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07-1 原核生物基因表达调控及乳糖操纵子

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原核生物基因表达调控-PPT课件

原核生物基因表达调控-PPT课件

3. 顺式作用突变来鉴定 操纵基因： • Oc 突变：操纵基因 发生突变，不能和 阻遏蛋白结合 • 导致RNA聚合酶可 以不受限制地从启 动子开始转录，结 构基因组成型表达
二．乳糖操纵子模型： 1. Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反 子的mRNA分子所编码。
2. 该mRNA分子的启动子（P）位于调 节基因（I）与操纵区（O）之间， 不能单独起始半乳糖苷酶和透性酶基 因的高效表达。操纵区是阻遏蛋白的 结合位点。
① 诱导物和结合于 操纵基因上的阻 遏物结合，使其 从操纵基因上释 放。而不是和游 离阻遏物结合， 影响阻遏物和 DNA结合的平衡
②


阻遏蛋白结合诱导物后 构型的变化： 阻遏物由两个二聚体组 成四聚体； 二聚体的两个DNA结合 域可以同时插入DNA大 沟的两个相邻连续转角； 诱导物结合，改变了 DNA结合域和核心区之 间的角度方向，使二聚 体两个头部不能同时和 DNA结合，从而降低和 操纵基因的亲和力
③ 阻遏物同时结合两个操 纵基因 乳糖操纵子的操纵 基因两侧，还存在 两个较弱的额外操 纵基因（pseudooperator） 完全阻遏转录，阻 遏蛋白四聚体除了 和操纵基因结合外， 还需要和其中一个 额外操纵基因结合 同时和四聚体结合 的两个操纵基因之 间的DNA，弯曲形 成环状结构
操纵子
2. 反式作用突变鉴定调节基因： ① lac I– ：阻遏蛋白不能识 别操纵基因 为隐性遗传，只要引入正 常的lac I＋基因，并进行 诱导，即可恢复正常的调 控 ② lacIs ：调节蛋白不能和诱 导物结合 为显性遗传，突变的阻遏 蛋白和细胞内所有的乳糖 操纵子结合并阻遏转录， 即使有野生型阻遏蛋白存 在也不会脱离

调控过程: Trp饥饿:核糖体停顿在两个Trp密码子上， 核糖体占据1区，留下完整的2区和3区配 对，形成发夹结构，这样4区转录出来后 仍是单链状态，终止子不能形成，转录继 续进行 有充分的色氨酸:核糖体顺利完成前导序 列的合成，到达并占据1区和2区，使2区 不能与3区有效配对，从而3区和4区配对 产生终止子的发夹结构，转录终止 其他氨基酸饥饿:核糖体在到达序列前即 停顿，1区和2区配对，然后3区和4区配对 形成终止子的发夹结构，转录终止。

乳糖操纵子

乳糖操纵子

14原核生物基因的表达调控 生物体在其生命活动中，基因的表达严格有序，任何影响到基因开启与关闭、转录和翻译等基因表达程序的调节作用，都属于对基因表达的调控。

原核生物是单细胞生物，没有核膜和明显的核结构。

它们与周围环境关系密切。

在长期进化过程中产生了高度的适应性和应变能力，这是它们赖以生存的保证。

由此可见，原核生物的基因表达既与自身的遗传结构相适应，又体现了它们对环境的应变能力。

原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上，这可以最经济地在基因表达的第一步实行最有效的控制。

原核生物以操纵子为单位的调控系统即体现了这一特点。

然而，转录调控的方式多种多样，如噬菌体基因表达的时序调控；大肠杆菌色氨酸合成代谢的衰减调控，即是转录调控的明显例证。

此外，也有许多翻译水平上的调控机制，如核糖体蛋白质合成的自身调节；反义RNA或小RNA对mRNA翻译的调控作用等等。

有时，原核生物甚至还能从DNA水平上对基因表达进行调节，如沙门氏杆菌的相变过程，就是以基因重排的方式调控基因转录。

327　14畅1　大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制14畅1畅1　大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 早在20世纪初期就发现，酵母细胞只有在某种底物存在时才产生相应的酶。

这种由底物诱导而产生酶的效应，称为诱导作用（i nducti on ）。

酶诱导普遍存在于细菌中，如大肠杆菌（E 畅co li ）的乳糖利用系统便是诱导过程的典型例证。

大肠杆菌的乳糖代谢需要有β半乳糖苷酶（βgalactosidase）的催化，该酶能把乳糖水解为半乳糖（gal acto se ）和葡萄糖（g l u co se ）（图141）。

如果在大肠杆菌的培养基中所用的碳源不是乳糖，而是其他种类的糖（如葡萄糖），那么细胞内的β半乳糖苷酶的分子极少，平均只有0畅5～5个分子。

可是，一旦培养基的碳源完全用乳糖取代葡萄糖，则在2～3m i n 内，细胞中就合成了大量β半乳糖苷酶分子，数量骤增，分子数可达1000～10000个。

乳糖操纵子的调控机理

乳糖操纵子的调控机理
G效应的原因是：
①G降解代谢产物可以抑制腺苷环化酶、 激活磷酸二酯酶，结果使 胞内cAMP下降；CAP的正调控需要结合cAMP形成复合物才能结合到 CAP结合位点；
②当G耗尽，cAMP开始集累↑，cAMP和CAP结合→使CAP变构才能 结合到CAP结合位点上，促进RNA pol与P结合。
结合乳糖、葡萄糖存在与否及与操纵子正、负控因素、基因 开放与关闭情况如下：
终止密码子
编码区
红霉素甲基化酶 红霉素
核糖体23SmRNA上特定位点 的一个腺嘌呤甲基化。
3、mRNA的稳定性是调控翻译的方式之一
细菌蛋白质的合成速率的快速改变，不仅 是转录与翻译偶联，更重要的与mRNA的降解 速度快有关。
影响mRNA的降解因素： ①细菌的生理状态、环境因素； ② mRNA的一级结构及次级结构的影响； ③与mRNA的序列和结构有关
原核生物转录起始区的一致性序列
2、 σ因子的种类与浓度
不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化 可产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。通过 对大肠杆菌基因组序列分析后，发现存在6种σ因子， 并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。
σ因子 σ70 σ54 σ38 σ32 σ28 σ24
二、转录的调控机制
在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一 因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行 复合调控的。比较典型的是一些糖代谢有关的操纵子。
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
如E.coli启动子全长约40∽60bp，3个功能部位，2个 重要功能：

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

详细版乳糖操纵子

详细版乳糖操纵子
1.培养大肠杆菌时，如果不加入半乳糖，一个 抑制蛋白就会结合到操纵子上，阻止RNA聚合酶转录 操纵子基因。此时操纵子就处于关闭状态;
2.当加入诱导物半乳糖后，半乳糖就会和抑制 蛋白结合，并改变抑制蛋白的构象使得它不能结合 到操纵子上。只要没有抑制蛋白的结合，RNA聚合酶 就可以识别启动子并转录操纵子的结构基因，得到 mRNA。此时操纵子是开启的。
3
业内人士评论认为，沃森和克 里克发现了DNA结构，雅各布等人 的工作则揭示了遗传信息如何传递 。 "Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants," claimed by Jacques Monod. “大肠杆菌的基因调控的任何发现, 也 适用于大象基因调控。”
5 它由依次排列的调节基因、cAMP受体蛋 白CRP位点、启动子、操纵基因和3个相连 的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。
9
ｙ基因长780bp，编码有260个氨基酸、分
子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境 中的乳糖进入细菌；
ａ基因长825bp，编码275氨基酸、分子
量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性 形式催化半乳糖的乙酰化。
The teacher-student team:
François Jacob (1920-2013), student.
Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge.
AndréLwoff (1902-1994), Jacob's mentor.
Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and AndréLwoff (1902-1994).

原核生物的基因表达调控调控

原核生物的基因表达调控调控

第九章原核生物的基因表达调控调控第一节转录起始调控一、乳糖操纵子1961年Jacob和Monod，提出了操纵子模型。

操纵子是原核生物基因表达和调控的单元。

典型的操纵子包括一组结构基因和调节结构基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包括启动子（promoter）、操纵基因（operator）以及其他与转录调控有关的序列。

一个操纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录并受到相同调控元件的调节，所以从结构上可以把它们看作一个整体。

操纵子的结构基因编码在某一特定代谢途径中起作用的酶，它们被转录成一条多顺反子mRNA，这是原核生物的典型特征。

1、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子具有三个结构基因：lacZ编码β－半乳糖苷酶，它可将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY编码乳糖转移酶，该蛋白插入细胞膜中，将乳糖转运到细胞内；lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。

2、乳糖操纵子的阻遏与诱导lacI编码的阻遏蛋白以四聚体的形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。

由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β－半乳糖苷酶和透性酶。

当培养基中加入乳糖后，细胞中所含的少量的透性酶，使细胞能够吸收乳糖，β－半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。

异乳糖可作为诱导物结合到阻遏蛋白上，从而引起阻遏物四聚体构象的变化，降低了阻遏蛋白与操纵基因的亲和力，导致阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来。

RNA聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。

3、葡萄糖对lac操纵子表达的影响葡萄糖是细菌优先利用的糖类。

当葡萄糖和其他糖类（比如乳糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类。

因此，乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表达。

原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解代谢活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的调节。

详细版——乳糖操纵子

详细版——乳糖操纵子
15 2021/2/16
至少在第一个结构基因5’侧具有核糖体 结合 位点 (ribosome binding site, RBS)， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。
25 2021/2/16
阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的 序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中
26 2021/2/16
同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合， 可以分别起阻遏或激活基因表达的作用， 阿拉伯糖操纵子中的操纵序列就是典型的 例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、 从而影响基因转录强弱的序列，不论其对 基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开 放，都可称为操纵区。
33 2021/2/16
（5） 终止子
终 止 子 （ terminator ， T ） 是 给 予 RNA 聚
合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子 中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一 个终止子。
34 2021/2/16
它们都在结构基因的附近，只能对同一条 DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗 传学实验上称为顺式作用（cis-action），启 动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件 （cis-acting element）。
奖得主之一、法国分子遗传学家弗朗索瓦•雅各
布（Francois Jacob）于2013年4月19日在法国巴

第七章原核生物基因表达调控

第七章原核生物基因表达调控

第七章原核生物基因表达调控第六章：原核生物基因表达调控一、原核生物基因表达调控总论二、乳糖操纵子三、半乳糖操纵子四、色氨酸操纵子一、原核生物基因表达调控总论原核生物基因调控一般执行如下规律一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。

基因的开与关是相对的。

开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。

原核生物主要受到营养状况和环境因素的影响真核生物主要是受发育阶段和激素水平的影响基因表达调控主要表现在二个方面转录水平上的调控转录后水平上的调控转录水平上的调控负转录调控(negativetrncriptionregulation)调节基因的产物是阻遏蛋白正转录调控(poitivetrancriptionregulation)调节基因的产物是激活蛋白负转录调控负控诱导阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。

负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。

正转录调控正控诱导有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。

正控阻遏有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。

负控诱导正控诱导负控阻遏正控阻遏1、原核生物基因调控机制的类型a、代谢产物对基因活性的调节b、弱化子对基因活性的调节c、降解物对基因活性的调节d、细菌的应急反应A、代谢产物对基因活性的调节诱导调节是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由关---开。

诱导调节阻遏调节基因是开启的，但由于一些特殊代谢物或化合物的积累将其关闭。

阻遏调节B、弱化子对基因活性的影响弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，称为弱化子。

PO前导区162bpEDCBA123~150前导RNA弱化子高色氨酸时低色氨酸时AUG7kbmRNAC、降解物对基因活性的调节有葡萄糖的存在即使在培养基中加入乳糖、半乳糖等诱导物，操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。

原核生物乳糖操纵子基因表达调控原理

原核生物乳糖操纵子基因表达调控原理

原核生物中，乳糖操纵子是一种在乳糖存在时调控基因表达的元件。

这种调控机制广泛存在于大肠杆菌等细菌中，它允许细菌在环境中检测到乳糖的存在并调整相关基因的表达。

以下是原核生物中乳糖操纵子基因表达调控的基本原理：
1. 乳糖操纵子的组成：
- 乳糖操纵子包括两个基本部分，一个是操纵子的操作元件（operator），另一个是调控基因的操纵子结合蛋白（repressor protein）。

2. 操作元件（Operator）：
- 操纵子的操作元件是一个DNA序列，位于被调控的基因的上游区域。

- 操纵子的操作元件是乳糖操纵子的结合位点，调控蛋白可以与其结合。

3. 调控基因的操纵子结合蛋白：
- 调控基因的操纵子结合蛋白通常是一个负调控因子，即在没有乳糖的情况下，它会结合到操作元件上，阻止RNA聚合酶的结合，从而抑制基因的转录。

4. 乳糖的作用：
- 当细菌环境中存在乳糖时，乳糖分子会与调控基因的操纵子结合蛋白发生结合。

- 乳糖结合到操纵子结合蛋白后，导致蛋白的构象发生变化，无法再结合到操纵子的操作元件上。

5. 操纵子的操作元件的解离：
- 由于操纵子结合蛋白不能再结合到操作元件上，RNA聚合酶得以在操作元件上结合并启动被调控基因的转录。

6. 基因的表达：
- 乳糖操纵子的解离使RNA聚合酶能够转录下游基因，从而启动基因的表达，产生相关的蛋白质。

通过这个机制，原核生物能够根据环境中乳糖的存在与否，灵活地调控基因的表达，以适应不同的代谢和生存需求。

这种调控机制是一种典型的负调控，其中乳糖的存在解除了负调控因子对基因的抑制。

最新7原核生物基因表达调控汇总

最新7原核生物基因表达调控汇总

2020/8/13
6
指挥基因调控的信号
– 原核生物：营养状况、环境因素 – 真核生物：激素水平、发育阶段
2020/8/13
7
基因表达调控的时间性和空间性
2020/8/13
8
7.1.1 原核基因调控分类
原核生物的基因调控主要是转录调控，包 括负转录调控和正转录调控。
• 正调控（positive control）： 在操纵子中，结构基因本 来不表达，可当调节蛋白（无辅基诱导蛋白）出现时，使 该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。
• 调节蛋白（regulatory protein）：调节基因的表达产物， 叫调节蛋白。包括正调节蛋白，又叫激活蛋白 （activator）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。
• 由于调节蛋白（RNA）能够自由地与其相应的结合位点 结 合 ， 故 又 称 为 反 式 作 用 因 子 （ trans-acting element）。
7原核生物基因表达调控
7.1 原核基因表达调控总论
• 基因表达（gene expression） ：指基因经过转 录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分 子或RNA产物的过程。
• 对 这 个 过 程 的 调 节 称 为 基 因 表 达 调 控 （ gene regulation 或 gene control）
2020/8/13
3
调控型基因(regulated genes)
• 又称奢侈基因(luxury genes) 在不同组织 细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、 发育的需要或环境因素的改变，其活性受 到调控。
2020/8/13
4
2020/8/13
5
基因表达调控主要表现在以下两个方面： • 转 录 水 平 上 的 调 控 (transcriptional

乳糖操纵子.

乳糖操纵子.

原核生物基因表达转录水平调控之乳糖操纵子模型(2012-07-13 00:37:45)转载▼原核生物基因表达在转录水平上的调控最经典学说是操纵子学说。

一、操纵子细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。

法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod于1960年在法国科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。

这二个基因为β半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。

前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。

在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破,因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。

Jacob与Monod所提出的关于基因表达调控的操纵子学说可以简述如下:有一个专一的阻遏分子(蛋白质)结合在靠近β半乳糖苷酶基因上面,这段DNA他们称之为操纵基因。

由于阻遏分子结合在DNA的操纵基因上,从而阻止了RNA聚合酶合成β半乳糖苷酶的mRNA。

此外,他们还指出乳糖为诱导物,当乳糖结合到阻遏分子上时,即阻止阻遏分子与操纵基因的结合。

当有乳糖时,阻遏分子即失活,mRNA就可以转录出来。

如果去掉乳糖时,阻遏分子又恢复其活力,与操纵基因DNA结合,将乳糖基因关闭。

二、乳糖操纵子/fzswx/knowledge/knowledge01.asp?zsdBianhao=060302/s/blog_4b07ffbc01016v21.html乳糖操纵子(lac operon)是原核生物中研究得最清楚的一种操纵子。

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合
酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序 列
操纵序 阻遏蛋白 列
编码序 列
目录
二、原核生物中mRNA的转录、翻译和 降解偶联进行
开始转录
继续转录，同时， 核糖体结合mRNA 进行翻译
RNA 5'端开 始降解
转录终止，继续 翻译和降解 RNA pol
原核生物基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryotes
目录
一、操纵子是原核生物的基因转录单元
•操纵子概念
操纵子 (operon) 是由结构基因及其上游调控序列组
成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。
调控序列包括远端的阻遏蛋白 (repressor) 基因 I ，
2
3
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
•当色氨酸浓度高时
目录
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 •当色氨酸浓度低时
目录
原核生物基因 表达的翻译水平调控
目录
1. 乳糖操纵子是可诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区 DNA I基因 结构基因
P
O
操纵序列
z
y
a
z： β-半乳糖苷酶
启动子
y： 通透酶
a：乙酰基转移酶
目录
CAP结合位点

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖

原核生物基因的表达调控

原核生物基因的表达调控
Z Y A
乙酰转移酶
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
透酶
调节基因
β －半乳糖苷酶
2）乳糖操纵子各组分的功能
基因Z：-半乳糖苷酶基因，分解乳糖为半乳糖和葡萄糖；
基因Y：乳糖透性酶基因，增加细胞壁透性，有助于乳糖进入； 基因A：半乳糖苷乙酰转移酶基因，催化乙酰基从乙酰辅酶A到半乳糖； 操纵基因O：转录起点位置，调节基因产生的阻遏物附着处； 启动子P：RNA聚合酶聚集的地方； CAP位点：激活蛋白结合位点，激活蛋白通过cAMP对葡萄糖作出反应； 调节基因I：编码阻遏蛋白或激活蛋白。
3
4
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
UUUU 3’
3
4
UUUU……
trp 密码子 前导肽 1.当色氨酸浓度高时
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶
前导mRNA
结构基因
核糖体
2
3 2 4
5’
1
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构
2.当色氨酸浓度低时
前导序列能编码出一个内含两个并连的trp的14肽，由于这两个trp的 合成速度能控制核糖体在mRNA上的移动，使得前导序列的转录产物 mRNA可形成特殊的结构，类似转录终止信号，因此编码该结构区域 的基因被称为弱化子（衰减子）。
终止密码子
调节区
trpR
P O 前导序列
结构基因
衰减子区域 前导mRNA
5
3）乳糖操纵子调节机制
• 乳糖缺乏时，阻遏物封闭操纵序列，RNA聚合 I RNA A P pol Z Y O 酶不能达到转录起点， 转录停止； • 当培养基中有诱导物——乳糖时， 乳糖进入细
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β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶， 除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能识别那些 不被分解的半乳糖化合物如IPTG（异丙基-β-D-硫 代半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷 （如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入 细胞内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上 的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
E. Coli中
σ因子可能是参与基因表达调控最常见的蛋 白质； 6种σ因子。 σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生 物合成等基因的转录所必须的。 除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子 在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。
所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守 区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参 与双链DNA解开成单链的过程。
The Lac Operon:
Glucose is Present without Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
RNA链的延长
Байду номын сангаас(b)转录起始
RNA释放
聚合酶 脱离
(c)RNA链的延长
(d)转录终止
mRNA指导的蛋白质合成
核糖体
(a)起始复合物的形成 (b)肽键生成
tRNA
tRNA
mRNA
(c)移位作用 (d) tRNA脱离
遗传信息的传递
自我复制
转录
反转录
翻译 蛋白质 自我复制
中
心
法
则
既然从DNA到蛋白质的过程 称为基因表达，对这个过 程的调节就称为基因表达 调控(gene regulation）。
机理 aa饥饿→不带aa的tRNA大量存在→激活焦磷 酸转移酶→ppGpp大量合成（浓度增加10倍以 上）。 ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开 一些合成aa的基因，以应付aa饥饿。 关于ppGpp的作用原理还不大清。ppGpp与 pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响 一个或几个操纵子，而是影响一大批操纵子， 所以它们是超级调控因子。
转录前调控 转录调控 转录后调控 翻译调控 翻译后调控
一、基因表达调控是生命的必需
基因表达具有时空性
阶段特异性（stage specificity)：细胞分化发育的 不同时期，基因表达不相同。
组织特异性 (tissue specificity)：不仅不同组织、 细胞中基因表达的数量不相同，而且基因表达的 强度和种类也各不相同。
① mRNA加工成熟水平上的调控； ②翻译水平上的调控
二、转录水平上调控是主要的调控形式
特征 经济+灵活 重要+复杂 原因
1、在复杂基因组内，确定需要基因转录的起始位点；
2、精细调节基因表达水平,以保证生物体对环境的适应；
3、顺式作用元件和反式作用因子间严格而又灵活的互作 保证RNA polymerase的进行式转录(不中断，准确终止)。
LacZ
No way Jose!
LacY
LacA
Repressor mRNA
Repressor
CAP
The Lac Operon:
Both Glucose and Lactose are Present
Hey man, I’m constitutive Great, I can transcribe!
一、调控类型
主要发生在转录水平上 根据调控机制的不同分： 负转录调控系统（negative
transcription regulation）
正转录调控系统（positive transcription regulation）
1、负转录调控系统 在负调控中，调节基因产物是阻遏蛋白，起着
阻止结构基因转录的作用。
End of section 1
第二节 原核生物基因表达调控总论
原核生物中 营养状况 环境因素 真 核 生 物 （特别是高 等真核生物） 中 激素水平 发育阶段 细菌mRNA转录与Protein翻译偶联; 真核生物转录产物需从核内运转 到核外才能被翻译成蛋白质。
一、主要表现
1、转录水平调控 2、转录后水平调控
顺式作用元件（cis-acting element）:对基因 表达有调节活性的DNA序列，只影响与其同处 一个DNA分子的基因。 反式作用因子（trans-acting factor）:与顺式 作用元件相互作用影响基因表达的蛋白因子， 其编码基因与识别或结合的靶核苷酸序列不 一定在同一个DNA分子上。
-5～+21 与启动子的右末端重叠
大肠杆菌能以乳糖为碳源生长，这是由于它能产生一
套利用乳糖的酶，这些酶受乳糖操纵子的控制。
乳糖操纵子是E Coli DNA的一个特定区段，由调节基
因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。 P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。 O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的 转录。
×
四、调节方式
诱导可以通过使阻遏物的失活来实现， 也可以通过活化其激活剂来实现。 同样地，阻遏可以通过使激活剂的失活 来实现，也可以通过活化其阻遏物来实现。
阻遏物的失活→诱导
活化其激活剂→诱导
活化其阻遏物→阻遏
End of section 2
激活剂的失活→阻遏
第三节 原核生物基因表达调控机制
三、降解物对基因表达的调节 操纵子—负调控 正调控是如何进行的？ 有葡萄糖存在的情况下，在细菌培养基中即 使加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等 诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动， 产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡 萄糖效应或称为降解物抑制作用。
四、细菌的应急反应
紧急状况如aa饥饿，不是缺少一两种氨基 酸，而是氨基酸的全面匮乏。 为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生 一个应急反应，停止几乎全部生物化学反 应过程包括各种RNA、糖、脂肪和蛋白质等 生产。 应急反应信号 鸟苷四磷酸（ppGpp） 鸟苷五磷酸（pppGpp）

适应性表达(adaptive expression)：指环境的变化容 易使其表达水平变动的一类基因表达。 如：奢侈基因 (Luxury gene):仅在某种特定类型 的细胞中表达的基因。
应环境条件变化基因表达水平增高的现象 称为诱导(induction)，这类基因被称为可 诱导的基因； 反之称为阻遏(repression)，相应的基因 被称为可阻遏的基因。
The Lac Operon:
Lactose is Present without Glucose
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! LacZ LacY RNA LacA Pol.
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
LacZ
LacY
LacA
RNA Pol.
Repressor mRNA
Repressor
X
Repressor
This lactose has bent me out of shape
CAP
Repressor
Some transcription occurs, but at a slow rate
根据其作用特征又可分为：
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结
合时，结构基因开始转录；
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，结构
基因不转录。
2、正转录调控系统 在正调控中，调节基因的产物是激活蛋白。 根据激活蛋白的作用性质分为： 正控诱导：效应物分子（诱导物）的存 在使激活蛋白处于活性状态； 正控阻遏：效应物分子的存在使激活蛋 白处于非活性状态。
三、转录因子及其功能
转录因子
转录因子起着激活剂作用还是起着阻遏物的作用
取决于细胞的生理状态和不同启动子之间的DNA 序列差别。 功能 转录诱导：增加起始速率 转录阻遏：降低起始速率 诱导转录的转录因子称之激活剂（activators） 阻遏转录的转录因子称之为阻遏物（repressors）。
基因表达翻译水平的调节
End of section 3
第四节 乳糖操纵子
操纵子学说(theory of operon)是法国巴斯德研究院的Francois
Jacob与Jacques Monod于1960年发现的，首次从分子水平认识
基因表达的调控，是一个划时代的突破，于1965年荣获诺贝 尔生理学奖。
举例
@ 胰岛β细胞合成胰岛素
二、基因表达是为了适应环境的变化
组成性表达(constitutive expression)：指不大受环境 变动而变化的一类基因表达。
如：看家基因(housekeeping gene)：某些基因表
达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需
要而必不可少的，这类基因可称为~~。
σ70因子
特别地，σ54因子识别并与DNA上的-24区和-12区相结合
σ70因子 σ54因子
二、弱化子对基因表达的影响 弱化子：当操纵子被阻遏，RNA合成被终止 时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸。 起信号作用的是氨基酰-tRNA的浓度；
最典型调控模式：色氨酸操纵子，其中起 作用的是色氨酰-tRNA的浓度。
列的溶解温度降低→促进开放型启动子复合
物的形成 →促进转录
实验证明
如果没有CAP，尽管乳糖启动子上的-35序列 和-10序列存在并保持完整，但-35序列不能很 好地结合RNA pol，而-10序列确实能结合 RNA Pol，但得到的是一个闭合的启动子复合 物，也就是在这个区域内的DNA双螺旋结构 不发生熔解，开放型启动子复合物不能形成， 转录也就不能进行。