原核生物基因表达的调控

1、 ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulationgene regulation 。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specifici

2、ty)。 2、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。五、五、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点调

3、节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控负转录调控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。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物m

4、RNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辐阻遏物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。 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。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。 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

5、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，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( -galactosidase)。 在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时，大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。 在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，

6、是研究基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lac operon）学说。Francis Jacob Jacques Monod 二二 乳糖操纵元乳糖操纵元乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点调节基因调节基因Control elementStructural genesmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因诱导作用：在可诱导的操纵元中，诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达

7、有调节作用的小分加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性子后，开启基因的转录活性mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖别乳糖别乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶生成生成lac诱导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose 异构乳糖异构乳糖 别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?+ glucose- glucoseTime (hr)Units of -galactosidase+ lactoseGlucose addedCAP, catabolite activator protein 由由crp编码编码

8、CRP, catabolite receptor protein+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控结合位点序列保守结合位点序列保守cAMP-CAP复合物的结合，使位点复合物的结合，使位点II附近的富含附近的富含GC区域双螺旋结构稳定性降低，因而区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔区的熔解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成Summary o

9、f lac operon regulationmRNA无乳糖时无乳糖时有乳糖时有乳糖时 无葡萄糖无葡萄糖 cAMP浓度高浓度高 有葡萄糖有葡萄糖cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOlaclac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵元的调节。细胞需要也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。济的原则。wt, A下游下游36bp, 不依赖不依赖p wt, t下游下游250bp，依赖，依赖p trp O

10、 不转录不转录Trp 有有Trp 无无TrpmRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 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R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。有四个富含有四个富含GCGC的区段，相邻的区段之间可形成茎环结构的区段，相邻的区段之间可形成茎环结构弱化子（弱化子（ attenuator attenuator ）：）： 一段位于结构基因上游前一段位于结构基因上

11、游前 导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录 产生的产生的 mRNA mRNA 形成类似于终止子的二级结构，达到转形成类似于终止子的二级结构，达到转 录终止的目的。录终止的目的。 S312POE4321LDNARNAAUGUGA2 trp codons1432UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序

12、列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度较高时当色氨酸浓度较高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA R

13、NA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能形成衰减子结构不能形成衰减子结构 summaryNegativerepressible operonNegativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏R P O leading seq. E D C B Atrp+为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？ 当大量当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导合，阻止先导mRNA合成。合成。 经济经济

14、仅有少量仅有少量 trp时，时，RNApol启动，启动，但在但在L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断R P O leading seq. E D C B A少量少量trp+不足以结合不足以结合 O 位点位点为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？ 当当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发慢，不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。水平。原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应

15、性增强原核生物对环境的适应性例，例，E coli 中外膜蛋白中外膜蛋白 ompF 的的 表达调控表达调控噬菌体，噬菌体，cII蛋白抑制晚期基蛋白抑制晚期基因转录因转录Tn10中转座酶翻译的调节中转座酶翻译的调节Env，编码渗透压感受器的受体蛋白，编码渗透压感受器的受体蛋白ompC低渗时，低渗时，ompC关闭，关闭，ompF增加增加高渗时，高渗时，ompC增加，增加，ompF下降下降ompC与与ompF是外膜蛋白，是外膜蛋白，受培养基渗透压的调节受培养基渗透压的调节 因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始唯一需要因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始唯一需要的因子。许多细菌能生产多种可取代的的因子。许多细菌能生产多种可取代的 因子，以识别不同因子，以识别不同的启动子。当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达的启动子。当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要时，需要不同的不同的 因子因子指导指导RNA聚合酶