基因表达调控

Gene Regulation

所有体细胞拥有相同基因，但开关哪些基因决定了细胞类型。大肠杆菌的lac操纵子只在有乳糖、无葡萄糖时才制造乳糖分解酶，以节省能量。真核生物在转录前后到翻译的多阶段进行调控，表观遗传也参与表达。用乳糖和葡萄糖按钮切换组合，确认lac操纵子何时为ON。

为什么相同DNA的细胞却各不相同?

🤔 皮肤细胞 vs 脑细胞

①人类所有体细胞共享相同的约2万个基因

②但皮肤细胞造角蛋白、红血球造血红蛋白

③秘密:哪些基因"开关"决定细胞身份

④基因表达调控 = 选择性激活所需基因的机制

⑤这就是"分化(differentiation)"的核心原理

原核生物 — lac操纵子模型

🧬 大肠杆菌的智能节能

①大肠杆菌最爱葡萄糖(最高效的能源)

②仅当有乳糖时才造乳糖酶 — 节能!

③有葡萄糖时即使有乳糖也不造乳糖酶

④此调控系统就是"lac操纵子"

lac操纵子ON条件

乳糖✓ + 葡萄糖✗ → 阻遏蛋白失活 → 转录ON

两个条件都满足才有基因表达

lac操纵子状态表

Chart乳糖/葡萄糖组合下的表达

乳糖	葡萄糖	lac操纵子	原因
✗	✗	OFF	不需要乳糖 → 阻遏蛋白封锁操纵基因
✗	✓	OFF	使用葡萄糖 → 不需要乳糖酶
✓	✓	OFF	优先使用葡萄糖(代谢物阻遏)
✓	✗	ON	只有乳糖 → 必须分解!

操纵子的组成

操纵子组成

Listlac操纵子各部分作用

调节基因

持续表达,产生阻遏蛋白

编码阻遏蛋白

启动子

RNA聚合酶在此结合启动转录

RNA聚合酶结合位点

操纵基因

开关 — 被封锁则无法转录

阻遏蛋白结合位点

结构基因(Z、Y、A)

Z=β-半乳糖苷酶、Y=透过酶、A=转乙酰基酶

编码乳糖酶

真核生物基因调控 — 多级系统

🏗️ 原核 vs 真核:调控复杂度不同

①原核:一个操纵子ON/OFF(简单开关)

②真核:DNA→mRNA→蛋白质各阶段调控

③内含子/外显子结构、组蛋白包装等额外调控

④这使多细胞生物的复杂分化成为可能

转录水平调控

转录因子+启动子 → RNA聚合酶结合 → 转录起始

转录因子是基因表达的核心开关

调控级别

List真核生物基因表达调控的层次

转录前

染色质结构变化 → 基因可及性

DNA甲基化、组蛋白修饰

转录水平

最重要的调控级别

转录因子、增强子、沉默子

转录后

内含子去除、选择性剪接 → 一个基因产生多种蛋白

mRNA加工(剪接)

翻译水平

mRNA寿命 → 蛋白产量

miRNA对mRNA的降解

翻译后

蛋白活性/降解调控

蛋白磷酸化、泛素化

表观遗传

DNA甲基化、组蛋白乙酰化 → 序列不变也能改变表达

环境可改变基因表达(可遗传!)

例题与真题检验

例题 1

大肠杆菌的lac操纵子中，乳糖分解酶在什么条件下产生最旺盛?(用乳糖与葡萄糖的有无作答)

只有存在乳糖，阻遏蛋白才会脱离，转录才能开始。

若有葡萄糖，大肠杆菌优先利用葡萄糖，于是乳糖酶的生产被抑制(葡萄糖效应)。

▸ 有乳糖 + 无葡萄糖

两个条件同时满足，lac操纵子才会ON。有葡萄糖时即使有乳糖也几乎不产酶。

例题 2

当培养基中加入乳糖时，lac操纵子发生了什么使转录开始?

平时阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻挡RNA聚合酶前进。

乳糖(诱导物)结合阻遏蛋白后使其构象改变而脱离操纵基因，RNA聚合酶随即转录结构基因。

▸ 乳糖结合阻遏蛋白 → 阻遏蛋白脱离操纵基因 → 转录开始

操纵基因是开关，阻遏蛋白是压在上面的锁。乳糖把锁打开。

高考类型题

关于原核生物lac操纵子的说法，正确的是?

①葡萄糖丰富时会大量产生乳糖分解酶

②操纵基因是RNA聚合酶结合的部位

③阻遏蛋白由调节基因产生

④没有乳糖时结构基因转录旺盛

⑤真核生物也用lac操纵子调节基因

▸ ③ 阻遏蛋白由调节基因产生

调节基因持续表达产生阻遏蛋白，该蛋白封堵操纵基因。

葡萄糖多时产酶受抑(①)，RNA聚合酶结合的是启动子(②)，无乳糖时转录被抑制(④)，操纵子调节是原核生物的方式(⑤)。

总结

基因调控的核心

相同DNA+不同表达 = 细胞分化

细胞共享同一基因组却变成不同细胞的原因

🎯 考试要点

①lac操纵子ON条件:乳糖✓+葡萄糖✗

②调节基因 → 阻遏蛋白生产 / 操纵基因 = 开关

③乳糖结合阻遏蛋白 → 离开操纵基因 → 转录开始

④真核:转录因子+启动子调控为核心(多级)

⑤表观遗传:DNA甲基化/组蛋白修饰 → 序列不变、表达变化