白結合誘導物時，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結構基因轉錄。負控阻遏系統(tǒng)—阻遏蛋白與效應物結合時，結構基因不轉錄。目前二十一頁\總數六十五頁\編于十八點酶的誘導和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調節(jié)基因結構基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結構基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結構基因可以表達酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結合,結構基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產物與阻遏蛋白結合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結構基因不表達代謝產物I.酶的誘導II.酶的阻遏目前二十二頁\總數六十五頁\編于十八點目前二十三頁\總數六十五頁\編于十八點

以乳糖操縱子為列介紹原核生物操縱子調控模式 目前二十四頁\總數六十五頁\編于十八點

乳糖操縱子的結構透過酶目前二十五頁\總數六十五頁\編于十八點1.三個結構基因Z基因：編碼β-半乳糖苷酶（β–galactosidase），分解乳糖成為半乳糖和葡萄糖Y基因：編碼透過酶（permease），使外界乳糖等透過大腸桿菌細胞壁進入細胞內。A基因：編碼乙?；D移酶（acetylase），能將乙酰CoA上的乙酰基轉移到半乳糖上，形成乙酰半乳糖。目前二十六頁\總數六十五頁\編于十八點2.三個調節(jié)序列：在結構基因的上游還有一個啟動子（P）和一個操縱基因（O），在啟動子上游還有一個分解（代謝）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivationprotein,CAP）或腺苷酸受體蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP)結合位點，以及一個調節(jié)基因（I）（又稱R基因），調節(jié)基因編碼阻遏蛋白。目前二十七頁\總數六十五頁\編于十八點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時3.乳糖操縱子的調節(jié)機制阻遏基因I.阻遏蛋白的負性調節(jié)目前二十八頁\總數六十五頁\編于十八點mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖目前二十九頁\總數六十五頁\編于十八點

實際上，別乳糖是lac操縱子轉錄的活性誘導物。人們發(fā)現一個合成的、結構上類似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個誘導物的作用，所以IPTG常用于誘導含有使用了lac啟動子的質粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。目前三十頁\總數六十五頁\編于十八點目前三十一頁\總數六十五頁\編于十八點

II.

CAP的正性調節(jié)目前三十二頁\總數六十五頁\編于十八點

目前三十三頁\總數六十五頁\編于十八點III.CAP的正性調節(jié):CAP蛋白是一個同二聚體，具有DNA結合域和cAMP結合位點。當沒有葡萄糖存在時，由于cAMP的濃度受葡萄糖代謝的調節(jié)，cAMP濃度表現為較高，這時cAMP與CAP蛋白結合形成cAMP–CAP復合物。此復合物可結合在lac啟動基因上游附近的CAP位點上，從而可增強轉錄達50倍之多。目前三十四頁\總數六十五頁\編于十八點當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時，cAMP濃度較低，cAMP與CAP蛋白不能形成復合物，也就不能結合到CAP位點，lac基因的轉錄水平較低。由此可見，對lac操縱子來說CAP是正性調節(jié)因素，lac阻遏蛋白是負性調節(jié)因素。目前三十五頁\總數六十五頁\編于十八點葡萄糖降解物與cAMP的關系葡萄糖分解代謝產物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活目前三十六頁\總數六十五頁\編于十八點乳糖操縱子調控方式的比較負調控正調控調節(jié)蛋白阻遏蛋白CAP變構物別乳糖、乳糖cAMP與變構物結合無活性有活性基因位點O基因CAP位點結合于基因位點基因關閉基因開放未結合于基因位點

基因開放基因關閉不與變構物結合

有活性無活性目前三十七頁\總數六十五頁\編于十八點IV.協調調節(jié)

※當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；

※如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。

單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時,細菌首先利用葡萄糖。

葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏（catabolicrepression）。

目前三十八頁\總數六十五頁\編于十八點葡萄糖效應和乳糖誘導目前三十九頁\總數六十五頁\編于十八點

目前四十頁\總數六十五頁\編于十八點4.衰減子（attenuator）與

轉錄衰減作用（attenuation）衰減子:位于細菌操縱子結構基因上游前導區(qū)的終止子。原核生物中通過翻譯前導肽而實現控制DNA的轉錄的調控方式稱衰減作用。以色氨酸（Trp）操縱子為例，衰減子序列位于啟動子與Trp操縱子的第一個結構基因間，其mRNA的5’端有162個核苷酸的前導序列，當mRNA合成啟動后，除非缺乏Trp，否則mRNA僅合成140個核苷酸即終止。該前導序列編碼一小段14肽，其終止區(qū)具有潛在的莖環(huán)構象和成串的U。目前四十一頁\總數六十五頁\編于十八點大腸桿菌色氨酸操縱子的

衰減作用的可能機制111232233444核糖體核糖體轉錄繼續(xù)轉錄終止C.高濃度色氨酸使核糖體到達2部位，3與4堿基配對，轉錄終止。B.缺乏色氨酸使核糖體停留在1部位，轉錄得以完成。Trp-codon7U`S目前四十二頁\總數六十五頁\編于十八點

阻遏和衰減機制雖然都是在轉錄水平上調節(jié)基因表達，但他們的作用機制完全不同，前者控制轉錄起始，后者控制轉錄起始后是否繼續(xù)下去，因此，衰減作用比阻遏作用的調節(jié)更為精細。目前四十三頁\總數六十五頁\編于十八點5.生長速度的調控

營養(yǎng)豐富，溫度適宜時，細菌的生長速度可以很快，在兩個細胞尚未分裂的情況下，新一代的DNA已經開始合成，大腸桿菌的倍增時間為25分鐘時，平均每個細胞的DNA分子為4.5個，核糖體的數目也很多。

目前四十四頁\總數六十五頁\編于十八點

當營養(yǎng)嚴重缺乏時，比如氨基酸饑餓時，就不是缺少一、二種氨基酸，而是氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關，細菌將會產生一個應急反應，包括生產各種RNA、糖、脂肪和蛋白質在內的幾乎全部生物化學反應過程均被停止。細菌進入嚴緊控制狀態(tài)，這是在困難時期獲得生存的策略，被稱為嚴緊控制（stringentcontrol）。目前四十五頁\總數六十五頁\編于十八點

當氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉移酶，使ppGpp（四磷酸鳥苷，魔斑I，magicspotI)或pppGpp（五磷酸鳥苷，魔斑II，magicspotII)大量合成，其濃度可增加10倍以上。ppGpp的出現會關閉許多基因，以應付這種緊急狀況。當環(huán)境中出現足夠的氨基酸時，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白質的合成很快恢復。

四(五）磷酸鳥苷是控制多種反應的效應分子，最顯著的與RNA聚合酶結合，降低rRNA的合成。目前四十六頁\總數六十五頁\編于十八點ppGpp和pppGpp的合成與作用GDP目前四十七頁\總數六十五頁\編于十八點6.基因表達的時序調控

λ噬菌體基因表達的時序調控研究較深入，其50個基因組成4個操縱子。阻遏蛋白操縱子左早期操縱子右早期操縱子晚期操縱子

目前四十八頁\總數六十五頁\編于十八點

噬菌體的調節(jié)基因和轉錄產物cI、cro、N、Q以及cII和cIII為調節(jié)基因。pL和pR為左右啟動子；oL和oR分左右操縱基因。nutL和nutR為N蛋白結合位點；qut為Q蛋白結合位點；tL1、tR1、tR2、tR3、tR4為左右中止子。L1、L2、L3、R1、R2、R3、R4和R5分別為左右操縱子的轉錄產物。目前四十九頁\總數六十五頁\編于十八點

左向轉錄的為L鏈，右向轉錄的為R鏈。當λ噬菌體侵入宿主細胞后，溶原和裂解途徑的最初過程一樣，前早期(cro，N）和后早期的基因首先表達。隨后，若晚期基因表達，噬菌體進入裂解循環(huán)，若合成阻遏蛋白，則進入溶原狀態(tài)。右早期操縱子的調節(jié)基因cro可抑制溶原型阻遏蛋白cI的合成，使噬菌體進入裂解循環(huán)，噬菌體對兩個生活史的的選擇取決于cI和cro的拮抗。紫外線和42度高溫等可鈍化cI，結果進入裂解循環(huán)。

左早期操縱子的調節(jié)基因N的表達產物為抗終止子，使前早期基因的轉錄越過終止信號進入后早期基因，后早期基因包括左、右早期操縱子的3個調節(jié)基因，cⅡ/cⅢ與建立溶原狀態(tài)的阻遏蛋白的合成有關，Q調節(jié)基因的產物亦為抗終止子，使晚期基因表達，噬菌體進入裂解循環(huán)。

目前五十頁\總數六十五頁\編于十八點7.翻譯水平的調節(jié)和反義RNA翻譯水平的調節(jié)的調節(jié)包括：不同mRNA的翻譯能力差異、翻譯的阻遏和反義RNA的調節(jié)某些RNA分子也可調節(jié)基因表達,這種RNA稱為調節(jié)RNA.

細菌中有種稱為反義RNA的調節(jié)RNA,含有與特定mRNA翻譯起始部位互補的序列,通過與mRNA雜交阻斷30S小亞基對起始密碼子的識別及與SD序列的結合,抑制翻譯起始,這類RNA又稱作干擾mRNA的互補RNA(mRNAinterferingcomplementaryRNA,micRNA),這種調節(jié)稱為反義控制(antisensecontrol)。目前五十一頁\總數六十五頁\編于十八點

Mizuno等發(fā)現在E.coli中有兩個膜蛋白質OmpF、OmpC，當滲透壓高時，F低而C高。兩個基因受OmpR調節(jié)（與滲透壓感受有關），發(fā)現一種小分子RNA，micRNA，大約174核苷酸，可與OmpF的mRNA的5’端互補，直接干擾模板的翻譯能力，抑制后者的翻譯。

EnvZ(感受器)

細胞膜

OmpC

活化(高壓)

OmpR(正調控因子)

micF

－10－35

－10－35

OmpC

MicF

OmpF

174bRNA

mRNAinterfering–complementaryRNA

低壓時

OmpF

在E.coli中通過反義RNA來調控膜蛋白的合成

目前五十二頁\總數六十五頁\編于十八點

三.真核基因表達調節(jié)目前五十三頁\總數六十五頁\編于十八點一、真核基因組結構特點真核基因組結構龐大，染色體結構具有多個復制起點.單順反子含有大量重復序列基因不連續(xù)性，內含子，外顯子非編碼區(qū)較多（占80％～90％）轉錄與翻譯分隔進行轉錄后修飾加工1、真核基因組結構特點目前五十四頁\總數六十五頁\編于十八點

真核基因組中含大量的重復序列，這些重復序列大部分是沒有特定生物學功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據重復頻率可將其分為高度重復序列、中度重復序列和單拷貝序列。單拷貝序列（一次或數次）高度重復序列（10次）6中度重復序列（10~10次）43多拷貝序列關于C值悖理（Cvalueparadox)

生物體的單倍體基因組所含DNA總量稱為C值。生物進化總體趨勢是C值不斷增加。但生物基因組的大小同生物在進化上所處地位并不完全比例增加，如魚類和兩棲類的C值遠遠高于哺乳類，這種現象稱為C值悖理。目前五十五頁\總數六十五頁\編于十八點2.真核基因表達調節(jié)DNA轉錄初產物RNAmRNA蛋白質前體mRNA降解物活性蛋白質1.轉錄前調節(jié)2.轉錄調節(jié)3.轉錄后加工的調節(jié)5.翻譯調節(jié)6.mRNA降解調節(jié)7.翻譯后加工的調節(jié)核細胞質4.轉運調節(jié)真核基因表達調控的七個水平目前五十六頁\總數六十五頁\編于十八點

轉錄前水平調節(jié)1）染色體丟失某些低等真核生物e.g.蛔蟲早期卵裂階段分裂細胞除一個將來成為生殖細胞外，均將異染色質部分刪除。2）基因擴增e.g.非洲爪蟾卵的卵母細胞，在核仁周圍大量積累rDNA,拷貝數可增至1500—2000000。胚胎發(fā)育開始后，這些rDNA逐漸消失3）基因重排e.g.產生抗體的淋巴細胞在發(fā)育過程中的基因重排現象。4）DNA的修飾和異染色質化

真核生物通過異染色質化關閉某些基因；非活性區(qū)甲基化程度高，主要是5-mC，少量6-mA。目前五十七頁\總數六十五頁\編于十八點

轉錄活性的調節(jié)

1）染色體質的活化活化的染色質DNA會出現一些DNaseI超敏位點，常出現在調節(jié)蛋白結合位點附近。在真核DNA有約5%的胞嘧啶被甲基化為5甲基胞嘧啶，這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側翼區(qū)的CpG序列-CpG島。但在轉錄活性區(qū)很少甲基化，DNA甲基化與基因的表達呈反比關系，管家基因富含CpG島，不被甲基化。染色質中與轉錄有關的結構變化稱染色質改型（chromatinremodeling）,包括組蛋白的酶促乙?；?脫乙?；Ｒ话阋阴；c基因活化有關，脫乙酰化與基因沉默有關。目前五十八頁\總數六十五頁\編于十八點順式作用元件(cis-actingelement):指在基因調控區(qū)域中不需要通過其編碼產物而直接控制基因表達的DNA片段，如:啟動子、增強子、沉默子、絕緣子。

啟動子：RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件，一個轉錄起始點有一個以上功能組件，TATA、CAAT、GC框等，CAAT、GC框屬上游控制元件，決定基因表達的基礎水平

。對于可誘