生物Ⅱ›基因与生物技术

基因表达调控

Gene Regulation

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

📊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

📋lac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

📋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!)
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