7-原核生物基因表达调控课件

7基因的表达与调控（上）

——原核基因表达调控模式11/26/202217基因的表达与调控（上）

——原核基因表达调控11/26/2022211/25/202227.1原核基因表达调控总论基因表达（geneexpression）

：指基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA产物的过程。对这个过程的调节称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）组成型基因(constitutivegenes)调控型基因(regulatedgenes)11/26/202237.1原核基因表达调控总论基因表达（geneexpres组成型基因(constitutivegenes)又称管家基因(housekeepinggenes)是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活性状态。

管家基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因表达只受启动程序或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其它机制的调节。管家基因的表达水平不同，但无论水平高低，它们都较少受环境变化的影响，而且在个体各个不同的生长阶段几乎全部组织中持续表达，或变化很少。由于:（1）启动子的天然效率，靠它制造mRNA；（2）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性（mRNA的寿命）。11/26/20224组成型基因(constitutivegenes)调控型基因(regulatedgenes)又称奢侈基因(luxurygenes)在不同组织细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。11/26/20225调控型基因(regulatedgenes)又称奢侈基因(l11/26/2022611/25/20226基因表达调控主要表现在以下两个方面：转录水平上的调控(transcriptionalregulation)；转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation），包括①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)；②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。11/26/20227基因表达调控主要表现在以下两个方面：11/25/20指挥基因调控的信号原核生物：营养状况、环境因素真核生物：激素水平、发育阶段11/26/20228指挥基因调控的信号11/25/20228基因表达调控的时间性和空间性11/26/20229基因表达调控的时间性和空间性11/25/202297.1.1原核基因调控分类

原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转录调控和正转录调控。正调控（positivecontrol）：

在操纵子中，结构基因本来不表达，可当调节蛋白（无辅基诱导蛋白）出现时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当调节蛋白（阻遏蛋白）出现时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。11/26/2022107.1.1原核基因调控分类原核生物的基因调控在正调控中，反式作用因子必须结合在顺式作用元件上以促进RNA聚合酶在启动子位置起始转录。11/26/202211在正调控中，反式作用因子必须结合在顺式作用元件上以促在负调控系统中，阻遏物结合在顺式作用元件上以阻止转录。11/26/202212在负调控系统中，阻遏物结合在顺式作用元件上以阻止转录。11/顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。结构基因（structuralgene）：编码RNA或蛋白产物的基因，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。11/26/202213顺式作用元件（cis-actingele调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。调节蛋白（regulatoryprotein）：调节基因的表达产物，叫调节蛋白。包括正调节蛋白，又叫激活蛋白（activator）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。由于调节蛋白（RNA）能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-actingelement）。11/26/202214调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调负调控根据作用特征负控诱导负控阻遏正调控根据作用特征正控诱导正控阻遏11/26/202215负调控根据作用特征负控诱导负控阻遏正调控根据作用特征正控诱导细菌中的转录调控体系。a.负控诱导系统；b.正控诱导系统；c.负控阻遏系统；d.正控阻遏系统。11/26/202216细菌中的转录调控体系。11/25/2022167.1.2原核基因调控的主要特点可诱导的调控：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物质（诱导物），则开启基因的转录活性。可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因的转录活性。11/26/2022177.1.2原核基因调控的主要特点可诱导的调控：在可诱导的操7.2操纵子学说（theoryofoperon）1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。11/26/2022187.2操纵子学说（theoryofoperon）194乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。11/26/202219乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。11/25/20221

由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出的一个有关原核基因表达调控的模型——操纵子模型。获得1965年诺贝尔生理学奖。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"11/26/202220由法国科学家Jacob和Monod于11.基本概念(Keytermsdefinedinthissection)

◆操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。一个操纵子＝编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)结构基因启动子操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)11/26/2022211.基本概念(Keytermsdefinedint11/26/20222211/25/20222211/26/20222311/25/2022232.乳糖操纵子（1）乳糖操纵子（lactoseopron）结构大肠杆菌乳糖操纵子是一种可诱导的负调控系统。大肠杆菌乳糖操纵子（lactoseoperon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。11/26/2022242.乳糖操纵子（1）乳糖操纵子（lactoseopron乳糖操纵子（lactoseopron）结构IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶RNA聚合酶结合位点（－67~－59）（－7~＋28）11/26/202225乳糖操纵子（lactoseopron）结构IPOZYA调11/26/20222611/25/202226

Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖苷透过酶；A——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）。

β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-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。

β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。11/26/202227Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖操纵基因的鉴定（foot-printing）1）P-O区FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

11/26/202228操纵基因的鉴定（foot-printing）1）P-O区F内切酶

SDSSDS11/26/202229内切酶SDS操纵基因的结构Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.11/26/202230操纵基因的结构Thelacoperatorhas操纵基因的位置11/26/202231操纵基因的位置11/25/202231Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.11/26/202232OperatorsmaylieatvariouspFigure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

11/26/202233Figure9.10RNApolymeraseiniPromotor:-84+1Operator:-7+28两者有7bp重叠，使这段序列可能无法同时结合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能虽然可以同时结合，但无法形成开放的转录起始复合物。11/26/202234Promotor:-84+111/25/11/26/20223511/25/2022352）Lac阻遏物的作用负调控调节蛋白的基本结构11/26/2022362）Lac阻遏物的作用负调控调节蛋白的基本结构11/2Figure10.14Thecrystal(晶体)structureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.

11/26/202237Figure10.14Thecrystal(晶体)sFigure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.11/26/202238Figure10.15Inducerchangest11/26/20223911/25/20223911/26/20224011/25/2022402）Lac阻遏物的作用负调控11/26/2022412）Lac阻遏物的作用负调控11/25/202241Lac阻遏物的作用负调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因11/26/202242Lac阻遏物的作用负调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAmRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶11/26/202243mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录11/26/20224411/25/20224411/26/20224511/25/202245安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）11/26/202246安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱3、乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将三个结构基因关闭。

但这种关闭或开启并不是100%！11/26/2022473、乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）11/26/20224811/25/2022484、CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用

——乳糖操纵子的正调控11/26/2022494、CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用

某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（cataboliterepression）。1965年，Sutherland发现大肠杆菌培养液中葡萄糖的含量总是与cAMP含量成反比。1968年，发现大肠杆菌培养液中加入cAMP可增加半乳糖苷酶的产量。11/26/202250某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中cAMP与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP的浓度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。11/26/202251cAMP与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由A11/26/20225211/25/202252大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。11/26/202253大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形CAP的作用机制cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。11/26/202254CAP的作用机制cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTCAP-cAMP激活作用的模型11/26/202255CAP-cAMP激活作用的模型11/25/202255促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物CAP11/26/202256促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成11/26/20225711/25/20225711/26/20225811/25/202258lac操纵子正负调控的协调作用两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。负调控：受乳糖和阻遏蛋白调节正调控：受cAMP和CAP调节11/26/202259lac操纵子正负调控的协调作用两种调无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。11/26/202260无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋7.3色氨酸（Trp）操纵子与负控阻遏系统色氨酸合成步骤trpE&trpG——邻氨基苯甲酸合酶；trpD——邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶；trpF——异构酶；trpC——吲哚甘油磷酸合酶；trpA、trpB则分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。11/26/2022617.3色氨酸（Trp）操纵子与负控阻遏系统色氨酸合成步骤111/26/20226211/25/202262Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B链和A链）。当色氨酸低或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成mRNA。

11/26/202263Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制1.结构与功能Figure10.41trp操纵子包含5个相邻的结构基因，这五个结构基因上游是前导序列、操纵基因、启动子序列和衰减子。11/26/2022641.结构与功能Figure10.41trp操纵子包含结构特点：（1）阻遏物基因trpR和结构基因trpEDCBA不紧密连锁；（2）操纵基因在启动子区域内；（3）启动子、操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；（4）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段DNA序列，该序列可以辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为衰减子（attenuator）。由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的存在与否没有关系，也就不存在cAMP-CAP结合位点。11/26/202265结构特点：（1）阻遏物基因trpR和结构基因trp2.调控方式——可阻遏的负调控trpRmRNAA:B:无活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol11/26/2022662.调控方式——可阻遏的负调控trpRmRNAA:B:无活3.衰减作用经测序后发现，在第一个结构基因（trpE）的5’-端有一个长160bp的前导序列（leadersequence）。当此序列缺失130~160bp时，mRNA总是最高水平的（6-10倍）。而当trp存在时，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。11/26/2022673.衰减作用经测序后发现，在第一个结构基因（tr☻前导肽（Leaderpeptide）：推测前导区mRNA可编码14个氨基酸组成的多肽，其中第10和第11位均为色氨酸。☻有四个富含GC的区段，相邻的区段之间可形成茎环结构。11/26/202268☻前导肽（Leaderpeptide）：推测前导区mRNA弱化子（attenuator）：一段位于结构基因上游前导区，具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的。11/26/202269弱化子（attenuator）：一段位于结构基因上游前表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列操纵子前导肽的氨基酸序列色氨酸MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer苏氨酸MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·缬氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸-缬氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro11/26/202270表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序11/26/20227111/25/20227111/26/20227211/25/202272

高Trp时：Trp-tRNATrp存在

核糖体通过片段1(2个Trp密码子)

封闭片段2

片段3，4形成发夹结构

类似于不依赖ρ因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物转录、翻译偶联,产生前导肽11/26/202273高Trp时：Trp-tRNATrp存在转录、翻译偶联,

低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1

（2个Trp密码子）

片段2，3形成发夹结构

转录不终止

RNA聚合酶继续转录11/26/202274低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应1111/26/20227511/25/202275衰减子调控系统的生物学意义：（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之间的转换可能较慢，而tRNA的荷载与否可能更快捷；（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白质，所以，以tRNA的荷载情况为标准来进行调控可能更为合适；（3）阻遏蛋白与衰减子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪费。当细胞内氨基酸高于某一水平时，可完全实现阻遏；而低于该水平时，则启用衰减子进行微细调控。某些氨基酸操纵子仅使用衰减子即可实现调控。11/26/202276衰减子调控系统的生物学意义：（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之7.4阿拉伯糖操纵子（ArabinoseOperon）

阿拉伯糖操纵子是调控阿拉伯糖分解代谢所需酶系的操纵子。它具有正调控和负调控的功能。参与阿拉伯糖分解代谢的酶系共由三个操纵子编码，这三个操纵子分别是：araBAD、araE和araF。它们由一个共同的araC调节基因进行调控。（1）araBAD：包括三个基因：araB、araA和araD。分别编码L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖异构酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面异构酶。（2）araE和araF：编码膜结合蛋白，与阿拉伯糖的结合与转运有关。11/26/2022777.4阿拉伯糖操纵子（ArabinoseOperon）1.结构与功能araCaraO2araO1/PcaraIParaBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P11/26/2022781.结构与功能araCaraO2araO1/PcaraI（1）C蛋白具有双功能：它单独与araO1(-100~-144bp)结合，起阻遏作用，包括其自身的表达；C与阿拉伯糖结合形成Cind复合物，即诱导型C蛋白。它结合在araI区(-40~-78bp)，使RNA聚合酶结合于PBAD位点（+40bp），转录B、A和D三个基因。（2）C蛋白的两种状态：Cind和Crep，功能不同，结合的位点也不同。前者结合于araI，后者结合于araO1和araO2。（3）C蛋白还可以调节分散的基因：araE和araF。SonamedRegulon。（4）有两个启动子：PC和PBAD。PC启动子与araO1重叠。11/26/202279（1）C蛋白具有双功能：它单独与araO1(-100~-142.调控方式（1）当存在Ara和Glu时，araC转录少量C蛋白并与araO1结合，反馈性抑制araC的转录。（2）当有Ara而无Glu时，Ara可作为糖源。此时Ara与少量的C蛋白结合，形成诱导型C蛋白Cind，它作为正调控因子与araI结合，促进了araPBAD的转录，产生了3种酶，促进Ara的分解。（3）当无Ara或用完后，C蛋白（Crep

）与araO1结合，阻碍RNA聚合酶在此区域结合，关闭操纵子；或与araI和araO2

结合，形成环状，阻遏了PBAD和PC启动。11/26/2022802.调控方式（1）当存在Ara和Glu时，araCaraDaraAaraBPBADCindAracAMPCAPRNApolaraDaraAaraBaraO2araIA:

诱导B:阻遏CC

CC+1-100-200-30011/26/202281araDaraAaraBPBADCindAracAMP7.5翻译水平的调控7.5.1翻译的自我调控1、翻译产物的蛋白质作为调控分子，直接结合在mRNA的翻译起始位点，调节翻译的效率，如核糖体蛋白。11/26/2022827.5翻译水平的调控7.5.1翻译的自我调控11/25/在核糖体组装时，与rRNA结合的蛋白为关键蛋白，它对核糖体蛋白的合成起调控作用。每一个操纵子编码自己的关键蛋白，它抑制整个操纵子的表达。11/26/202283在核糖体组装时，与rRNA结合的蛋白为关键蛋白，它

某种r蛋白合成过快时，r蛋白可与其模板mRNA上的SD序列结合，而使其不能与核糖体结合，导致mRNA的降解而使这种r蛋白合成速度降低。11/26/202284某种r蛋白合成过快时，r蛋白可与其模板mRN11/26/20228511/25/2022852、mRNA形成特定的二级结构，起调控作用。11/26/2022862、mRNA形成特定的二级结构，起调控作用。11/25/211/26/20228711/25/2022873.重叠基因对翻译的影响重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。A基因B基因A基因终止密码子与B基因的起始密码子重叠11/26/2022883.重叠基因对翻译的影响重叠的密码保证了同一核糖体对两个连trp操纵子trpE基因与trpD基因的翻译偶联机制trpE－苏氨酸－苯丙氨酸－终止ACUUUCUGAUGGCUAUGGCU甲硫氨酸－丙氨酸－trpD11/26/202289trp操纵子trpE基因与trpD基因的翻译偶联机制trpE4、稀有密码子对翻译的影响11/26/2022904、稀有密码子对翻译的影响11/25/202290实验证据RNA引物由dnaG基因编码的引物酶催化合成；dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子；基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。11/26/202291实验证据11/25/202291由于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。11/26/202292由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码5、反义RNA的调节作用反义RNA（antisenseRNA）：能与mRNA互补结合，从而阻断mRNA翻译的RNA分子11/26/2022935、反义RNA的调节作用反义RNA（antisenseRNmRNA5’反义RNAAUG+1S-D3’

以大肠杆菌外膜蛋白的表达为例，说明反义RNA的调控作用。大肠杆菌外膜蛋白有两种：OmpC和OmpF。它们的表达受渗透压的调节。渗透压高：OmpC合成增多，OmpF的合成受到控制；渗透压低：OmpF合成增多，OmpC的合成受到控制。11/26/202294mRNA5’反义RNAAUG+1S-D3’图10.46渗透压增加使EnvZ活化，该酶激活OmpR,OmpR引起micF和ompC的转录。micFRNA(174nt)与ompFmRNA的5’端互补，阻止ompFmRNA的转录。

11/26/202295图10.4611/25/202295Figure10.45反义RNA可影响目标RNA的功能和稳定性。1）调控翻译的起始；2）调控RNA的稳定性；3）调控转录的终止。11/26/202296Figure10.45反义RNA可影响目标RNA的Figure10.48AntisenseRNAcanbegeneratedbyreversingtheorientationofagenewithrespecttoitspromoter,andcananneal（退火）withthewild-typetranscripttoformduplexRNA.

11/26/202297Figure10.48AntisenseRNAcan6.魔斑核苷酸水平对翻译的影响科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。11/26/2022986.魔斑核苷酸水平对翻译的影响科学上，把培养基中营养缺乏，提问与解答环节QuestionsAndAnswers提问与解答环节谢谢聆听·学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal谢谢聆听LearningIsToAchieveAC7基因的表达与调控（上）

——原核基因表达调控模式11/26/20221017基因的表达与调控（上）

——原核基因表达调控11/26/202210211/25/202227.1原核基因表达调控总论基因表达（geneexpression）

：指基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA产物的过程。对这个过程的调节称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）组成型基因(constitutivegenes)调控型基因(regulatedgenes)11/26/20221037.1原核基因表达调控总论基因表达（geneexpres组成型基因(constitutivegenes)又称管家基因(housekeepinggenes)是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活性状态。

管家基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因表达只受启动程序或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其它机制的调节。管家基因的表达水平不同，但无论水平高低，它们都较少受环境变化的影响，而且在个体各个不同的生长阶段几乎全部组织中持续表达，或变化很少。由于:（1）启动子的天然效率，靠它制造mRNA；（2）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性（mRNA的寿命）。11/26/2022104组成型基因(constitutivegenes)调控型基因(regulatedgenes)又称奢侈基因(luxurygenes)在不同组织细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。11/26/2022105调控型基因(regulatedgenes)又称奢侈基因(l11/26/202210611/25/20226基因表达调控主要表现在以下两个方面：转录水平上的调控(transcriptionalregulation)；转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation），包括①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)；②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。11/26/2022107基因表达调控主要表现在以下两个方面：11/25/20指挥基因调控的信号原核生物：营养状况、环境因素真核生物：激素水平、发育阶段11/26/2022108指挥基因调控的信号11/25/20228基因表达调控的时间性和空间性11/26/2022109基因表达调控的时间性和空间性11/25/202297.1.1原核基因调控分类

原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转录调控和正转录调控。正调控（positivecontrol）：

在操纵子中，结构基因本来不表达，可当调节蛋白（无辅基诱导蛋白）出现时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当调节蛋白（阻遏蛋白）出现时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。11/26/20221107.1.1原核基因调控分类原核生物的基因调控在正调控中，反式作用因子必须结合在顺式作用元件上以促进RNA聚合酶在启动子位置起始转录。11/26/2022111在正调控中，反式作用因子必须结合在顺式作用元件上以促在负调控系统中，阻遏物结合在顺式作用元件上以阻止转录。11/26/2022112在负调控系统中，阻遏物结合在顺式作用元件上以阻止转录。11/顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。结构基因（structuralgene）：编码RNA或蛋白产物的基因，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。11/26/2022113顺式作用元件（cis-actingele调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。调节蛋白（regulatoryprotein）：调节基因的表达产物，叫调节蛋白。包括正调节蛋白，又叫激活蛋白（activator）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。由于调节蛋白（RNA）能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-actingelement）。11/26/2022114调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调负调控根据作用特征负控诱导负控阻遏正调控根据作用特征正控诱导正控阻遏11/26/2022115负调控根据作用特征负控诱导负控阻遏正调控根据作用特征正控诱导细菌中的转录调控体系。a.负控诱导系统；b.正控诱导系统；c.负控阻遏系统；d.正控阻遏系统。11/26/2022116细菌中的转录调控体系。11/25/2022167.1.2原核基因调控的主要特点可诱导的调控：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物质（诱导物），则开启基因的转录活性。可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因的转录活性。11/26/20221177.1.2原核基因调控的主要特点可诱导的调控：在可诱导的操7.2操纵子学说（theoryofoperon）1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。11/26/20221187.2操纵子学说（theoryofoperon）194乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。11/26/2022119乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。11/25/20221

由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出的一个有关原核基因表达调控的模型——操纵子模型。获得1965年诺贝尔生理学奖。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"11/26/2022120由法国科学家Jacob和Monod于11.基本概念(Keytermsdefinedinthissection)

◆操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。一个操纵子＝编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)结构基因启动子操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)11/26/20221211.基本概念(Keytermsdefinedint11/26/202212211/25/20222211/26/202212311/25/2022232.乳糖操纵子（1）乳糖操纵子（lactoseopron）结构大肠杆菌乳糖操纵子是一种可诱导的负调控系统。大肠杆菌乳糖操纵子（lactoseoperon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。11/26/20221242.乳糖操纵子（1）乳糖操纵子（lactoseopron乳糖操纵子（lactoseopron）结构IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶RNA聚合酶结合位点（－67~－59）（－7~＋28）11/26/2022125乳糖操纵子（lactoseopron）结构IPOZYA调11/26/202212611/25/202226

Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖苷透过酶；A——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）。

β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-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。

β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。11/26/2022127Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖操纵基因的鉴定（foot-printing）1）P-O区FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

11/26/2022128操纵基因的鉴定（foot-printing）1）P-O区F内切酶

SDSSDS11/26/2022129内切酶SDS操纵基因的结构Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.11/26/2022130操纵基因的结构Thelacoperatorhas操纵基因的位置11/26/2022131操纵基因的位置11/25/202231Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.11/26/2022132OperatorsmaylieatvariouspFigure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

11/26/2022133Figure9.10RNApolymeraseiniPromotor:-84+1Operator:-7+28两者有7bp重叠，使这段序列可能无法同时结合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能虽然可以同时结合，但无法形成开放的转录起始复合物。11/26/2022134Promotor:-84+111/25/11/26/202213511/25/2022352）Lac阻遏物的作用负调控调节蛋白的基本结构11/26/20221362）Lac阻遏物的作用负调控调节蛋白的基本结构11/2Figure10.14Thecrystal(晶体)structureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.

11/26/2022137Figure10.14Thecrystal(晶体)sFigure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.11/26/2022138Figure10.15Inducerchangest11/26/202213911/25/20223911/26/202214011/25/2022402）Lac阻遏物的作用负调控11/26/20221412）Lac阻遏物的作用负调控11/25/202241Lac阻遏物的作用负调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因11/26/2022142Lac阻遏物的作用负调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAmRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶11/26/2022143mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录11/26/202214411/25/20224411/26/202214511/25/202245安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）11/26/2022146安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱3、乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将三个结构基因关闭。

但这种关闭或开启并不是100%！11/26/20221473、乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）11/26/202214811/25/2022484、CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用

——乳糖操纵子的正调控11/26/20221494、CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用

某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（cataboliterepression）。1965年，Sutherland发现大肠杆菌培养液中葡萄糖的含量总是与cAMP含量成反比。1968年，发现大肠杆菌培养液中加入cAMP可增加半乳糖苷酶的产量。11/26/2022150某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中cAMP与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP的浓度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。11/26/2022151cAMP与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由A11/26/202215211/25/202252大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。11/26/2022153大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形CAP的作用机制cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。11/26/2022154CAP的作用机制cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTCAP-cAMP激活作用的模型11/26/2022155CAP-cAMP激活作用的模型11/25/202255促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物CAP11/26/2022156促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成11/26/202215711/25/20225711/26/202215811/25/202258lac操纵子正负调控的协调作用两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。负调控：受乳糖和阻遏蛋白调节正调控：受cAMP和CAP调节11/26/2022159lac操纵子正负调控的协调作用两种调无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。11/26/2022160无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋7.3色氨酸（Trp）操纵子与负控阻遏系统色氨酸合成步骤trpE&trpG——邻氨基苯甲酸合酶；trpD——邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶；trpF——异构酶；trpC——吲哚甘油磷酸合酶；trpA、trpB则分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。11/26/20221617.3色氨酸（Trp）操纵子与负控阻遏系统色氨酸合成步骤111/26/202216211/25/202262Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B链和A链）。当色氨酸低或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成mRNA。

11/26/2022163Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制1.结构与功能Figure10.41trp操纵子包含5个相邻的结构基因，这五个结构基因上游是前导序列、操纵基因、启动子序列和衰减子。11/26/20221641.结构与功能Figure10.41trp操纵子包含结构特点：（1）阻遏物基因trpR和结构基因trpEDCBA不紧密连锁；（2）操纵基因在启动子区域内；（3）启动子、操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；（4）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段DNA序列，该序列可以辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为衰减子（attenuator）。由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的存在与否没有关系，也就不存在cAMP-CAP结合位点。11/26/2022165结构特点：（1）阻遏物基因trpR和结构基因trp2.调控方式——可阻遏的负调控trpRmRNAA:B:无活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol11/26/20221662.调控方式——可阻遏的负调控trpRmRNAA:B:无活3.衰减作用经测序后发现，在第一个结构基因（trpE）的5’-端有一个长160bp的前导序列（leadersequence）。当此序列缺失130~160bp时，mRNA总是最高水平的（6-10倍）。而当trp存在时，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。11/26/20221673.衰减作用经测序后发现，在第一个结构基因（tr☻前导肽（Leaderpeptide）：推测前导区mRNA可编码14个氨基酸组成的多肽，其中第10和第11位均为色氨酸。☻有四个富含GC的区段，相邻的区段之间可形成茎环结构。11/26/2022168☻前导肽（Leaderpeptide）：推测前导区mRNA弱化子（attenuator）：一段位于结构基因上游前导区，具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的。11/26/2022169弱化子（attenuator）：一段位于结构基因上游前表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列操纵子前导肽的氨基酸序列色氨酸MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer苏氨酸MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·缬氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸-缬氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro11/26/2022170表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序11/26/202217111/25/20227111/26/202217211/25/202272

高Trp时：Trp-tRNATrp存在

核糖体通过片段1(2个Trp密码子)

封闭片段2

片段3，4形成发夹结构

类似于不依赖ρ因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物转录、翻译偶联,产生前导肽11/26/2022173高Trp时：Trp-tRNATrp存在转录、翻译偶联,

低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1

（2个Trp密码子）

片段2，3形成发夹结构

转录不终止

RNA聚合酶继续转录11/26/2022174低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应1111/26/202217511/25/202275衰减子调控系统的生物学意义：（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之间的转换可能较慢，而tRNA的荷载与否可能更快捷；（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白质，所以，以tRNA的荷载情况为标准来进行调控可能更为合适；（3）阻遏蛋白与衰减子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪费。当细胞内氨基酸高于某一水平时，可完全实现阻遏；而低于该水平时，则启用衰减子进行微细调控。某些氨基酸操纵子仅使用衰减子即可实现调控。11/26/2022176衰减子调控系统的生物学意义：（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之7.4阿拉伯糖操纵子（ArabinoseOperon）

阿拉伯糖操纵子是调控阿拉伯糖分解代谢所需酶系的操纵子。它具有正调控和负调控的功能。参与阿拉伯糖分解代谢的酶系共由三个操纵子编码，这三个操纵子分别是：araBAD、araE和araF。它们由一个共同的araC调节基因进行调控。（1）araBAD：包括三个基因：araB、araA和araD。分别编码L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖异构酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面异构酶。（2）araE和araF：编码膜结合蛋白，与阿拉伯糖的结合与转运有关。11/26/20221777.4阿拉伯糖操纵子（ArabinoseOperon）1.结构与功能araCaraO2araO1/PcaraIParaBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P11/26/20221781.结构与功能araCaraO2araO1/PcaraI（1）C蛋白具有双功能：它单独与araO1(-100~-144bp)结合，起阻遏作用，包括其自身的表达；C与阿拉伯糖结合形成Cind复合物，即诱导型C蛋白。它结合在araI区(-40~-78bp)，使RNA聚合酶结合于PBAD位点（+40bp），转录B、A和D三个基因。（2）C蛋白的两种状态：Cind和Crep，功能不同，结合的位点也不同。前者结合于araI，后者结合于araO1和araO2。（3）C蛋白还可以调节分散的基因：araE和araF。Sonamed