第三章 原核细胞的基因表
达调控
? 第一节 基因表达的概述和基本条件
? 第二节 在大肠杆菌中影响外源基因
表达的因素
第一节 基因表达的概述和
基本条件
? 一、基因表达的基本概念
? 二、基因表达的基本条件
? 三、真核基因在原核细胞中表达及调控
第二节 在大肠杆菌中影响
外源基因表达的因素
? 一,启动子结构对表达效率的影响
? 二,表达载体的选择
? 三,外源基因（ cDNA）中密码子的作用
? 四,mRNA的一级结构与基因表达
? 五,mRNA的二级结构对翻译起始的影响
? 六,mRNA稳定性的影响
? 七、转录终止区对外源基因表达效率的影响
? 八、转录后的若干因素与基因表达的关系
? 九、宿主选择对表达的影响
? 十、培养条件的控制对表达效率的影响
一、基因表达的基本概念
生物体的遗传信息都是以核苷酸序列
编码的形式储存在遗传物质 DNA上,基因
表达是目的基因 DNA在导入的细胞内转
录成 mRNA,再以 mRNA指导翻译成蛋白
质 。 基因的表达依赖于有效的转录和
mRNA的正确翻译以及翻译后的加工处
理等各个环节的调节作用, 其中转录最
为关键, 原核的基因表达过程和方式与
真核细胞有显著不同 。
二、基因表达的基本条件
? 1,外源基因插入序列必须保持正确的方向和阅读框架 。
其遗传密码不得缺失, 遗漏, 或错位及错码 。 否则会
导致编码错误的蛋白质分子, 特别是目的基因序列内
部应不含两端酶切位点的识别序列 。
? 2,插入的外源基因必须放在原核的启动子控制之下,
也就是使原核的 RNA聚合酶能够识别插入的基因 。
? 3,外源基因必须能在大肠杆菌中进行有效转录 （ 如无
内含子 ）, 转录后的 mRNA在菌体必须相当稳定, 并
且能有效地进行翻译, 转译的蛋白分子在菌体内不致
于受菌体蛋白酶的降解 。
三、真核基因在原核细胞中表达及调控
? 真核基因在原核细胞中表达及调控的特
点
? ㈠ 有效转录及其调控元件
? ㈡ 正确转译
? ㈢ 原核表达载体的构建
㈠ 有效转录及其调控元件
? 1,RNA聚合酶
? 2,启动子及其转录作用的启动（ 启动子
的概念, 分类 ）
? 3.转录作用的终止
? 4,转录的弱化作用
㈡ 正确转译
? 1.起始密码子 （ intiqtion codon,initiator）
? 2.核糖体结合位点 （ RBS，又称 SD序列）
㈢ 原核表达载体的构建
? 原核表达载体的构建的要求
? 1.表达载体类型
? 2.表达载体的举例
? 3.包涵体表达载体
启动子
? ⑴ 乳糖启动子（ Lac）
? ⑵ Trp启动子
? ⑶ Tac启动子
? ⑷ 噬菌体的 PL和 PR启动子
? ⑸ 脂蛋白启动子（ LPP）
启动子结构对表达效率的影响
? 启动子 -35区和 -10区序列与通用转录序列
一致，间距为 17 bp，大于 17bp效果差，
不同产物选用不同启动子，如尿激酶用
ptac,IL2/2FU-V用 PRPL启动子效果好。
表达载体的选择
? 载体分子量不宜过大，以 2.5-5.6kb为佳，
高拷贝，不同产物选用不同类型表达载
体。
外源基因（ cDNA）中密码子
的作用
? 细菌中基因表达对密码子有偏爱性，不
偏爱的稀有密码子（ AGA,AGG）表达
效果差，特别当有 AGA-AGG连续序列存
在时表达效率低
mRNA的一级结构与基因表达
1,启始密码子：表达效率
AUG>GUG>UUG
2,SD序列：较长的效率高，如
UAAGGAGG比 AAGAA高三倍； SD序
列与 AUG间距一般 6-12bp,4-10bp较佳，
9bp最佳； SD序列的 5’非翻译区，若有
5’-UGAUCU，则有增强作用。
mRNA的二级结构对翻译起始
的影响
? mRNA形成二级结构时，可产生茎环。
若 SD序列,AUG位于茎环内或发夹内，
转译受抑制；在茎环外则有利于转译。
见 表 6-1
mRNA稳定性的影响
? REP序列可阻止 mRNA降解，偏爱密码子
也起保护作用。
真核基因在原核细胞中表达及调控的
特点
1,只有一种 RNA聚合酶
2,以操纵子为单位来完成基因转录
3,基因转录无 RNA剪接功能
4,因无核仁、核膜，核酸均为裸露的，转录与
翻译是连续进行的
5,转录产物在多聚核糖体上合成，同时合成多
条肽链
6,有特有 SD序列，调控 mRNA与核糖体有效结
合和翻译的起始
7,无糖基化功能
RNA聚合酶
? 原核细胞只有一种 RNA聚合酶，当其核
心酶与 σ因子结合，形成全酶后，才能识
别 DNA上的启动子进行转录。
启动子的概念
? 启动子是位于结构基因上游，转录起始
调控所必需的一段 DNA序列，内含 -35区
（与 σ因子结合）和 -10区（和核心酶结
合）的保守序列。当启动子与全酶结合
后可在 +1转录起始点开始转录，如 图 6-1。
转录作用的终止
? 由转录终止子发挥作用，凡能使转录终
止的有关的 DNA的序列称终止子。
? 强终止子：不依赖 ρ因子发挥终止作用，
回文序列中 G/C配对多，有四个以上 U，
致使 RNA聚合酶构象改变而终止转录。
如 图 6-9,如 图 6-10
? 弱终止子：依赖 ρ因子发挥终止作用。如
图 6-11
转录的弱化作用
? 转录的弱化作用使转录没有到达终止信
号处而中途停止转录，使 mRNA转录发
生部分停止，而不是发生全部停止。
起始密码子
? 起始密码子是编码多肽链第一位氨基酸
的密码子 AUG（或 ATG），编码甲硫氨
酸（蛋氨酸）。在细菌中也有罕见的起
始密码子 GUG，编码缬氨酸。其起始表
达作用 AUG＞ GUG。
核糖体结合位点
? 转录 mRNA的 AUG上游具有的，能与核
糖体发生有效结合和转译所需要的序列
（ RBS），长度为 3-9bp，距 AUG3-11bp，
它与 16srRNA3’末端（ AUUCCUCCAC-
DAG-5’）互补其互补程度,SD与 AUG间
距等与转译效果有关。 如图
表达载体类型
? 表达载体的类型主要有四种,
1,非融合型表达载体，如 PKK223-3 如 图 6-14
2,分泌型表达载体，如 PINⅢ -ompA1 如 图 6-15
3,融合蛋白型表达载体，如 PGEX 如 图 6-16
4,包涵体型表达载体，如 pBV220 如 图 6-17
原核表达载体的构建的要求
? 完整的表达载体（质粒）应有强启动子
（ P）、终止子（ T）、多个酶切位点、
有抗性标记、复制子和 RBS的 SD序列。
（如 图 6-13）还应结合考虑：质粒的拷
贝能力和稳定性，转译蛋白的表达形式
和存放地点（分泌型 /包涵体 /融合蛋白），
蛋白质的分子量、性质和稳定性以及选
择合适宿主细胞。
乳糖启动子（ Lac）
? 无乳糖时，调节基因（ I）产生阻遏蛋白
与操纵基因结合，阻止 RNA聚合酶结合
进而阻止转录；有乳糖时，乳糖能与阻
遏蛋白结合，使其变构解离而行使转录
功能。如 图 6-2
? 而 LacZ基因可由 IPTG（异丙基硫代 - β-D-
半乳糖）诱导转录。 Lac启动子改建 如
图 6-3,6-4(a) (b)
Trp启动子
? 色氨酸启动子（ Trp）的阻遏蛋白在有色
氨酸时，二者结合，阻遏蛋白变构激活
而与启动子结合，阻止 RNA聚合酶的转
录。无色氨酸时，阻遏解除，因 β-吲哚
丙烯酸是色氨酸的竞争性抑制剂，常用
作诱导剂，诱发色氨酸启动子转录。
（如 图 6-5） 同时，衰减子对 Trp转录也
有调节作用（如 图 6-6）
Tac启动子
? Tac启动子是由 Trp启动子和 Lac启动子构
建而成的杂合启动子,-35区为 Trp启动子
顺序,-10为 LacUV5启动子顺序，二者之
间距离为 16bp者为 pTrc,17bp者为 pTac。
该启动子只需用 IPTG诱导转录即可。如
图 6-7
噬菌体的 PL和 PR启动子
? PL为 λφ左向启动区,PR为右向转录启动
区，与 CI阻遏蛋白结合，可抑制 OL或 OR
转录，但 CI在 42℃ 诱导转录（如 图 6-8）。
脂蛋白启动子（ LPP）
? 脂蛋白为细胞外膜蛋白，细菌中含量高，
该启动子表达效率高，由信号肽可将基
因表达产物分泌到胞外，常用来构造分
泌型表达载体。
起始密码子的结构特征
基 因
位于单链区域
位于碱基配对区域
蛋白产量的相对浓度
D
是
否
876
K
是
否
476
U
是
否
375
V
是
否
265
MU
3
是
否
236
A
否
是
1
C
否
是
18
H
是
否
12
L
否
是
44
M
否
是
14
J
是
否
13
达调控
? 第一节 基因表达的概述和基本条件
? 第二节 在大肠杆菌中影响外源基因
表达的因素
第一节 基因表达的概述和
基本条件
? 一、基因表达的基本概念
? 二、基因表达的基本条件
? 三、真核基因在原核细胞中表达及调控
第二节 在大肠杆菌中影响
外源基因表达的因素
? 一,启动子结构对表达效率的影响
? 二,表达载体的选择
? 三,外源基因（ cDNA）中密码子的作用
? 四,mRNA的一级结构与基因表达
? 五,mRNA的二级结构对翻译起始的影响
? 六,mRNA稳定性的影响
? 七、转录终止区对外源基因表达效率的影响
? 八、转录后的若干因素与基因表达的关系
? 九、宿主选择对表达的影响
? 十、培养条件的控制对表达效率的影响
一、基因表达的基本概念
生物体的遗传信息都是以核苷酸序列
编码的形式储存在遗传物质 DNA上,基因
表达是目的基因 DNA在导入的细胞内转
录成 mRNA,再以 mRNA指导翻译成蛋白
质 。 基因的表达依赖于有效的转录和
mRNA的正确翻译以及翻译后的加工处
理等各个环节的调节作用, 其中转录最
为关键, 原核的基因表达过程和方式与
真核细胞有显著不同 。
二、基因表达的基本条件
? 1,外源基因插入序列必须保持正确的方向和阅读框架 。
其遗传密码不得缺失, 遗漏, 或错位及错码 。 否则会
导致编码错误的蛋白质分子, 特别是目的基因序列内
部应不含两端酶切位点的识别序列 。
? 2,插入的外源基因必须放在原核的启动子控制之下,
也就是使原核的 RNA聚合酶能够识别插入的基因 。
? 3,外源基因必须能在大肠杆菌中进行有效转录 （ 如无
内含子 ）, 转录后的 mRNA在菌体必须相当稳定, 并
且能有效地进行翻译, 转译的蛋白分子在菌体内不致
于受菌体蛋白酶的降解 。
三、真核基因在原核细胞中表达及调控
? 真核基因在原核细胞中表达及调控的特
点
? ㈠ 有效转录及其调控元件
? ㈡ 正确转译
? ㈢ 原核表达载体的构建
㈠ 有效转录及其调控元件
? 1,RNA聚合酶
? 2,启动子及其转录作用的启动（ 启动子
的概念, 分类 ）
? 3.转录作用的终止
? 4,转录的弱化作用
㈡ 正确转译
? 1.起始密码子 （ intiqtion codon,initiator）
? 2.核糖体结合位点 （ RBS，又称 SD序列）
㈢ 原核表达载体的构建
? 原核表达载体的构建的要求
? 1.表达载体类型
? 2.表达载体的举例
? 3.包涵体表达载体
启动子
? ⑴ 乳糖启动子（ Lac）
? ⑵ Trp启动子
? ⑶ Tac启动子
? ⑷ 噬菌体的 PL和 PR启动子
? ⑸ 脂蛋白启动子（ LPP）
启动子结构对表达效率的影响
? 启动子 -35区和 -10区序列与通用转录序列
一致，间距为 17 bp，大于 17bp效果差，
不同产物选用不同启动子，如尿激酶用
ptac,IL2/2FU-V用 PRPL启动子效果好。
表达载体的选择
? 载体分子量不宜过大，以 2.5-5.6kb为佳，
高拷贝，不同产物选用不同类型表达载
体。
外源基因（ cDNA）中密码子
的作用
? 细菌中基因表达对密码子有偏爱性，不
偏爱的稀有密码子（ AGA,AGG）表达
效果差，特别当有 AGA-AGG连续序列存
在时表达效率低
mRNA的一级结构与基因表达
1,启始密码子：表达效率
AUG>GUG>UUG
2,SD序列：较长的效率高，如
UAAGGAGG比 AAGAA高三倍； SD序
列与 AUG间距一般 6-12bp,4-10bp较佳，
9bp最佳； SD序列的 5’非翻译区，若有
5’-UGAUCU，则有增强作用。
mRNA的二级结构对翻译起始
的影响
? mRNA形成二级结构时，可产生茎环。
若 SD序列,AUG位于茎环内或发夹内，
转译受抑制；在茎环外则有利于转译。
见 表 6-1
mRNA稳定性的影响
? REP序列可阻止 mRNA降解，偏爱密码子
也起保护作用。
真核基因在原核细胞中表达及调控的
特点
1,只有一种 RNA聚合酶
2,以操纵子为单位来完成基因转录
3,基因转录无 RNA剪接功能
4,因无核仁、核膜，核酸均为裸露的，转录与
翻译是连续进行的
5,转录产物在多聚核糖体上合成，同时合成多
条肽链
6,有特有 SD序列，调控 mRNA与核糖体有效结
合和翻译的起始
7,无糖基化功能
RNA聚合酶
? 原核细胞只有一种 RNA聚合酶，当其核
心酶与 σ因子结合，形成全酶后，才能识
别 DNA上的启动子进行转录。
启动子的概念
? 启动子是位于结构基因上游，转录起始
调控所必需的一段 DNA序列，内含 -35区
（与 σ因子结合）和 -10区（和核心酶结
合）的保守序列。当启动子与全酶结合
后可在 +1转录起始点开始转录，如 图 6-1。
转录作用的终止
? 由转录终止子发挥作用，凡能使转录终
止的有关的 DNA的序列称终止子。
? 强终止子：不依赖 ρ因子发挥终止作用，
回文序列中 G/C配对多，有四个以上 U，
致使 RNA聚合酶构象改变而终止转录。
如 图 6-9,如 图 6-10
? 弱终止子：依赖 ρ因子发挥终止作用。如
图 6-11
转录的弱化作用
? 转录的弱化作用使转录没有到达终止信
号处而中途停止转录，使 mRNA转录发
生部分停止，而不是发生全部停止。
起始密码子
? 起始密码子是编码多肽链第一位氨基酸
的密码子 AUG（或 ATG），编码甲硫氨
酸（蛋氨酸）。在细菌中也有罕见的起
始密码子 GUG，编码缬氨酸。其起始表
达作用 AUG＞ GUG。
核糖体结合位点
? 转录 mRNA的 AUG上游具有的，能与核
糖体发生有效结合和转译所需要的序列
（ RBS），长度为 3-9bp，距 AUG3-11bp，
它与 16srRNA3’末端（ AUUCCUCCAC-
DAG-5’）互补其互补程度,SD与 AUG间
距等与转译效果有关。 如图
表达载体类型
? 表达载体的类型主要有四种,
1,非融合型表达载体，如 PKK223-3 如 图 6-14
2,分泌型表达载体，如 PINⅢ -ompA1 如 图 6-15
3,融合蛋白型表达载体，如 PGEX 如 图 6-16
4,包涵体型表达载体，如 pBV220 如 图 6-17
原核表达载体的构建的要求
? 完整的表达载体（质粒）应有强启动子
（ P）、终止子（ T）、多个酶切位点、
有抗性标记、复制子和 RBS的 SD序列。
（如 图 6-13）还应结合考虑：质粒的拷
贝能力和稳定性，转译蛋白的表达形式
和存放地点（分泌型 /包涵体 /融合蛋白），
蛋白质的分子量、性质和稳定性以及选
择合适宿主细胞。
乳糖启动子（ Lac）
? 无乳糖时，调节基因（ I）产生阻遏蛋白
与操纵基因结合，阻止 RNA聚合酶结合
进而阻止转录；有乳糖时，乳糖能与阻
遏蛋白结合，使其变构解离而行使转录
功能。如 图 6-2
? 而 LacZ基因可由 IPTG（异丙基硫代 - β-D-
半乳糖）诱导转录。 Lac启动子改建 如
图 6-3,6-4(a) (b)
Trp启动子
? 色氨酸启动子（ Trp）的阻遏蛋白在有色
氨酸时，二者结合，阻遏蛋白变构激活
而与启动子结合，阻止 RNA聚合酶的转
录。无色氨酸时，阻遏解除，因 β-吲哚
丙烯酸是色氨酸的竞争性抑制剂，常用
作诱导剂，诱发色氨酸启动子转录。
（如 图 6-5） 同时，衰减子对 Trp转录也
有调节作用（如 图 6-6）
Tac启动子
? Tac启动子是由 Trp启动子和 Lac启动子构
建而成的杂合启动子,-35区为 Trp启动子
顺序,-10为 LacUV5启动子顺序，二者之
间距离为 16bp者为 pTrc,17bp者为 pTac。
该启动子只需用 IPTG诱导转录即可。如
图 6-7
噬菌体的 PL和 PR启动子
? PL为 λφ左向启动区,PR为右向转录启动
区，与 CI阻遏蛋白结合，可抑制 OL或 OR
转录，但 CI在 42℃ 诱导转录（如 图 6-8）。
脂蛋白启动子（ LPP）
? 脂蛋白为细胞外膜蛋白，细菌中含量高，
该启动子表达效率高，由信号肽可将基
因表达产物分泌到胞外，常用来构造分
泌型表达载体。
起始密码子的结构特征
基 因
位于单链区域
位于碱基配对区域
蛋白产量的相对浓度
D
是
否
876
K
是
否
476
U
是
否
375
V
是
否
265
MU
3
是
否
236
A
否
是
1
C
否
是
18
H
是
否
12
L
否
是
44
M
否
是
14
J
是
否
13
