第 六 章
基因表达的调控
(Control of Gene Expression)
制作：李志红
概述 (Introduction)
D N A R N A 蛋 白 质复 制
转 录 翻 译
逆 转 录
R N A
复 制
–基因表达 (gene expression)--基因转录
及翻译的过程。
?rRNA,tRNA的合成属于基因表达
中心法则 (the central dogma)：
基因表达的 时间性及空间性
(temporal and spatial specificity)
? 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
– Hb (hemoglobin)
*α珠蛋白基因簇,δ（胚胎型）, α
*β珠蛋白基因簇,ε （胚胎型）,γ（胎儿
型）,β,δ
*δ2ε2 →α 2γ2 →α 2β2
空间特异性 (spatial specificity)
? 在个体生长全过程，某种基因产物在个
体按不同组织空间顺序出现
? 同形异位现象 (homeosis):
– 果蝇头部长触角部位长出脚来
– 同形异位盒基因 (homeobox),高度保守的一
段核苷酸序列（ 180bp）,控制胚胎发育的基
因
基因表达的方式 -1
? 管家基因与奢侈基因
– 管家基因（ housekeeping gene） --在
一个生物个体的几乎所有细胞中持续
表达的基因。
组成性基因表达 (constitutive gene
expression)
–奢侈基因（ luxury gene） — 只在特定
的细胞类型中表达的基因
基因表达的方式 -2
? 诱导和阻遏表达
– 诱导 （ induction） --可诱导基因 在特定环境
信号刺激下表达增强的过程。
* DNA损伤 → 修复酶基因激活
*乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
– 阻遏 （ repression） --可阻遏基因 表达产物水
平降低的过程
*色氨酸 — 色氨酸合成酶系
? 基因表达调控的生物学意义
–适应环境、维持生长和增殖
–维持个体发育与分化
? 基因表达调控的环节：
– 基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译
后加工
第一节 原核生物基因表达的调控
(Control of Prokaryotic Gene Exepression )
? 转录水平的调控 (control of transcription)
– 操纵子 (operon)：由调控区（启动子和操纵
基因）与信息区（结构基因）组成
? 翻译水平的调控 (control of translation)
转录水平的调控
3
5
5
3
′
′
′
′
不对称转录,DNA分子上一股可转录,另一股不
转录 ;模板链并非永远在同一单链上,
G C A G T A C A T G T C… …
……
5
5
3
3
′ ′
′′
DNA
C G T C A T GT A C A G
编码链
模板链
GC A GU A C A U GU C m R N A
转录
A l a- V al - H i s - V al… …N C 肽
翻译
5′… … 3′
转录水平的调控
? 影响转录的因素
– 启动子 (promoter)
* 启动子决定转录方向及模板链
T A G T G T A T T G A C A T G A T A G A A G C A C T C T A C T A T A T T C T C A A T A G G T C C A C G
A T C A C A T A A C T G T A C T A T C T T C G T G A G A T G A T A T A A G A G T T A T C C A G G T G C
- 3 5 - 1 0 +1
3′ 5′
5′ 3′
转录
m R N A A G G U C C A C G5′ 3′
模板链
编码链
?启动子有三个功能区：启始部位（ +1区）、结合部位
（ -10区）、识别部位（ -35区）
影响转录的因素
– 启动子决定转录效率
* 一致性序列,-35区,T82T80G78A65C54A95；
-10区,T80A95T45A60A50T96
* 强启动子与弱启动子；识别因子,ζ70
? ζ因子,ζ70
– ζ32,MW 32kD；控制 热休克蛋白 (heat
shock protein,Hsp)基因表达,-35区类似,-10
区不同
? 阻遏蛋白：转录水平 负调控,抑制 转录
影响转录的因素
? 正调控蛋白：促进转录
– CAP蛋白
– ntrC蛋白,氮代谢基因的激活蛋白，谷氨酰胺合成酶
? 倒位蛋白 (inversion protein)：位点特异性的重组
酶，沙门菌的 H1,H2鞭毛蛋白
? RNA聚合酶抑制剂：
– 严谨反应 (stringent response)：缺乏氨基酸，产生
pppGpp（魔斑 Ⅱ ）或 ppGpp （魔斑 Ⅰ ）,形成
ppGpp-RNApol复合物,RNA合成减少
? 衰减子
ntrC蛋白
倒位蛋白
转录的调控机制
? 乳糖操纵子调控的机制
? 阿拉伯糖操纵子的调控机制
? 色氨酸操纵子的调控机制
操纵子模型的提出
— 莫洛 (Monod)和雅各布 (Jacob)
获 1965年诺贝尔生理学和医学奖
Discovery of Operon
? 1940年,Monod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“二次生长曲线”。
? 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与
适应酶（诱导酶）。
? 1947年，报告：“酶的适应现象及其在
细胞分化中的意义”。
? 1951年,Monod与 Jacob合作。
? 发现两对基因：
– Z基因：与合成 β-半乳糖苷酶有关；
– I基因：决定细胞对诱导物的反应。
? Szilard,I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。
? Jacob：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。
lac
操纵子的结构与功能
? 操纵子 (operon),结构基因 (structural gene)、启动
子 (promoter,P)和操纵基因 (operator,O)。
? 阻遏物基因 (inhibitor,i),产生阻遏物 (repressor)。
I
结合阻遏物R N A 酶结合产生阻遏蛋白
操纵基因启动子阻遏物基因
结构基因
AYZ
OP
阻遏蛋白的 负性 调节
(negative control of repressor)
? 无乳糖 (no lactose),lac操纵子处于 阻遏
状态 (repression)
? 有乳糖 (presence of lactose) lac操纵子即
可被 诱导 (derepression,induction)
– 诱导剂 (inducer),别乳糖、半乳糖、
IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
乳糖操纵子 (lac operon)的调控方式
m R N A
β- 半乳糖苷乙酰转移酶
β- 半乳糖苷通透酶
β- 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
l a c AL a c YL a c ZOPi 基因
CAP cAMP
CAP-cAMP
R N A 聚合酶
阻遏蛋白
阻遏物
蛋白亚基
无诱导物时
l a c AL a c YL a c ZOPi 基因
CAP的 正性 调节
（ Positive Control of CAP）
? CAP(catabolite activator protein)—
分解代谢基因激活蛋白
–同二聚体
*DNA结合区
*cAMP(cyclic AMP)结合位点
C A P
P
O
T T T A C A
- 3 5 区
T A T G T T
- 1 0 区
C A P 位点
5 ′- A T T A A T G T G A G T T A G C T C A C T C A T T A G G - 3 ′
R 基因
- 3 5 - 1 0
0
C A P
c A MP
O
R N A 聚合酶结合
[无葡萄糖,
有葡萄糖,
c A M P
c A M P
( 促进转录 )
( 不促进转录 )
? 协调调节 (coordinate regulation)
– 负性调节与正性调节协调合作
*阻遏蛋白封闭转录时,CAP不发挥作用
*如没有 CAP加强转录，即使阻遏蛋白从 P上解
聚仍无转录活性
? ☆ 葡萄糖 /乳糖共同存在时，细菌优先利用
葡萄糖
–葡萄糖可降低 cAMP浓度，阻碍其与 CAP
结合从而抑制转录
? 结论,lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又
需缺乏葡萄糖
IPTG(异丙基硫代半乳糖苷 )
? 极强的诱导剂
阿拉伯糖操纵子 (The ara Operon)
? 结构基因为,B,A,D，分别编码异构
酶、激酶、表位酶
? 功能：催化阿拉伯糖转变为 5-磷酸木酮
糖，进入磷酸戊糖途径
? 特点：调节基因为 C基因，编码调控蛋白
C蛋白
ara
色氨酸操纵子 (The trp Operon)
? trp操纵子 — 阻遏型操纵子
trp 操纵子
? 无色氨酸 — 操纵子基因开始转录，此后转录速
率受转录 衰减机制 (attenuation)调节
– 结构基因与 O 之间有一衰减子区域 (a)
– 衰减子：有 4段特殊的序列，可形成不依赖 ρ
因子的转录终止信号
– 前导肽 (leader peptide,L)含两个相邻的 色氨
酸, 转录与翻译偶联
– RNA聚合酶脱落，转录终止
翻译水平的调控
? SD序列对翻译的影响
– SD序列 (Shine-Dalgarno sequence),mRNA起
始密码前的一 段富含嘌呤核苷酸的序列 。 (9-12bp)
5′-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3′
– SD序列的顺序及位置对翻译的影响
– mRNA二级结构隐蔽 SD序列的作用
mRNA二级结构隐蔽 SD序列
翻译水平的调控
? mRNA的稳定性,mRNA的降解速度受
细菌的生理状态、环境因素及 mRNA结
构的影响。
? 翻译产物对翻译的影响
? 小分子 RNA的调控作用
– mRNA干扰性互补 RNA（ micRNA)或反义
RNA (antisense RNA）
– 调整基因表达产物的类型
– 低水平表达基因的控制
micRNA
Tn10
真核生物基因表达的调控
? DNA水平的调控
? 转录水平的调控
? 转录后水平的调控
? 翻译水平的调控
? 翻译后水平的调控
真核基因组结构特点
? 真核基因组结构庞大 3× 109bp
? 单顺反子
? 含有大量重复序列
? 基因不连续性 内含子 外显子
? 非编码区较多 多于编码序列 (9:1)
多层次调控
失活
DNA水平的调控
? 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必
需的全部基因
? 基因扩增：增加基因的拷贝数
– 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：
原癌基因拷贝数异常增加
? 基因重排：
– 如免疫球蛋白基因重排，多样性
DNA水平的调控
? DNA甲基化：
– mCpG，即,CpG岛”
– 甲基化程度高，基因表达降低；
去甲基化：基因表达增加
? 染色质结构 对基因表达的调控：
转录水平的调控
? 最重要
? 顺式作用元件
? 反式作用因子
? 转录起始的调控
顺式作用元件
? 影响 自身基因 表达活性的 DNA序列
? 非编码序列
? 分启动子、增强子、沉默子
– 启动子
* TATA盒,-25bp
* 上游启动子元件 (upstream promotor
elements,UPE),CAAT 盒,-75bp； GC序列等
顺式作用元件
? 增强子：远离转录起始点（ 1~30kb），
增强启动子转录活性 DNA序列，与方向、
距离无关
? 沉默子：负性调节元件，起阻遏作用
顺式作用元件
增强子
反式作用因子 (trans-acting factor)
? 概念：为 DNA结合蛋白，核内蛋白，可
使邻近基因开放（正调控）或关闭（负
调控）
? 通用转录因子 — 结合在 TATA盒上的蛋
白质因子。
– TFⅡ A,TFⅡ B,TFⅡ D,TFⅡ E等
? 转录调控因子 — 结合在 UPE上的蛋白质
因子
反式作用因子特点
? 三个功能结构域,DNA识别结合域；转
录活性域；结合其他蛋白的结合域
? 能识别并结合顺式作用元件 (cis-acting
element)
? 正调控与负调控
功能
结构域
反式作用因子结构域的模式
? DNA结合域 (DNA- banding domain)
– 锌指结构 (zinc finger motif)
– 同源结构域 (homodomain,HD),螺旋 -回折 -
螺旋 (helix-turn-helix)
– 亮氨酸拉链 结构 (leucine zipper)
– 螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
– 碱性 α螺旋 (alkaline α-helix)
锌指结构
螺旋 -转角 -螺旋
基因表达的调控
(Control of Gene Expression)
制作：李志红
概述 (Introduction)
D N A R N A 蛋 白 质复 制
转 录 翻 译
逆 转 录
R N A
复 制
–基因表达 (gene expression)--基因转录
及翻译的过程。
?rRNA,tRNA的合成属于基因表达
中心法则 (the central dogma)：
基因表达的 时间性及空间性
(temporal and spatial specificity)
? 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
– Hb (hemoglobin)
*α珠蛋白基因簇,δ（胚胎型）, α
*β珠蛋白基因簇,ε （胚胎型）,γ（胎儿
型）,β,δ
*δ2ε2 →α 2γ2 →α 2β2
空间特异性 (spatial specificity)
? 在个体生长全过程，某种基因产物在个
体按不同组织空间顺序出现
? 同形异位现象 (homeosis):
– 果蝇头部长触角部位长出脚来
– 同形异位盒基因 (homeobox),高度保守的一
段核苷酸序列（ 180bp）,控制胚胎发育的基
因
基因表达的方式 -1
? 管家基因与奢侈基因
– 管家基因（ housekeeping gene） --在
一个生物个体的几乎所有细胞中持续
表达的基因。
组成性基因表达 (constitutive gene
expression)
–奢侈基因（ luxury gene） — 只在特定
的细胞类型中表达的基因
基因表达的方式 -2
? 诱导和阻遏表达
– 诱导 （ induction） --可诱导基因 在特定环境
信号刺激下表达增强的过程。
* DNA损伤 → 修复酶基因激活
*乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
– 阻遏 （ repression） --可阻遏基因 表达产物水
平降低的过程
*色氨酸 — 色氨酸合成酶系
? 基因表达调控的生物学意义
–适应环境、维持生长和增殖
–维持个体发育与分化
? 基因表达调控的环节：
– 基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译
后加工
第一节 原核生物基因表达的调控
(Control of Prokaryotic Gene Exepression )
? 转录水平的调控 (control of transcription)
– 操纵子 (operon)：由调控区（启动子和操纵
基因）与信息区（结构基因）组成
? 翻译水平的调控 (control of translation)
转录水平的调控
3
5
5
3
′
′
′
′
不对称转录,DNA分子上一股可转录,另一股不
转录 ;模板链并非永远在同一单链上,
G C A G T A C A T G T C… …
……
5
5
3
3
′ ′
′′
DNA
C G T C A T GT A C A G
编码链
模板链
GC A GU A C A U GU C m R N A
转录
A l a- V al - H i s - V al… …N C 肽
翻译
5′… … 3′
转录水平的调控
? 影响转录的因素
– 启动子 (promoter)
* 启动子决定转录方向及模板链
T A G T G T A T T G A C A T G A T A G A A G C A C T C T A C T A T A T T C T C A A T A G G T C C A C G
A T C A C A T A A C T G T A C T A T C T T C G T G A G A T G A T A T A A G A G T T A T C C A G G T G C
- 3 5 - 1 0 +1
3′ 5′
5′ 3′
转录
m R N A A G G U C C A C G5′ 3′
模板链
编码链
?启动子有三个功能区：启始部位（ +1区）、结合部位
（ -10区）、识别部位（ -35区）
影响转录的因素
– 启动子决定转录效率
* 一致性序列,-35区,T82T80G78A65C54A95；
-10区,T80A95T45A60A50T96
* 强启动子与弱启动子；识别因子,ζ70
? ζ因子,ζ70
– ζ32,MW 32kD；控制 热休克蛋白 (heat
shock protein,Hsp)基因表达,-35区类似,-10
区不同
? 阻遏蛋白：转录水平 负调控,抑制 转录
影响转录的因素
? 正调控蛋白：促进转录
– CAP蛋白
– ntrC蛋白,氮代谢基因的激活蛋白，谷氨酰胺合成酶
? 倒位蛋白 (inversion protein)：位点特异性的重组
酶，沙门菌的 H1,H2鞭毛蛋白
? RNA聚合酶抑制剂：
– 严谨反应 (stringent response)：缺乏氨基酸，产生
pppGpp（魔斑 Ⅱ ）或 ppGpp （魔斑 Ⅰ ）,形成
ppGpp-RNApol复合物,RNA合成减少
? 衰减子
ntrC蛋白
倒位蛋白
转录的调控机制
? 乳糖操纵子调控的机制
? 阿拉伯糖操纵子的调控机制
? 色氨酸操纵子的调控机制
操纵子模型的提出
— 莫洛 (Monod)和雅各布 (Jacob)
获 1965年诺贝尔生理学和医学奖
Discovery of Operon
? 1940年,Monod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“二次生长曲线”。
? 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与
适应酶（诱导酶）。
? 1947年，报告：“酶的适应现象及其在
细胞分化中的意义”。
? 1951年,Monod与 Jacob合作。
? 发现两对基因：
– Z基因：与合成 β-半乳糖苷酶有关；
– I基因：决定细胞对诱导物的反应。
? Szilard,I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。
? Jacob：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。
lac
操纵子的结构与功能
? 操纵子 (operon),结构基因 (structural gene)、启动
子 (promoter,P)和操纵基因 (operator,O)。
? 阻遏物基因 (inhibitor,i),产生阻遏物 (repressor)。
I
结合阻遏物R N A 酶结合产生阻遏蛋白
操纵基因启动子阻遏物基因
结构基因
AYZ
OP
阻遏蛋白的 负性 调节
(negative control of repressor)
? 无乳糖 (no lactose),lac操纵子处于 阻遏
状态 (repression)
? 有乳糖 (presence of lactose) lac操纵子即
可被 诱导 (derepression,induction)
– 诱导剂 (inducer),别乳糖、半乳糖、
IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
乳糖操纵子 (lac operon)的调控方式
m R N A
β- 半乳糖苷乙酰转移酶
β- 半乳糖苷通透酶
β- 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
l a c AL a c YL a c ZOPi 基因
CAP cAMP
CAP-cAMP
R N A 聚合酶
阻遏蛋白
阻遏物
蛋白亚基
无诱导物时
l a c AL a c YL a c ZOPi 基因
CAP的 正性 调节
（ Positive Control of CAP）
? CAP(catabolite activator protein)—
分解代谢基因激活蛋白
–同二聚体
*DNA结合区
*cAMP(cyclic AMP)结合位点
C A P
P
O
T T T A C A
- 3 5 区
T A T G T T
- 1 0 区
C A P 位点
5 ′- A T T A A T G T G A G T T A G C T C A C T C A T T A G G - 3 ′
R 基因
- 3 5 - 1 0
0
C A P
c A MP
O
R N A 聚合酶结合
[无葡萄糖,
有葡萄糖,
c A M P
c A M P
( 促进转录 )
( 不促进转录 )
? 协调调节 (coordinate regulation)
– 负性调节与正性调节协调合作
*阻遏蛋白封闭转录时,CAP不发挥作用
*如没有 CAP加强转录，即使阻遏蛋白从 P上解
聚仍无转录活性
? ☆ 葡萄糖 /乳糖共同存在时，细菌优先利用
葡萄糖
–葡萄糖可降低 cAMP浓度，阻碍其与 CAP
结合从而抑制转录
? 结论,lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又
需缺乏葡萄糖
IPTG(异丙基硫代半乳糖苷 )
? 极强的诱导剂
阿拉伯糖操纵子 (The ara Operon)
? 结构基因为,B,A,D，分别编码异构
酶、激酶、表位酶
? 功能：催化阿拉伯糖转变为 5-磷酸木酮
糖，进入磷酸戊糖途径
? 特点：调节基因为 C基因，编码调控蛋白
C蛋白
ara
色氨酸操纵子 (The trp Operon)
? trp操纵子 — 阻遏型操纵子
trp 操纵子
? 无色氨酸 — 操纵子基因开始转录，此后转录速
率受转录 衰减机制 (attenuation)调节
– 结构基因与 O 之间有一衰减子区域 (a)
– 衰减子：有 4段特殊的序列，可形成不依赖 ρ
因子的转录终止信号
– 前导肽 (leader peptide,L)含两个相邻的 色氨
酸, 转录与翻译偶联
– RNA聚合酶脱落，转录终止
翻译水平的调控
? SD序列对翻译的影响
– SD序列 (Shine-Dalgarno sequence),mRNA起
始密码前的一 段富含嘌呤核苷酸的序列 。 (9-12bp)
5′-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3′
– SD序列的顺序及位置对翻译的影响
– mRNA二级结构隐蔽 SD序列的作用
mRNA二级结构隐蔽 SD序列
翻译水平的调控
? mRNA的稳定性,mRNA的降解速度受
细菌的生理状态、环境因素及 mRNA结
构的影响。
? 翻译产物对翻译的影响
? 小分子 RNA的调控作用
– mRNA干扰性互补 RNA（ micRNA)或反义
RNA (antisense RNA）
– 调整基因表达产物的类型
– 低水平表达基因的控制
micRNA
Tn10
真核生物基因表达的调控
? DNA水平的调控
? 转录水平的调控
? 转录后水平的调控
? 翻译水平的调控
? 翻译后水平的调控
真核基因组结构特点
? 真核基因组结构庞大 3× 109bp
? 单顺反子
? 含有大量重复序列
? 基因不连续性 内含子 外显子
? 非编码区较多 多于编码序列 (9:1)
多层次调控
失活
DNA水平的调控
? 染色质的丢失：不可逆
– 核的全能性：细胞核内保存了个体发育所必
需的全部基因
? 基因扩增：增加基因的拷贝数
– 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：
原癌基因拷贝数异常增加
? 基因重排：
– 如免疫球蛋白基因重排，多样性
DNA水平的调控
? DNA甲基化：
– mCpG，即,CpG岛”
– 甲基化程度高，基因表达降低；
去甲基化：基因表达增加
? 染色质结构 对基因表达的调控：
转录水平的调控
? 最重要
? 顺式作用元件
? 反式作用因子
? 转录起始的调控
顺式作用元件
? 影响 自身基因 表达活性的 DNA序列
? 非编码序列
? 分启动子、增强子、沉默子
– 启动子
* TATA盒,-25bp
* 上游启动子元件 (upstream promotor
elements,UPE),CAAT 盒,-75bp； GC序列等
顺式作用元件
? 增强子：远离转录起始点（ 1~30kb），
增强启动子转录活性 DNA序列，与方向、
距离无关
? 沉默子：负性调节元件，起阻遏作用
顺式作用元件
增强子
反式作用因子 (trans-acting factor)
? 概念：为 DNA结合蛋白，核内蛋白，可
使邻近基因开放（正调控）或关闭（负
调控）
? 通用转录因子 — 结合在 TATA盒上的蛋
白质因子。
– TFⅡ A,TFⅡ B,TFⅡ D,TFⅡ E等
? 转录调控因子 — 结合在 UPE上的蛋白质
因子
反式作用因子特点
? 三个功能结构域,DNA识别结合域；转
录活性域；结合其他蛋白的结合域
? 能识别并结合顺式作用元件 (cis-acting
element)
? 正调控与负调控
功能
结构域
反式作用因子结构域的模式
? DNA结合域 (DNA- banding domain)
– 锌指结构 (zinc finger motif)
– 同源结构域 (homodomain,HD),螺旋 -回折 -
螺旋 (helix-turn-helix)
– 亮氨酸拉链 结构 (leucine zipper)
– 螺旋 -环 -螺旋 (helix-loop-helix,HLH)
– 碱性 α螺旋 (alkaline α-helix)
锌指结构
螺旋 -转角 -螺旋
