第五章原核生物基因表达调控

第五章原核生物基因表达调控第1页，共86页。2023/1/112第一节原核生物基因表达调控的概述第二节乳糖操纵子与负控诱导系统第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统第四节其它操纵子第五节转录后的调控第2页，共86页。2023/1/113第一节原核生物基因表达调控的概述基因表达（geneexpression)：是指DNA分子所承载的遗传信息，通过密码子—反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。基因表达调控（generegulationorgenecontrol):

是指对基因表达过程的调节。第3页，共86页。2023/1/114基因表达调控主要表现在以下几个方面：1、转录水平上的调控（transcriptionalregulation);2、mRNA加工成熟水平上的调控（differentialprocessingofRNAtranscription);3、翻译水平上的调控（differentialtranslationofmRNA)第4页，共86页。2023/1/115基因调控的指挥系统：原核生物营养水平（nutritionalstatus)环境因素(environmentalfactors)真核生物激素水平（hormonelevel)发育阶段（developmentalstage)第5页，共86页。2023/1/116一、原核基因调控机制的类型与特点根据调控机制的不同：正转录调控（positivetranscriptionregulation）：调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高结构基因转录水平的作用。负转录调控（negativetranscriptionregulation）：调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着阻止结构基因转录的作用。第6页，共86页。2023/1/117根据作用特征：诱导（induction）：调节因子与效应物结合后，开启基因的转录活性称为

诱导（induction）；阻遏（repression）：调节因子与效应物结合后，关闭基因的转录活性称为

阻遏（repression）。第7页，共86页。2023/1/118第8页，共86页。2023/1/119第9页，共86页。2023/1/1110调节基因产物

调节基因产物与效应物结合

基因表达基因不表达阻遏蛋白负控诱导系统

负控阻遏系统

激活蛋白正控诱导系统

正控阻遏系统

第10页，共86页。2023/1/11111、特殊代谢物对基因活性的调节可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。如：大肠杆菌的乳糖操纵子可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。如：色氨酸操纵子二、原核基因调节的主要特点第11页，共86页。2023/1/1112无诱导物时，基因关闭诱导物开启基因可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因；第12页，共86页。2023/1/1113可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质。第13页，共86页。2023/1/11142、弱化子对基因活性的调节弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核苷酸序列。trp操纵子mRNA前导序列结构第14页，共86页。2023/1/1115细胞中某一氨基酸的浓度发生改变氨酰–tRNA的浓度变化核糖体在转录产物RNA上的结合位置不同，使得RNA形成特定的二级结构由RNA的二级结构判断基因能否继续转录调节机理：第15页，共86页。2023/1/1116色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响当色氨酸充足时，前导序列的合成正常进行，核糖体占据1区和部分2区，2、3不能有效配对；3、4配对形成终止子的发卡结构，转录终止。Trp+转录终止第16页，共86页。2023/1/1117当缺乏色氨酸时，翻译在双色氨酸密码子处中止；核糖体仅占据1区，2、3区配对；3、4区不能形成发卡结构，转录继续。Trp-转录继续第17页，共86页。2023/1/1118前导区的转录无色氨酸时，转录可持续进行有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止第18页，共86页。2023/1/11193、降解物对基因活性的调节葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性导致环腺苷酸的合成减少环腺苷酸代谢物激活蛋白复合物复合物结合在启动子区域是乳糖、半乳糖等糖类mRNA转录所必需的。第19页，共86页。2023/1/11204、细菌的应急反应

是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。应急反应的机理：空载的tRNA激活焦磷酸转移酶鸟苷四磷酸ppGpp鸟苷五磷酸pppGpp大量合成关闭一些基因打开一些基因第20页，共86页。2023/1/1121

1、原核基因调控机制的类型与特点

正转录调控负转录调控诱导阻遏2、原核基因调节的主要特点

a、特殊代谢物对基因表达的调节

b、弱化子对基因活性的调节

c、降解物对基因活性的调节

d、细菌的应急反应小结第21页，共86页。2023/1/1122β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物第二节乳糖操纵子与负控诱导系统第22页，共86页。2023/1/1123

阻遏蛋白基因（I）属于组成型合成的。因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。lac操纵子的结构阻遏蛋白基因（I）启动区（P）操纵区（O）CAP-cAMP结合部位三个结构基因ZYA第23页，共86页。2023/1/1124一、酶的诱导

——lac体系受调控的证据E.coli

在不含乳糖的培养基生长时，β-半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，则迅速升高。两种含硫的乳糖类似物：异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）巯甲基半乳糖苷（TMG）第24页，共86页。2023/1/1125诱导物（inducer）：如果某物质能促使细胞产生一特定的酶，该物质就叫做诱导物；安慰诱导物（gratuitousinducers）：可诱导酶的合成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac

基因的安慰诱导物。辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。第25页，共86页。2023/1/1126二、乳糖操纵子的模型及其影响因子

操纵子模型：一个或几个结构基因与一个调节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为操纵子（operon）。β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物第26页，共86页。2023/1/1127

操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止RNA聚合酶起始转录。第27页，共86页。2023/1/1128乳糖操纵子控制模型的主要内容：②操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结构基因的表达；③操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；④操纵区与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时，即阻止RNA聚合酶起始转录；⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。①一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因；第28页，共86页。2023/1/1129第29页，共86页。2023/1/1130调节基因阻遏蛋白产生结合操纵区相邻启动区乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：诱导物作用的对象是阻遏蛋白。阻碍RNA聚合酶与启动子区的正常结合结构基因转录成mRNA并合成蛋白质抑制第30页，共86页。2023/1/1131（一）、lac操纵子的本底水平表达诱导物的形成需要有β-半乳糖苷酶的存在；诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在；透过酶的产生又需要诱导物的存在；β-半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；

在非诱导的状态下仍有少量的lacmRNA合成，这种合成被称为本底水平的组成型合成（backgroundlevelconstitutivesynthesis)。第31页，共86页。2023/1/1132（二）、大肠杆菌对乳糖的反应乳糖本底水平透过酶进入细菌细胞结合阻遏蛋白阻遏蛋白失活，β-半乳糖苷酶和透过酶表达细胞吸收大量乳糖去向葡萄糖半乳糖异构乳糖结合阻遏蛋白当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻遏状态，导致lacmRNA的合成被抑制。本底水平β-半乳糖苷酶葡萄糖-1,6-半乳糖诱导物第32页，共86页。2023/1/1133（三）、阻遏物lac

I

基因产物及功能Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚基均含347个氨基酸残基。lacI基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较多的阻遏蛋白；β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物第33页，共86页。2023/1/1134调节基因lacI的突变也可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。第34页，共86页。2023/1/1135操纵区lacO的突变（lacOc）可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。第35页，共86页。2023/1/1136（四）、葡萄糖对lac操纵子的影响

在葡萄糖存在时，E.coli优先利用葡萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效应称为降解物抑制（cataboliterepression）。第36页，共86页。2023/1/1137葡萄糖葡萄糖-6-磷酸甘油某些代谢产物抑制活性腺苷酸环化酶ATPcAMPCrp基因编码代谢物激活蛋白CAPcAMP-CAP

葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对cAMP的抑制完成的。（五）、cAMP与代谢物激活蛋白第37页，共86页。2023/1/1138

代谢物活化蛋白：CAP（Catabolitegeneactivatorprotein；cAMPreceptorprotein

）是一些启动子起始转录必需的正调控因子。

CAP只有与cAMP结合后才能与其结合区域结合。第38页，共86页。2023/1/1139CAP的结合部位

CAP结合部位不太固定，方向也可以不同。半乳糖操纵子乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子第39页，共86页。2023/1/1140三、lacoperon的其它问题

lacoperon的功能是在正负两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用（葡萄糖和乳糖都不存在）；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性（葡萄糖和乳糖同时存在的情况下）；

CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复合物取决于cAMP含量;第40页，共86页。2023/1/1141腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此cAMP－CAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶;降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达。第41页，共86页。2023/1/11422.A基因及其生理功能

编码β

-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！

生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累。第42页，共86页。2023/1/11433.lac基因产物数量，1：0.5：0.2

不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。方式有二:

核糖体脱离:多顺反子的差别性翻译;

内切酶作用:在lacmRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用.第43页，共86页。2023/1/1144第44页，共86页。2023/1/1145

生物细胞中的氨基酸合成，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，达到经济的原则。第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统第45页，共86页。2023/1/1146trp操纵子的组成邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶第46页，共86页。2023/1/1147trpR,阻遏蛋白

P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162

结构基因一、trp操纵子的结构大肠肝菌中的trp操纵子第47页，共86页。2023/1/1148trp操纵子的结构操纵区启动子区（P）操纵子（O）弱化子区（a）结构基因E:邻氨基苯甲酸合成酶（与G基因为融合基因）C:吲哚甘油磷酸合成酶B:色氨酸合成酶α亚基

D:邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶A:色氨酸合成酶β亚基

前导区(L)第48页，共86页。2023/1/1149二、Trpoperon的阻遏系统1、TrpR四聚体第49页，共86页。2023/1/1150阻遏蛋白＋trp→

有活性的阻遏物＋trpO→不转录第50页，共86页。2023/1/11512、阻遏蛋白的结合位点trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO的结合，RNApol与启动子的结合发生竞争。第51页，共86页。2023/1/11523、阻遏系统

主管转录是否启动，在缺乏Trp时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录。

粗调开关第52页，共86页。2023/1/1153

色氨酸操纵子:由与色氨酸合成相关的基因及其调控序列组成。当缺乏色氨酸时，trp

操纵子基因表达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受到阻遏。trp操纵子的阻遏系统

色氨酸调节（trpR）基因突变会引起trpmRNA的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭trpmRNA的转录。第53页，共86页。2023/1/1154三、弱化子对基因表达的调节

阻遏发生时，转录的起始频率下降到1/70，但trp酶系统活性却下降到1/600。弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵子转录终止的调节。弱化子（attenuator）：是指弱化所发生的终止子序列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱化子。1、弱化子（attenuator）第54页，共86页。2023/1/11552、前导区：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码子前有一个长162bp的mRNA片段，被称为前导区。

前导肽：由前导序列指导合成的含有14个氨基酸残基的肽称为前导肽。前导序列结构特点：第10和11位两个密码子为色氨酸密码子。第55页，共86页。2023/1/1156

弱化子，衰减子，α

前导RNA，140bp第56页，共86页。2023/1/1157弱化子，衰减子，α第57页，共86页。2023/1/1158

前导肽14aa第58页，共86页。2023/1/11593、trpmRNA前导序列结构第59页，共86页。2023/1/1160trp缺乏tRNAtrp也少核糖体通过两个trp密码子的速度慢，占据前导序列的trp1区2区与3区配对，不能形成终止子结构结构基因转录4、转录的弱化作用第60页，共86页。2023/1/1161trp浓度高前导肽中trp合成速度快前导肽一直合成至其末端核糖体占据1区和2区3区与4区配对，形成终止子结构，使转录终止第61页，共86页。2023/1/1162弱化子对转录调控的关键空间结构，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)时间，核糖体停顿在2个Trp密码子上时，产生延迟，此时4区未转录出来第62页，共86页。2023/1/1163RPOleadingseq.EDCBAtrp+为什么需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。

经济Negative—repressibleoperon可以被最终合成产物所阻遏四、阻遏作用与弱化作用的协调第63页，共86页。2023/1/1164RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以结合O位点为什么需要弱化系统？当trp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trp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Trp水平。第64页，共86页。2023/1/1165大肠肝菌中共有5个基因参与色氨酸生物合成，构成色氨酸操纵子。其中trpG-D，trpC-F为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。有两个启动子，一个位于操纵子5’，一个位于trpG-D编码区。第65页，共86页。2023/1/1166大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，又会受弱化子的调控，感受无负载的tRNATrp的变化。使转录机器在前导区附近停止或继续结构基因的转录。第66页，共86页。2023/1/1167结构基因galE:半乳糖异构酶galT:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶galK:半乳糖激酶作用：半乳糖葡萄糖–1–磷酸第四节其他操纵子一、半乳糖（gal）操纵子第67页，共86页。2023/1/1168

无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal操纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别：

双启动子;

双操纵区,一个在P区上游–67～–

73，另一个在结构基因galE内部调节基因距离结构基因很远；在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。第68页，共86页。2023/1/1169S2S1转录方向-101、cAMP–CAP对gal启动子的作用

S1起始依赖于

cAMP-CAP，只有当葡萄糖不存在时才可转录，需要有半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP;S2起始不依赖于

cAMP-CAP，只有当葡萄糖存在时才可转录。第69页，共86页。2023/1/11702、双启动子的生理功能半乳糖作为惟一碳源供细胞生长半乳糖差向异构酶的作用UDP-葡萄糖UDP-半乳糖不依赖于cAMP-CAP启动子S2依赖于cAMP-CAP启动子S1是大肠杆菌细胞壁合成的前体第70页，共86页。2023/1/1171二、ara操纵子阿拉伯糖降解araB:核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖异构酶araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶Operator2Operator1regulategenearaBADCRP结合位点第71页，共86页。2023/1/1172araC与araBAD相邻，但转录方向相反。araC

与

araBAD的结构C蛋白有三个结合位点：O1,O2,IC基因为自我调节基因：缺乏C蛋白时，araC表达；当C蛋白含量升高时，抑制araC的表达。具有正、负调节作用。第72页，共86页。2023/1/1173（1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C蛋白与操纵区O2及araI诱导因子结合区上半区结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表达；（2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，AraC与阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白，AraC同源体分别与araO1和araI区结合。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRP-cAMP的作用下，起始BAD基因表达。第73页，共86页。2023/1/1174第五节转录水平上的其它调控方式一、σ因子的调节作用不同σ因子的选择；σ因子本身活性的调节；二、组蛋白类似蛋白的调节作用在细菌细胞中存在的用来维持DNA高级结构的非特异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。第74页，共86页。2023/1/1175三、转录调控因子的作用转录调控因子：指与基因的启动子区结合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子。四、抗终止因子的调节作用抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的蛋白是Nus蛋白。第75页，共86页。2023/1/1176第七节转录后调控一、翻译起始的调控（1）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU，不常见起始密码子翻译起始效率较低；（2）SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离，SD序列与AUG之间的距离一般为4～10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。第76页，共86页。2023/1/1177（3）mRNA的二级结构

30S亚基与mRNA结合，要求mRNA5，端有一定的空间结构，核苷酸序列的变化会改变mRNA的二级结构，影响核糖体与mRNA的结合，从而造成蛋白质合成效率的差异。第77页，共86页。2023/1/1178二、mRNA稳定性对转录水平的影响细胞内无用的mRNA均被核酸酶水解。大肠肝菌CsrAB调节系统。CsrABCsrA为RNA结合蛋白CsrB为非编码的RNA分子结合mRNA分子降解速度加快结合导致第78页，共8