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原核基因表达调控

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分子生物学第七章原核生物基因表达调控

分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要，是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。

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)

第14章 原核生物基因表达调控

第14章 原核生物基因表达调控

第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。

难点：色氨酸操纵子的衰减作用。

第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。

二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。

结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。

调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。

其产物通常是DNA结合蛋白。

调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。

三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。

在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。

这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。

根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。

第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。

细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。

一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。

二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。

四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。

原核生物基因表达的调控

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。

第九章：原核生物基因表达调控

第九章：原核生物基因表达调控
基因被转录成初级转录产物初级转录产物被加工成成熟的mrnamrna的稳定性mrna的翻译多肽链的加工和组装酶或者蛋白质活性控制蛋白质的降解91转录水平的调控正调控与负调控模式比较单顺反子与多顺反子mrna911转录起始调控一乳糖操纵子结构9111操纵子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
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。

1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。

2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。

这种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，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。

调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。

细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。

细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。

（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。

这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。

二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。

这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。

而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。

（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。

反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。

RNA聚合酶是典型的反式作用因子。

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达的调控一、名词解释1、Operon操纵子：一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因，加上启动子构成一个操纵单元，这个单元称为操纵子。

在操纵子中，结构基因产生mRNA并作为模板合成蛋白质；而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵基因相互作用；阻遏蛋白与操纵基因结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA；在诱导过程中，诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵基因结合。

2. CAP：环腺苷酸（cAMP）受体蛋白CRP（cAMP receptor protein ），cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP（cAMP activated protein ）3．Attenuator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。

4. 魔斑：当细菌生长过程中，遇到氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生一个应急反应，停止全部基因的表达。

产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。

PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以称他们是超级调控子或称为魔斑。

5. 上游启动子元件：是指对启动子的活性起到一种调节作用的DNA序列，-10区的TA TA、-35区的TGACA及增强子，弱化子等。

二、填空题1．启动子中的元件通常可以分为两种：（）和（）。

2. 因表达正调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。

在负调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。

3. 糖对细菌有双重作用；一方面（）；另一方面（）。

所以需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子S2进行本底水平的永久型合成；同时需要一个依赖于cAMP—CRP的启动子S1对高水平合成进行调节。

有G时转录从（）开始，无G时转录从（）开始。

三、选择题1、如果在没有----- -----存在时基因是表达的，加入这种----- ----后，基因的活性被关闭，这种控制系统叫做负调控系统。

分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件

分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
14
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控

第六章 原核生物基因表达调控

第六章 原核生物基因表达调控

图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。

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

原核生物基因表达调控的方式

原核生物基因表达调控的方式

原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控：基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。

2.转录水平调控（主要调控方式）：转录起始、延伸、终止均有影响。

原核生物借助于操纵子，真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。

3.转录后水平调控：主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA，包括加帽、加尾、甲基化修饰等。

4.翻译水平调控：对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。

5.翻译后水平调控：蛋白质的剪切、化学修饰（磷酸化、乙酰化、糖基化等）、转运等。

6.mRNA降解的调控。

分子生物学第七章原核生物基因表达调控

分子生物学第七章原核生物基因表达调控
31
（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；

分子生物学课件第十章-原核生物基因表达的调控

分子生物学课件第十章-原核生物基因表达的调控
Trp作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合从而激活其活性！
第十章 原核生物基因表达的调控
色氨酸操纵子的阻遏系统
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
TrpR(无 活 性 )
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激 活 后 可 阻 遏 trp 操 纵 子 的 转 录 (仿 B .L ew in:《 G E N E S 》 Ⅳ ， 1 9 9 0 , F ig .1 3 .1 6 )
操纵子学说：操纵子是原核生物在分子水平上基因表 达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结 构基因等序列组成。通过调节基因编码的调节蛋白或 与诱导物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操纵基因， 对操纵子结构基因的表达进行正、负调控。
莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。
I
PO
Z YA
结构基因
阻 遏 物 基 因启 动 子操 纵 基 因 产 生 阻 遏 蛋 RN白 A酶 结 结 合 合 阻 遏 物
第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
结构基因的功能：负责乳糖的降解。 Z 编码β-半乳糖苷酶； Y 编码β-半乳糖苷透过酶； A 编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
☆ 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外，还能水解其他β-半 乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。
激活到蛋白质生物合成的各个 阶段，因此基因表达的调控可 分为转录水平（基因激活及转 录起始），转录后水平（加工 及转运），翻译水平及翻译后 水平，但以转录水平的基因表 达调控最重要。
第十章 原核生物基因表达的调控

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
第七章、原核生物的基因表达调控
本章重点：操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点：弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
1
第一节、原核生物基因表达调控总论
原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻 莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有根据 环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代 谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存 和繁衍。原核生物中，营养状况和环境因素对 基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤 其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是 基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素 的影响力大为下降。
16
17
3．调节基因（阻遏基因I）和操纵基因（操纵区O）的发现 （1）已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久（组成） 型突变体，为分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。 （2）I+→ I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达，所以I基因（阻遏基因I）被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac被抑制。 （3）遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间，所以，lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一 个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为 操纵基因。
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前导序列某些区段富含GC，易形成发夹结构；
末端8个U构成不依赖于因子的终止信号，能使mRNA
合成提前终止； 前导序列RNA中编码了一段14个氨基酸的前导肽，其前 面有核糖体的强结合位点，在编码序列有一终止密码 子UGA； 前导序列中并列两个色氨酸密码子。
前导序列的二级结构与衰减子的构象：

Jacob and Monod
操纵子（Operon）：指细菌基因表达和调
控的单位，由功能上相关的基因形成一个 转录单元，并有一组共同的控制位点，包 括调节基因、启动子、操纵基因和结构基 因等序列组成。
Lac. Operon structure
一、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激 活蛋白） 的应答，可分为：
四、 乳糖操纵子的正调控

大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿 拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有 葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄 糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，才 能利用乳糖，
在操纵子的启动子上游端有一段序列，能与 cAMP- CAP特异结合，称为CAP结合位点, cAMPCAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性， 使转录提高50倍。
二、根据操纵子应答反应的性质，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，加入对基因表达有调节作用的小分
子后，则启动基因的转录。这种作用及其过程叫做诱导， 产生诱导作用的小分子物质叫做诱导物（inducer） ，如 代谢途径的底物。
在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分
一些化学合成的乳糖类似物，不受－半乳糖苷酶的 催化分解，却也能与阻遏蛋白特异性结合使阻遏蛋白构象 变化，诱导lac操纵子的开放。 例 如 异 丙 基 硫 代 半 乳 糖 苷 (isopropylthiogalactoside，IPTG)就是很强的诱导剂,不被细菌代谢而十 分稳定。 X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷）也是一种人 工化学合成的半乳糖苷，可被－半乳糖苷酶水解产生兰 色化合物，因此可以用作 －半乳糖苷酶活性的指示剂。 IPTG和X-gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工 作中。

细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细 菌分解葡萄糖时，cAMP生成少,含量低；相反，当环境中 无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。
由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使 lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同 时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳 糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡 萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄 糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。
第四节 原核基因表达的时序调控
一、 因子替换与基因转录调节
因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始需 要的因子。许多细菌能生产多种可取代的因子，以识别 不同的启动子。

大肠杆菌中的各种σ 因子比较
σ因子
σ70
编码基因
主要功能
参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的 调控
rpoD
σ54
σ38 σ32
原核基因的表达调控
基因表达包括转录和翻译过程。 基因的表达受内在因素调节控制，也受外界
环境的影响。
第一节 调控的类型与特点

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 的实验模型。 1961年法国巴斯德研究院的 Monod和 Jacob提出了著名的操纵子模型来解释 E.coil中蛋白质合成的遗传控制。
在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtills）中，普通因子 是 43，环境不适时，形成孢子，产生 F 和 别转录早期孢子形成基因和母细胞中的基因。
E
两种，分
芽孢菌的噬菌体SPO1的 因子：早期28， 中期33 和 34，又诱发后期的因子使寄主RNA聚合酶顺序性选择表达 噬菌体基因。
trp mRNA前导序列中有4段区域存在某种互补关系：
1-2区、2-3区、3-4区间都可进行局部氢键配对 1-2区，3-4区配对，构成不依赖于因子的终止信 号，这种结构称为trp操纵子衰减子，将造成转录 提前终止； 2-3区配对转录可继续进行。
•衰减子作用
当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp
第三节 色氨酸操纵子
色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以 给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需 要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能 够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、 减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌 所以能做到这点是因为色氨酸操纵子。
一、操纵子结构
三、衰减子及其作用 实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但 还没有高到能够活化调节蛋白使其起阻遏作用的 程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低， 而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研 究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构 有关。
衰减子：提前终止转录，调节基因表达的功能区域。
在色氨酸操纵子与第一个结构基因trpE之间有 162bp的一段先导序列-trpL，实验证明当色氨酸达到 一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。
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，产生阻遏作用的小分子物质叫做（辅）阻遏物 （corepressor） ，如氨基酸、嘌呤或嘧啶等。
第二节 乳糖操纵子的转录调控 一、 模型的提出
没有乳糖时，与其分解代谢有关的β-半乳糖苷酶只有0.5-5
个分子/细胞； 有乳糖时，在2-3 分钟内开始出现β-半乳糖苷酶，很快达 到5000个分子/细胞。 酶的诱导现象是一种有效、经济的调控。Monod和Jacob 提出乳糖操纵子模型成功地解释了β-半乳糖苷酶诱导合成 的机理，于1965年获得Nobel奖。
三、乳糖操纵子负调控模型
当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，调节基因在 其自身的启动子控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋 白，lac操纵子处于阻遏状态。阻遏蛋白以四聚体形式与 操纵子ｏ结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合，阻止 了基因的转录起动。
当环境中有足够的乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使 阻遏蛋白的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失去与操 纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用， 使－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是 乳糖对lac操纵子的诱导作用
也少，由此推断，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度 就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区，这 时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构， 所以转录可继续进行
当培养基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利通过两个相邻
的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区， 这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎-环式的 终止子结构。
结构基因：trpE，trpD，trpC，trpB，trpA，分
别编码色氨酸合成过程中的五个酶。 调控区: 启动子、操纵基因、前导肽。 与trpO结合的阻遏蛋白由相距甚远的trpR编码。
二、色氨酸负调控系统
色氨酸操纵子属于一种可阻遏的负调控操纵子，即这种 操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏物）作用时 则关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型， 其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。
二、RNA聚合酶控制时序调控—T7噬菌体
第五节 Байду номын сангаас录后水平调控
一、翻译起始的调控
RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子
AUG上游的一段非翻译区。
RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密 码子AUG之间的距离。
SD- 4-10（9）-AUG
二、稀有密码子对翻译的影响
大肠杆菌DNA复制时，合成冈崎片段的RNA引物是 由dnaG基因编码并由引物酶催化合成的。 dnaG基因中含有大量的稀有密码子，由于含有这些稀 有密码子的tRNA较少，使其翻译过程受阻，影响蛋白质 合成的总量。一些调节基因如LacI、TrpR等均属于此种 调节。
二、乳糖操纵子的结构
主要有上游的调控区和结构基因区。 调控区
结构基因区
I 调节基因 P 启动子 O 操纵基因 lac Z ------- β-半乳糖苷酶 lac Y ------- 透性酶 lac A ------- 转乙酰酶
操纵基因（operator,O）是指能被调节蛋白 特异性结合的一段DNA序列。 操纵基因常与启动子邻近或与启动子序列重 叠，当调节蛋白结合在操纵序列上，会影响其下 游基因转录的强弱。操纵序列并不是编码蛋白质 的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用。
trpE—苏氨酸—苯丙氨酸—终止 ACU -- UUC -- UGA -- UGG -- CU AUG AUG – GCU 甲硫氨酸 -- 丙氨酸-- trpD
TrpB –谷氨酸- 异亮氨酸-终止
GAA -- AUC -UGA -- UGG -- AA AUG -- GAA 甲硫氨酸 – 谷氨酸–trpA
几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较
蛋白质 结构蛋白 σ亚基 DnaG蛋白 AUU/% 37 26 36 AUC% 62 74 32 AUA% 1 0 32
细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码 子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。
三、重叠基因对翻译的影响
重叠基因：指多个基因的编码区重叠在一起， 通过不同的阅读方式可得到不同的蛋白质。
在调节蛋白质没有与目标序列结合时，基因表达；当调节
蛋白质与目标序列结合时，基因表达被关闭，这种控制系 统叫做负调控。负调控中的调节蛋白质称为阻遏蛋白 （repressor）。
在调节蛋白质没有与目标序列结合时，基因是关闭的；当