第三节色氨酸操纵子

个基因或一些功能相近的基因表达（生物体内基因表达）的开启、
关闭和表达强度的直接调节。
它是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存 能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。
二、基因表达的方式
（一）组成性表达(constitutive gene expression)
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表 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， 这类基因可称为管家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少
性。
• 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度较低， cAMP与CAP 结合受阻，lac操纵子表达下降。
（4）协调调节
Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作 • 无乳糖，无诱导物时，转录作用被I表达的阻遏蛋白所阻断。 • 有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，使其变构，从操纵基
因上解离出来。
调节基因
β －半乳糖苷酶
2、阻遏蛋白 的负性调节
没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻
遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与
O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序 列结合，抑制转录启动。
有乳糖存在时，lac 操纵子可被诱导。
别乳糖作为诱导剂分子结合阻遏 蛋白，使蛋白构象变化，导致阻 遏蛋白与O序列解离，发生转录
基因产物特异识别、结 合其它基因的调节序列， 调节其它基因的开启或
关闭称为反式调节
基因产物特异识别、 结合自身基因的调 节序列，调节自身 基因的开启或关闭 称为顺式调节
DNA
a
A A
反式调节
b
mRNA
蛋白质A
C
c
DNA
mRNA
顺式调节

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。

组成性基因表达只受到启动序列或者启动子 与RNA聚合酶相互作用的影响。
组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变 的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
（2）诱导和阻遏表达
适应性表达指环境的变化容易使其表达水 平变动的一类基因表达。
改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜 温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的 动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同 ；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情 况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适
激活蛋白
启p动o序列 操纵序列 编码序列 l
真核基因的调节蛋白--反式作用因子（转录因子）
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过 与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用， 调节其表达。这种调节作用称为反式作用。
DNA
a
mRNA
蛋白质A
A
反式调节
A
B
转录调节因子结构
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
四、基因表达调控的基本原理
1、基因表达的多级调控
基因 激活
转录水平的基因表达调控最重要
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译
翻译后加工修饰
蛋白质降解等
2、特异DNA序列对基因转录激活的调节
基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
4）有乳糖，无葡萄糖时：
RNA-pol
细胞内cAMP含量高， cAMP与CAP结合成复合
O
物，与DNA结合，并推动 RNA-pol向前移动，促进
mRNA
转录。
乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与

• lacZ、 lacY、 lacA被同一个转录单元 lacZYA编码，有一个启动子Plac • 乳糖操纵子的三个结构蛋白是作为一个 多顺反子（在同一调控序列下含有不止 一个编码区）的mRNA一起表达的。
调节基因
结构基因
顺式作用元件
lacI lacZ
lacY
lacA
DNA
PlacI
使聚合酶结合到乳糖 启动子上的能力增加了两个数量级。 • RNA聚合酶与Plac结合紧密 ,但是由于阻 抑物的作用,使得转录不能进行。
Plac
4.诱导
• 当缺少诱导物时，乳糖阻抑物阻碍了几 乎全部的lac ZYA的转录而使之保持很低 的转录水平。 • 当乳糖加入到细胞中后，细胞本身所含 的低量的透性酶使之能吸收乳糖，β-半 乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。
• Plac启动子并非强启动子。 • Plac及其相关的启动子没有强的-35序列， 其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。 • 为了实现高水平的转录，它们需要一种 特定的激活蛋白即CRP。
• 葡萄糖会降低细胞内cAMP的水平。 • 当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP 水平上升，CRP结合到上cAMP 。 • CRP –cAMP复合物结合到乳糖操纵子的 启动子Plac上，这增强了RNA与启动子的 结合，使转录效率提高50倍。
lac及其相关的启动子没有强的35序列其中一些甚至只有弱的10的共有序crpcamp复合物结合到乳糖操纵子的启动子plac上这增强了rna与启动子的结合使转录效率提高50倍
第七章 原核生物的转录调控
一、乳糖操纵子
1.操纵子
• 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模 型，这是与特殊代谢途径有关的基因转 录的协同调控模型。