第六章 原核基因表达调控-1

❖基因表达调控主要表现：
❖ (1)转录水平上的调控
❖
(transcriptional regulation)；
❖
(2)转录后水平上的调控
❖
(post transcriptional regulation)
❖ 转录后水平上的调控包括:
❖ ①mRNA加工成熟水平上的调控 ❖ (differential processing of RNA transcript)； ❖ ②翻译水平上的调控 ❖ (differential translation of mRNA)。
❖ 在负转录调控系统中，调节基因的产物是 阻遏蛋白(repressor)，起着阻止结构基因转录 的作用。
❖ 根据其作用特征又可分为:
❖
负控诱导
❖
负控阻遏
❖
二大类。
❖ 在负控诱导系统中， 阻遏蛋白不与效应物 (诱导物)结合时，结构 基因不转录；
❖ 在负控阻遏系统中， 阻遏蛋白与效应物结合 时，结构基因不转录。
转录水平上调控的其他形式
1. σ因子的更换
在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转
❖ 每个大肠杆菌细胞可以有约15000个核糖体，与 其结合的约50种核糖体蛋白，数量也是十分稳定的。 糖酵解体系的酶含量很大，其数目也极恒定。
❖ 如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程 中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受 环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质 被称为组成型(constitutive)合成蛋白质。
❖ 阻遏蛋白作用的部 位是操纵区。
❖ 在正转录调控系统中，调节基因的产物 是激活蛋白(activator)。
❖ 根据激活蛋白的作用性质分为:
❖
正控诱导系统

结构基因（ 结构基因（Z、Y、A）： ）： β-半乳糖苷酶 半乳糖苷酶: 半乳糖苷酶 乳糖 半乳糖 + 葡萄糖
β-半乳糖苷透过酶 使乳糖能透过细菌壁 半乳糖苷透过酶: 半乳糖苷透过酶 β-半乳糖苷乙酰基转移酶 半乳糖苷乙酰基转移酶 启动区（promotor, P）： 启动区（ ）：lacP ）： 操纵区（ ）：lacO 操纵区（operator, O）： ）： 调节基因（ ）：产生阻遏蛋白 ）：产生阻遏蛋白， 调节基因（I）：产生阻遏蛋白，结合到操纵基因
二、原核生物和真核生物的基因表达调控策略
原核生物的基因调控
取决于环境因素及细胞对环境条件的适应 在DNA、转录和翻译三个水平上进行 、转录和翻译三个水平上进行 操纵子—原核生物转录调控的主要方式 操纵子 原核生物转录调控的主要方式
真核生物的基因调控
比原核生物复杂得多（多细胞生物） 比原核生物复杂得多（多细胞生物） 基因表达调控贯穿于DNA到有功能蛋白质的全过程 到有功能蛋白质的全过程 基因表达调控贯穿于 未发现操纵子的存在
30
Trp操纵子的阻遏调节系统 操纵子的阻遏调节系统
调节区
trpR
RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 O P
结构基因
Trp 低时
辅 阻 遏 蛋 白
mRNA
Trp 高时
Trp(诱导物 诱导物) 诱导物
31
（二）Trp 操纵子的衰减作用
前导序列： 基因上游一个长162bp的DNA片段。 片段。 前导序列： 在trpE基因上游一个长 基因上游一个长 的 片段
13
负控诱导
负调控
负控阻遏
可诱导调节
正控诱导
正调控
正控阻遏
可阻遏调节

• mRNA加工成熟水平调控 • 翻译水平调控
• 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
– 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 环境因素的影响力下降。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
2020/5/1
乳糖操纵子模型
1. 酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基 中 加 入 乳 糖 1 ～ 2 分 钟 后 ， 编 码 β- 半 乳 糖 苷 酶 和 透 过 酶 的 lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
2020/5/1
2020/5/1
乳糖操纵子模型
2.2. 大肠杆菌对乳糖的反应 • 在以甘油为碳源的培养基中 • 加乳糖以前，lac操纵子本底水平表
达 • 加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大
量表达 • 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异
构乳糖，阻遏状态重新形成， mRNA水平下降。 • β-半乳糖苷酶半衰期长，其活性下 降滞后。
• 两个矛盾：
– 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需 要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。
– 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正诱导物是异构乳糖 ，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
• 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和β-半乳糖苷 酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密 ，偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱 导过程得以启动。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
4. 降解物对基因活性的调节 • 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳

• 绪论 • 一、 乳糖操纵子的调控模式 • 二、 色氨酸操纵子的调控模式 • 三、 其他操纵子的调控机制 • 四、 原核生物种的转录后调控
绪论
• 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，只有能根据 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。自然选择倾向于保留高效率的生命过 程。在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中， 若有一个细菌变成了29.5min增殖一倍，大约 经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9% 都将具有29.5min增殖一倍的生长速度。
• 1． 酶的诱导-lac体系受调控的证据在 不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中， lac+基因型每个大肠杆功细胞内大约只 有1-2个酶分子。如果在培养基中加入乳
糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的 6%或7%，每个细胞中可有超过105个 酶分子。
• 科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性 35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导
2. 操纵子模型
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，建立了该操纵子 的控制模型。
① Z、Y、A基因的子紧接着O区，而位于I 与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成β半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。
会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不
进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中 cAMP的浓度也会很高。
• 研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制 (Catabolite repression)现象的实质是该代谢物 降低了细胞中cAMP的含量.事实上，cAMP-CAP复合 物是lac体系的positive regulator，它们不能代 替lacI和lacO的功能(negative regulator)。