第七章原核生物基因表达的调控

1、 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控原核生物在长期进化过程中演化出来的适应性和高度的应变能力，是其赖以生存繁衍的根本。原核生物的生长与周围环境密切相关，必须不断调节各种基因的表达以适应营养条件和对付周围不利的物理化学因素。原核生物必须能迅速合成自身需要的蛋白质（酶）、核酸和其他生物大分子，又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分。营养状况和环境因素对原核生物基因表达起着举足轻重的影响。 ：从DNA到蛋白质或功能RNA分子的过程。即基因转录及翻译的过程。

2、对这个过程的调节就称为 。编码基因转录合成过程也属于基因表达。永久（组成）型表达(constitutive expression)适应型（调节型）表达(adaptive expression）1、永久型表达： 指不受环境变化或代谢状态影响的一类基因表达。 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为(housekeeping gene)。 2、适应型表达、适应型表达 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现相反，随环境条件变化而基因表达水平

3、降低的现象称为阻遏象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为。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。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

4、织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的。适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）维持个体发育与分化（真核）1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and

5、Monod是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。1 1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、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：的应答，可分为： 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，这样的调控称正转录调控。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

6、活性便被关闭，这样的调控称负转录调控。：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例： 分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为和两大类：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mRNA酶蛋白酶蛋白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。基因平时是开启的，处在产生蛋白质基因平时是开启的，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或酶的工作过程中，由于一些特殊代

7、谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：例： 合成代谢蛋白的基因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辅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。3 3、在、在中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是（repressorrepressor），起着阻止结构基因转录的作用。），起着阻止结构基因转录的作用。 根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为和和：在在系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）系统中，阻遏蛋白与效应物

8、（诱导物）结合时，结构基因转录；结合时，结构基因转录；在在系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。结合时，结构基因不转录。4 4、在、在系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是（activatoractivator）。）。 根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为和和在在系统中，效应物分子（诱导物）的存在系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；使激活蛋白处于活性状态；在在系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存的存在使激活蛋白处于非活性状态在使激活蛋白处于非活性状态。 在E.c

9、oli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达Z编码编码-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳

10、糖Y编码编码-半乳糖苷透过酶：半乳糖苷透过酶：使外界的-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。A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 如果某种物质能够促使细菌产生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- D-硫代半乳糖苷）。主要内容：主要内容： Z Z、Y Y、A A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNAmRNA分子所编码分子所编码 这个这个mRNAmRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着OO区，而位于区，而位于I I与与OO之间的启动子区（之间

11、的启动子区（P P），不能单独起动合成），不能单独起动合成-半半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是操纵基因是DNADNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp26bp），），是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转的转录起始受到抑制。录起始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区

12、没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始始mRNA的合成。的合成。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在- -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有需要有- -半乳糖甘酶的预先存在。半乳糖甘酶的预先存在

13、。解释：解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的laclac mRNA mRNA合成。合成。 培养基：甘油培养基：甘油 按照按照laclac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和

14、半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖乳糖诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响 Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。 当当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操操纵子在这些突变体中就不可诱导。纵子在这些突变体中就不可诱导。 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一

15、旦耗尽操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。乳糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）/环腺苷酸受体蛋白（环腺苷酸受体蛋白（CRP）由由Crp基因编码，能与基因编码，能与cAMP形成复合物。形成复合物。 cAMPCAP复合物是激活复合物是激活lac的重要组成部分。的重要组成部分。ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透过酶透过酶A：乙酰基转移酶：乙酰基

16、转移酶cAMPCAP复合物ATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸） 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：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+ + + + + + + + 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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合

17、，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动子复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。区的结合是转录起始所必需的。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢物阻遏谢物阻遏(catabolic repression)。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同存在时，细菌首先乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。利用葡萄糖。The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorProm

18、oterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepre

19、ssorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constit

20、utiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!1 1、A A基因及其生理功能基因及其生理功能半乳糖苷分子-半乳糖苷酶分解产物（体内积累）-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷分子乙酰基2、lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较 -半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生

21、降解。3 3、操纵子的融合与基因工程、操纵子的融合与基因工程P OZYAtsxPOpur结构基因缺失lac operonpur operon一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 调控序列调控序列 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸催化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp特点特点: : (1) (1) trpRtrpR和和trpABCDEtrpABCDE不连锁；不连锁； (2) (2) 操纵基因在启动子内操纵基因在启动子内 (3) (3) 有衰减子有衰减子(attenuator)/(attenuator)/弱化子弱化子 (4) (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被启动子

22、和结构基因不直接相连，二者被 前导序列前导序列(Leader)(Leader)所所隔开隔开 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 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.Lewin:GENES，1990, Fig .13.16) 衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence） DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。123150 研究引起终止的研究引起终止的mRNA碱基序列碱基序列，发现该区

23、发现该区mRNA通通过自我配对可以形成过自我配对可以形成茎茎-环环结构，有典型的结构，有典型的终止子终止子特特点。点。在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使作用只能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之能通过弱化作用使之中途停下来中途停下来。阻遏作用的信号。阻遏作用的信号是是细胞内色氨酸的多少细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是；弱化作用的信号则是细胞细胞内载有色氨酸的

24、内载有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过前导肽的翻译。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。相成，体现着生物体内周密的调控作用。异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。gal操纵子的特点：操纵子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开可从两个不同的起始点开始转录；始转录； 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galE内部。内

25、部。araB基因、基因、araA基因和基因和araD, 形成一个基因簇，形成一个基因簇，简写为简写为araBAD 三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。第一，第一，araC表达受到表达受到AraC的自身调控。的自身调控。第二，第二，AraC既是既是ara操纵子的正调节蛋白（需操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构蛋白的两种异构体来实现的（体来实现的（Pi和和Pr)。SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相

26、互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复信号转导二组分系统传感蛋白（传感激酶）：位于质膜上应答调节蛋白：细胞质中磷酸化磷酸化的应答调节蛋白成为阻遏或激活蛋白，调控下游基因的表达。rRNA操纵子核糖体蛋白SI操纵子DnaQ蛋白操纵子操纵子中不同的启动子，强度不同，启动作用受不同因子调控。因子的调节作用因子的活性受蛋白酶的调控，也能被同源的抗因子失活。

27、组蛋白类似蛋白的调节作用DNA结合结构域，蛋白-蛋白相互作用结构域转录调控因子的作用抗终止因子的调节作用l起始密码子起始密码子lRBS（核糖体结合位点）（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码链上起始密码子子AUG上游的一段非翻译区。上游的一段非翻译区。 RBS的结合强度取决于的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始序列的结构及其与起始密码子密码子AUG之间的距离。之间的距离。 SD- 4-10（9）-AUGl核糖开关核糖开关大肠杆菌大肠杆菌CsrAB调节系统调节系统dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232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。TrpB 谷氨酸- 异亮氨酸-终止