当前位置：文档之家 › 第十一章原核生物的基因表达调控

第十一章原核生物的基因表达调控

  • 格式：ppt
  • 大小：5.03 MB
  • 文档页数：82

下载文档原格式

  / 82

合集下载

基因表达与调控

基因表达与调控

假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulator protein)控制，只有在调控蛋白质与该基因的启动子位点结合时，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成RNA，基因就不能表达(图8－3)。 如基因的启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别启动子结构，该基因就不能表达；只影响基因本身的表达， 而不影响其它等位基因的调控突变。 调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合， 还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点 表达。
3. 激活子： 激活子(transcription activator):是一种与强化子结合的蛋白质，属于一种转录因子。 正激活子包括： 真激活子：与转录复合体接触激活转录； 抗阻遏物激活子：改变染色质结构（染色质重建） 与转录因子结合来提高转录效率。 负激活子：抑制转录的因子。
一些基因在所有细胞中都呈现活跃状态，为组成型表达，称为看家基因(house keeping gene)。 另一些基因则在不同细胞或组织中呈现高度表达，受到一定的调控，称为特异表达基因。
启动子和转录因子： 启动子(promoter)： 转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因上游某一固定位置，紧接转录起始点，是基因一个组成部分。 转录因子(transcription factor，TF) ：激活真核生物基因转录的一系列蛋白质。
一、原核生物的基因调控：
、转录水平的调控: 负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。 阻遏物与DNA分子结合阻碍RNA聚合酶转录使基因处于 关闭状态； 正调控：细胞中激活子激活基因转录过程的调控机制。 诱导物通常与蛋白质 结合 形成一种激活子 复合物 与基因启动子 DNA 序列结合 激活基 因起始转录 使基因处 于表达的状态。

分子生物学 第11章

分子生物学 第11章

反式作用因子从功能上分析，其结构可包含不同区 域：DNA结合域、转录激活域、连接区
（一）蛋白质直接和DNA结合
在DNA结合结构域中具有一些特殊结构基序： 1. 螺旋-转角-螺旋结构基序
2. 锌指结构基序
3. 螺旋-突环-螺旋结构基序
4. 亮氨基拉链结构基序
5. 碱性结构域 6. Β折叠
•基元，基序或模序（motifs or modules） •在许多蛋白质中，有两个或三个具有二级结构的肽 段在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象， 称为基序。有的将这种规则的二级结构的聚集体称 为超二级结构，它们可直接作为三级结构的“建筑 块”或域结构的组成单位，是蛋白质发挥特定功能 的基础。 •类型：αα、ββ、αβα、锌指结构、亮氨酸拉链…
第11章 真核生物的基因表达调控
真核生物基因表达与调控与原核生物有很大不同
•原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接 触，它们主要通过转录调控，以开启或关闭某些基 因的表达来适应环境条件（主要是营养水平的变 化），故环境因子往往是调控的诱导物。 •而大多数真核生物，基因表达调控最明显的特征时 能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从 而实现“预定”的，有序的，不可逆的分化和发育 过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范 围内保持正常的生理功能。
1. 螺旋-转角-螺旋（Helix-turn-helix, HTH)
•HTH是第一个被确立的DNA结合结构。 很多细菌的调节蛋白是以螺旋-转角-螺旋这种基序 存在，如Lac阻遏蛋白，Trp阻遏蛋白、分解代谢激 活蛋白（CAP），λ噬菌体阻遏蛋白（Cro），噬菌 体434阻遏蛋白。在酵母中涉及交配型的a1和a2蛋 白以及在高等真核生物中的Oct-1和Oct-2也属于此 类型。

原核生物基因表达调控分析

原核生物基因表达调控分析

Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基 因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)

分子生物学：真核基因表达调控

分子生物学：真核基因表达调控
第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓 部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元
件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。

《原核生物基因表达调控》练习题及答案

《原核生物基因表达调控》练习题及答案

《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。

这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。

2.组成性基因表达答案：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。

其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。

3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。

这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。

4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。

5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。

6.反式作用因子答案：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。

它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。

7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。

8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。

根据首次识别其功能意义的科学家命名。

9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。

在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调 控负转录调控。
2）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导

原核生物基因表达的调控


操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。

分子生物学 第十一章 原核基因表达的调控

二聚体， 45KD， 由crp编码
被cAMP激活 结合位点～22bp I -70 ~ -50
II -50 ~ -40
结合位点序列保守 不同基因受cAMP激活的水平不同
3 CAP的结合对DNA构型的影响
DNA弯曲 弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心 弯曲使CAP能与启动子上的RNA pol 接触
Summary
CA
B A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
Summary of lac operon regulation
Glucose High High Low Low
cAMP Low Low High High
Lactose Absent Present Absent Present
• 加入CAP，转录
• lac UV-5突变， -10区 TATGTT → TATAAT 在无CAP时，转录
• DNA topI 突变，降低起始转录对CAP的依赖
cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC 区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降 低，促进开放型启动子复合物的形成
9 原核生物基因表达的调控
9.1 基因表达概述 9.2 操纵元控制理论 9.3 基因转录的时序调控 9.4 转录后加工的调控 9.5 翻译水平的调控
孙朱乃玉恩贤
9.1 基因表达概述
9.1.1 生物遗传信息
9.1.1.1 C值矛盾 C value paradox
Genome DNA
10%; 结构基因的编码序列
triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列…
基因选择性表达指令 重要的遗传信息
.9.1.1.2 遗传信息的两大类别

第十一章 目的基因的表达

➢ 目的基因在宿主细胞中的表达包括转录和翻译两个环 节，它是在一系列酶蛋白和调控序列的共同作用下完 成的。
第一节 目的基因表达的机制
一、 目的基因的起始转录及mRNA的延伸
外源基因的起始转录是基因表达的关键步骤。转录起始 的速率是基因表达的限速步骤。选择可调控的启动子和相关 的调控序列，是构建一个表达系统首先要考虑的问题。
➢启动子的强度主要决定于启动子的结构组成。在原核 细胞中，启动子DNA序列中两个高度保守区域是必需的 （-10区和-35区）。但是启动子DNA序列中保守性较差 部分和两个保守区之间的核苷酸数量也影响启动子的效 率。
主要因素有以下几点： （1）SD序列与rRNA的16S亚基3'末端序列之间的互补 程度，是影响翻译效率的主要因素。 （2）起始密码AUG与SD序列之间的距离以及SD序列 的核苷酸组成对翻译能力的影响。 （3）起始密码子之后的一个核苷酸对mRNA与核糖体 的结合的影响。 （4）基因末端转录终止区的影响。
第十一章 目的基因的表达
1. 目的基因表达的机制 2. 目的基因表达的制约因素 3. 目的基因表达系统
➢ 基因重组的主要目的是要使目的基因在某一细胞中能 得到高效表达，即产生人们所需要的高产目的的基因 产物，如蛋白质、多肽类生物药物。
➢ 基因工程技术的核心是基因表达技术。到目前为止， 已构建了多种基因表达系统，包括原核生物基因表达 系统和真核生物基因表达系统，不同表达系统具有各 自特点。
有的载体的启动子后接有SD序列，而另一些载体的启动 子后没有接SD序列，那么则需要目的基因上游带进SD序列。
若在大肠杆菌中表达真核基因或本身所含核糖体结合位 点较弱的原核基因，则必须从外部同时提供启动子和有效的 核糖体结位点。
•翻译起始密码子

生物学原核生物基因表达的调控

目录
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

部分核开关的结构
枯草杆菌控制TPP 合成和运输的核开关的结构及其作用机制
原核生物的CRISPR 系统
CRISPR 意思是“成簇有规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）
CRISPR 区域实际上是一种存储外来病毒序列的记忆库。它由许 多不同的病毒序列和相同的重复序列交替排列组成。CRISPR 系 统提供了对任何含有相同和相近序列的病毒的防护。
重
组
对
基
fljC
因
的
表
fljC
达
调
控
鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
fljC蛋白
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控水平
一．在DNA水平上的调控 二. 在转录水平上的调控 1. 转录起始水平上的调控 2. 转录终止水平上的调控 三. 在翻译水平上的调控
在转录水平的调控
转录起始阶段的调控 1. 不同σ因子的选择性使用 2. 操纵子调控模型 3. 几种重要的操纵子
操纵子模型认为：一些功能相关 的结构基因成簇存在，构成所谓的
多顺反子，它们的表达作为一个整
体受到控制元件的调节。控制元件
由启动子、操纵基因和调节基因组
成。调节基因编码调节蛋白，与操 作子结合而调节结构基因的表达。
在转录水平的调控
转录起始阶段的调控 1. 不同σ因子的选择性使用 2. 操纵子调控模型 3. 几种重要的操纵子
大肠杆菌半乳糖操纵子模型
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
乳糖操纵子的正调控
葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环 境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵 子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能 解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说 明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但 还不是充要条件。
CRISPR 系统中的蛋白质，即CRISPR 相关蛋白（CAS 蛋白）具 有两个功能：一是利用存储的序列信息，去识别入侵的病毒基因 组并摧毁它们；二是参与获得和储存病毒的序列片段，这一过程 还不清楚。
CAS 蛋白由位于CRISPR 序列上游的基因编码。CRISPR 区作为 一个整体先被转录，然后被CAS 蛋白在每一个重复序列的中间切 开，产生单个病毒特异性片段。如果其中的某一个片段可以和外 来入侵的病毒DNA 或RNA 互补配对，CAS 蛋白就可以将病毒的 DNA 或RNA 降解。
糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、
araA和araD的顺序排列，简称为araBAD，共同 受araC基因的产物AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子的调 节蛋白既是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。
阿拉伯糖操纵子结构
阿拉伯糖操纵子的阻遏和激活
大肠杆菌的色氨酸操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子的结构
1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的 启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相 反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白
1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间， 为阻遏蛋白结合的位点
1个启动子（Plac）
3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-半
植物的生长发育历程
动物的生长发育
不同环境的影响
短日照植物
长日照植物
第十一章 原核生物的 基因表达调控
调节型基因 组成型基因（看家基因，管家基因）
基因表达调控的两种方式
基因的表达模式都可根据控制的效 果分为正调控和负调控。如果是在 转录水平的调控，这两种调控模式 一般都涉及到特定的调节蛋白与 DNA特定序列之间的相互作用。一 般将与调节蛋白结合的特定DNA序 列称为顺式作用元件，而对于原核 生物来说，这样的顺式作用元件经 常被称为操纵基因。
原核生物基因表达的调控多以操 纵子为单位进行，将功能相关的 基因组织在一起。
操纵子就是由启动子、操纵基因 以及相邻的若干结构基因组成的 功能单位，其中结构基因受操纵 基因所控制。
操纵子中的全部结构基因从同一 个启动子开始转录成单个mRNA 分子。
如果是负调控，则在没有调节蛋白 或者调节蛋白失活的情况下，基因正 常表达。一旦存在调节蛋白或者调节 蛋白被激活，基因则不能表达。因此 ，负调控中的调节蛋白被称为阻遏蛋 白； 如果是正调控，则在没有调节蛋白 或者调节蛋白失活的情况下，基因不 表达或者表达量不足。一旦有调节蛋 白或者调节蛋白被激活，基因才能表 达或者大量表达。因此，正调控中的 调节蛋白被称为激活蛋白。
htpR
σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控
σ43 σ43
σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系
在转录水平的调控
转录起始阶段的调控 1. 不同σ因子的选择性使用 2. 操纵子调控模型 3. 几种重要的操纵子
转录终止阶段的调控 1. 抗终止作用 2. 弱化
操纵子模型
第一个被阐明的基因表达调控系统是 由法国巴斯德研究所的Francois Jacob 和Jacques Monod于1962年提出来的大 肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实 证明，大多数原核生物的基因表达调 控都采取这种方式，尽管真核细胞没 有操纵子的结构，但模型中的一些基 本原理也适用于真核生物。
不同类型启动子与基因表达之间的关系
组成型启动子
一般与一致序 列相同或相近
恒定的转录速 率
可能不受其它 形式的调控
弱启动子
强启动子
缺乏一个或多个 与一致序列相 一致序列元件 同或接近
低转录速率 高转录速率
经常需要激活蛋 经常受到阻遏 白
fljB
fljB
fljC
fjA
DNA
fljB
fljB
fljB
fljC
分解代谢操纵子和合成代谢操纵子比较
大肠杆菌色氨酸操纵子的结构与功能
由一个启动子、一个操纵基因、一个前导肽编码基
因（trpL）和5个结构基因（trpE、trpD、trpC、 trpB、trpA）以及一个调节基因（trpR）组成。结构
基因编码将莽草酸转化为色氨酸的关键酶。trpR编 码阻遏蛋白，它距结构基因的距离较远。 当色氨酸含量低时，阻遏蛋白没有结合DNA的活性。 这时，操纵基因区域便可以同RNA pol结合，转录 得以进行，表达参与色氨酸合成的基因，补充细胞 内色氨酸的含量；当色氨酸充足时，它作为辅阻遏 物同阻遏蛋白结合后，会引起阻遏蛋白构象变化， 使其能够同操纵基因结合，阻遏色氨酸合成基因的 转录。色氨酸合成途径的终产物会通过阻遏转录的 进行抑制该途径酶的合成。
色氨酸操纵子模型
RNA开关（核开关）
在许多细菌（包括某些真核生物）内，发现一 些特殊的双功能mRNA在非编码区含有特定代 谢物的特异性结合位点，充当基因表达的开关， 代谢物的结合改变了mRNA的构象，结果要么 提高转录的终止效率，要么降低翻译的效率， 要么影响到mRNA的后加工，从而改变一个基 因的表达。RNA 开关或核开关就是指这一类 特殊的mRNA。核开关能直接检测到细胞内一 些重要的小分子代谢物的水平，并根据细胞的 生理需要打开或关闭相关基因的表达。
转录终止阶段的调控 1. 抗终止作用 2. 弱化
不同σ因子的选择性使用
细菌识别启动子序列的是σ因子。不同的σ因子 可识别不同的启动子序列，E. coli主要使用σ70。 在特殊的条件下，其它类型的σ因子被表达或 被激活。这些新的σ因子识别的是其它类型的 启动子，其一致序列不同于σ70所识别的启动子， 从而指导RNA pol启动一些新基因的表达。这 样的调控系统使有机体能对在特定条件下才表 达的多个基因进行统一的调控。
同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正 常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为 cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在 负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵 子才能开放。
CAP的正调控作用
乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列
CAP-cAMP在CAP位点上与RNA pol的相互作用
CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲
为什么乳糖操纵子既要受到 负调控，又要受到正调控？
一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄 糖对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基 因均是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解， 为细胞提供能量；
二是lac启动子序列与启动子的一致序列相差较大， 是一个弱启动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启 动子活性的“先天不足”。
由于反应调节蛋白的磷酸化通常激活其潜在的转录调 节的活性，于是来自环境中特定的信号最终诱发了特 定基因表达的变化。
双组分调节系统的作用图解
在转录水平的调控
大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子
阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的 酶：阿拉伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核 酮糖，由araA基因编码；核酮糖激酶，催化核 酮糖的磷酸化，由araB基因编码；核酮糖-5-磷 酸差向异构酶，由araD基因编码，催化核酮糖5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷酸戊
乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝 大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半 乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过 细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基 酶右。，转按录lac时Z→，lRacNYA→聚la合cA酶方首向先进与行P转lac录结，合每，次通转过录lac出O来向 的一条mRNA上都带有这3个基因。
CRISPR 系统广泛分布在古菌和细菌之中，大约90% 基因组序列 已测过的古菌和70% 基因组序列已测过的细菌都带有这个系统。
原核生物的CRISPR 系统
双组分调节系统
此系统存在于所有的细菌或许多低等的真核生物，通 过使用一对调节蛋白检测来自环境中的特定信号，并 对信号作出反应。这一对蛋白质一个是感应器激酶， 一个是反应调节蛋白。每一个蛋白质都是由两个结构 域组成。感应器激酶含有1个检测环境信号的结构域和 1个激酶活性结构域。一旦检测到特定的环境信号，感 应器激酶结构域的一个保守的His残基发生自我磷酸化 （磷酸基团来自ATP的γ-磷酸）。然后这个磷酸根被 转移到位于反应调节蛋白的第一个结构域上的一个保 守的Asp残基上。反应调节蛋白的第二个结构域负责将 信号转导到细胞内部。