现代分子生物学与基因工程 节选
bsp; 前言
20世纪50年代，DNA双螺旋结构模型的提出，开启了现代分子生物学的新纪元。半
个世纪以来，分子生物学以空前的速度迅猛发展，已成为现代生命科学中发展*迅速、取得
成果*多的学科之一。分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分
子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达调控机理的
科学。分子生物学从分子水平上研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律，它涵盖了生
命科学的各个领域，改变了或正在改变着整个生物学的面貌，其研究成果已在工业、农业、
医药、食品、材料、能源、冶金、环保等领域得到了广泛的应用。
随着分子生物学的飞速发展，产生了许多其他技术。20世纪70年代，重组DNA技术
的发现标志着基因工程的诞生，使人们能够根据自己的意愿来操作基因、改造基因。基因工
程已经在基因工程药物、转基因植物、转基因动物等方面取得了喜人的成果，并且正在以新
的势头继续向前迅猛发展，成为当今生命科学研究中*具生命力、*引人注目的前沿学科
之一。
在生命科学的教学中，分子生物学是生命科学领域十分重要的专业基础课，基因工程是
分子生物学的重要应用，两者之间关系紧密。随着分子生物学和基因工程的发展，为适应高
等学校本科生课程体系和教学内容的需要，作者花费大量时间搜集、整理资料，参阅了大量
国内外文献，结合多年的教学、科研实践经验编著了本教材。全书分为现代分子生物学和基
因工程两篇，将分子生物学与基因工程内容有机融合在一起，适合综合、师范、医药、农林
类院校等生物科学、生物技术、生物工程、制药工程、食品工程等相关专业的本科生教学及
教师、科研人员参考。
本书内容丰富、取材新颖、简明扼要、条理清晰、语言简练，将基础性、前瞻性、系统
性与可读性有机统一，是指导本科生在有限时间掌握分子生物学和基因工程基础知识和技术
的理想教材。
本书**章由黑龙江大学李海英教授和齐齐哈尔大学邵淑丽教授撰写；第四章、第五
章、第七章、第十一章、第十二章由黑龙江大学杨峰山副教授撰写；第二章、第三章由黑龙
江大学于冰老师撰写；第六章、第十章、第十三章由黑龙江大学马春泉老师撰写；第八章、
第九章由黑龙江大学高传军老师撰写。全书由李海英教授、杨峰山副教授和邵淑丽教授负责
统稿。
由于现代分子生物学和基因工程发展迅速，专家学者们关注侧重点往往不同，因此本书
难以面面俱到，疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
李海英
2007年10月于黑龙江大学
第五章 基因表达调控
**节原核生物基因表达调控
一、概述
原核生物及单细胞真核生物在其生长繁殖过程，往往直接暴露在变化莫测的自然环境
中，其食物供应多样且无保障，因此只能随同环境条件的改变，来合成各种不同的蛋白质，
使其代谢过程能够适应环境的变化，维持自身的生存乃至繁衍。高等真核生物代谢途径以及
食物来源相对于原核生物而言比较稳定，但由于它们是多细胞的有机体，在个体发育过程中
出现细胞分化，形成各种组织和器官，不同的细胞所合成的蛋白质在质和量上是不同的。因
此，不论是真核细胞还是原核细胞，都必须有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制。
生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的，随着个体
的发育，DNA有序地将遗传信息通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化
功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)对
这个过程的调节就称为基因表达调控(regulation of gene expression or gene contr01)。对于
原核生物，以营养状况(nutritional status)和环境因素(environmental factor)为主要的
基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育
阶段(developmental stage)是基因表达调控的*主要手段和体现，而营养和环境因素的影
响力大为下降。
(一)细菌细胞对营养的适应
为了生存，细菌必须能够适应广泛变化的环境条件。这些环境条件包括营养、水分、溶
液浓度、温度、pH等。而这些条件又必须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞的生长
繁殖提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。一般细菌如大肠杆菌所需的碳源首先是
葡萄糖，利用葡萄糖发酵获得能量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可以利用其他糖类
(如乳糖)作为碳源维持生存。
(二)结构基因和调节基因
结构基因(structural gene)是编码蛋白质或功能RNA的基因。细菌的结构基因一般成
簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或者都不表达。结构基
因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活
性的酶和各种调节蛋白等。调节基因(regulator gene)是编码合成那些参与基因表达调控的
RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控
制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强
基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基
因。它们通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。
(三)正调控与负调控
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合启动子
及RNA聚合酶后，转录才会进行。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(re—
pressor)，阻止结构基因转录，其作用部位是操纵区，它与操纵区结合转录受阻。
(四)可诱导的操纵子(inducible operon)与可阻遏的操纵子(repressible operon)
根据操纵子对于能调节它们表达的小分子的应答反应的性质，可将操纵子分为可诱导的
操纵子和可阻遏的操纵子两大类。在可诱导的操纵子中，加人这种对基因表达有调节作用的
小分子后，则开启基因的转录活性。这种作用及其过程叫做诱导(induction)。产生诱导作
用的小分子物质叫做诱导物(inducer)。在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用
的小分子物质后，则关闭基因的转录活性。这种作用及其过程叫做阻遏(repression)。产生
阻遏作用的小分子物质叫做辅阻遏物(corepressor)。
二、转录水平调控
细菌能随环境的变化迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实
例。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。针对大肠杆
菌利用乳糖的适应现象，法国的Jacob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，
于1961年提出乳糖操纵子学说，这个模型是人们在科学实验的基础上**次开始认识基因
表达调控的分子机理。
(一)乳糖操纵子(1actose operon)
1．组成与结构
大肠杆菌的乳糖操纵子长约5 000个碱基对，是目前对操纵子研究*详尽的例子，也是
研究转录水平调控规律的基本模式。大肠杆菌乳糖操纵子有3个与乳糖分解代谢相关的结构
基因，即lacZ、lacy和lacA，在乳糖操纵子中成簇排列，编码的3种酶可催化乳糖的分解，
产生葡萄糖和半乳糖。大肠杆菌的乳糖操纵子结构如图5—1所示。
三个结构基因的功能如下：lacZ基因编码β-半乳糖苷酶，为500kD的四聚体构成。在
分解代谢中可水解乳糖的半乳糖苷键，从而产生半乳糖和葡萄糖。lacy基因编码口一半乳糖
苷透性酶，这种酶是一种分子质量为30kD的膜结合蛋白，它构成了转运系统，负责将半乳
糖转运到细胞中。lacA基因编码β一半乳糖苷乙酰转移酶，其功能是将乙酰辅酶A上的乙酰
基转移到于半乳糖苷上。
除此之外，乳糖操纵子还包括处在结构基因上游的调节基因lacI。lacZ、l盯y、lacA
基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制的。lacI一般和结构基因相邻，但其
本身有自己的启动子和终止子而形成独立的转录单位。乳糖操纵子的阻遏蛋白是由4个亚基
组成的四聚体，主要结合在结构基因lacZ、lacY和lac A上游的操纵基因(1acO)，阻止启
动子的转录起始，对操纵子形成负调控(negative regulation)。
2．乳糖操纵子的调控机制
当培养基中没有乳糖时，调节基因编码的阻遏蛋白结合到操纵基因上，阻止了结构基因
的表达。将大肠杆菌转到乳糖培养基中时，由于诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位，引
起阻遏蛋白构象改变，而不能结合到操纵基因上，操纵子被诱导表达。在这个系统中的诱导
物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分异构体——异乳糖。乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化
成了异乳糖(图5—2)。
3．小分子效应物的作用
细菌要能在营养供给千变万化的自然环境中生存下来，就必须对环境的变化做出迅速的
反应，并具备可交换不同代谢底物的能力。因此当缺乏底物的时候，细菌就阻断相关酶的合
成途径，但同时也留有余地，当底物存在之时可立刻快速大量地合成相关酶类。这种机制反
映在原核生物的操纵子上，即是通过调节蛋白与小分子物质相互作用达到诱导状态或阻遏状
态。这些小分子或是代谢途径的底物或是产物，属于基因表达的调节物质，称为效应物。细
菌细胞有两种类型的效应物，简述如下：
(1)诱导物在自然状态下有些阻遏蛋白一般结合在DNA分子上，当诱导物缺乏时，
阻遏蛋白与操纵基因牢固结合，阻止RNA聚合酶进入启动子区域，操纵子被关闭，结构基
因不能转录。当有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，促使后者空间构象变化，使阻遏
蛋白与操纵基因亲和力下降而解离下来，RNA聚合酶能够进入启动子区域，开启了结构基
因的转录表达。
(2)辅阻遏物 有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，在自然状态下操纵子是
开放的。能正常表达，当细胞中有辅阻遏物存在时，它可以结合到阻遏蛋白分子上，提高阻
遏蛋白与操纵基因的亲和性。
