第八章原核生物的基因表达调控

第八章原核生物的基因

表达调控主要内容第一节基因表达调控概述第二节乳糖操纵子第三节色氨酸操纵子第四节其他操纵子基因表达的概念*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。——它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。基因表达(geneexpression)大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的基因表达的时间性及空间性☆

时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。☆

空间特异性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，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。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，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：☆

组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。基本的基因表达只受到启动序列或者启动子与RNA聚合酶相互作用的影响组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。☆

诱导和阻遏表达适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。如:DNA发生损伤时，修复酶的诱导激活。诱导表达（induction）在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。阻遏(repression)如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录水平的基因表达调控最重要基因表达的多级调控基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化原核生物基因表达调控的特点主要是适应性调节主要是转录水平的调节以操纵子为单位，有正、负调控两种机制分解代谢：碳源首先是葡萄糖，其它碳源必须先分解为葡萄糖，才能利用。合成代谢：当培养基中含某种氨基酸时，有关这种氨基酸生物合成的酶类几乎完全缺失。细菌细胞对营养的适应：

F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法国生物化学家、分子生物学家

J·L·莫诺（JacquesL.Monod1910～1976）法国生物学家

操纵子(operon)

机制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，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。结构基因（structuralgene,SG）：编码蛋白质蛋白质多肽链和功能RNA的基因。在细菌基因组中，编码功能相关的结构基因通常成簇排列在一起，共转录到一条mRNA分子上，由同一个控制元件和启动子驱动调节基因（regulatorygene）：编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。调节蛋白与DNA上特定位点结合控制转录

操纵子：在代谢途径中功能密切相关的一组蛋白质编码的结构基因区域加上其调控区域组成的控制单元。激活物结合位点——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白

操纵序列

其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白图

转录水平的负调控与正调控

操纵子调控系统的基本类型第二节乳糖操纵子☆

乳糖操纵子的结构☆

乳糖操纵子的负调节机制☆

乳糖操纵子的正调节机制

乳糖操纵子的结构mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因乳糖操纵子的负调节机制mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。

lac

操纵子受LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂（乳糖或IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac

操纵子DNA序列结合得非常紧密，lac

基因不能进行转录。当IPTG存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对lac

操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以IPTG作为lac基因表达的一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。RNA聚合酶的结合部位（lac操纵基因）也是LacI阻遏蛋白的结合部位，实验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥的。

阻遏物有2个结合位点：一个是诱导物结合位点，另一个是操纵基因结合位点。当诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这种类型的调控叫变构调控。阻遏物阻遏蛋白的结构：N端1～59aa－头部片段，与操纵基因DNA的大沟结合；核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。阻遏蛋

白单体

的三级

结构lac操纵子可诱导的负调控乳糖操纵子的正调节机制细菌优先利用葡萄糖作为碳源，抑制其他糖类代谢的操纵子表达，如果有葡萄糖存在，即使有乳糖等其它诱导物碳源的存在，也优先利于葡萄糖。CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMP­–CAP复合物。此复合物可结合剂lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代谢受阻。

CAP的正性调节

当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。CAP对RNA聚合酶的作用直接作用于RNA聚合酶，作用于DNA，改变其结构，以协助RNA聚合酶结合与DNA结合后引起DNA呈程90度弯曲使CAP能与启动子上的RNA接触乳糖操纵子调控方式的比较与变构物结合无活性有活性负调控正调控调节蛋白阻遏蛋白CAP变构物别乳糖，乳糖cAMP基因位点

O基因CAP位点结合于基因位点基因关闭基因开放未结合于基因位点

基因开放基因关闭不与变构物结合

有活性无活性只有在无glu而有诱导物存在是，cAMP－CAP正调控和可诱导的lac负调控同时起作用，细菌才利用lac协调调节(coordinateregulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录

结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第三节色氨酸操纵子☆

trp操纵子的结构☆

启动子调控——阻遏系统☆

弱化子（衰减子）调控trp操纵子的结构：结构基因（E、D、C、B、A）分别编码从分支氨酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基调控区域，包括启动子区（P）、操纵区（O）、前导肽编码区（L）和弱化子区（a）在trpA之后有两个终止信号t和t´，其中t´为因子所识别，因此因子也参与了调控。Trp操纵子的调节基因（trpR）产生辅阻遏蛋白，远离trp操纵子。trp操纵子的结构特点阻遏物基因trpR（89′）和结构基因trpEDCBA）不紧密连锁；操纵基因在启动子区域内启动子、操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导顺序直接相联有衰减子结构，在合成代谢的操纵子的前导区内，可以辅助阻遏作用进行转录调控启动子调控——阻遏系统色氨酸阻遏蛋白（TrpR）

两个亚基的二聚体，一个中心区域（18个碱基回文序列），两个DNA解读头部（梭基端形成）色氨酸构象变化结合DNA色氨酸操纵子的可阻遏调控TrpR单独是不能与操纵基因结合的，只有与色氨酸结合后，构象发生改变，或为具有活性的阻遏物与操纵基因结合，使RNAPol不能和启动子结合而抑制了转录。色氨酸就称为辅阻遏物（corepressor）色氨酸操纵子的两种调控方式粗调：可阻遏的负调控，即由辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R构成的活性阻遏复合物结合到操纵基因上，由于操纵基因和启动子的重叠，造成RNA聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制转录的起始。细调：衰减系统，通过核糖体对mRNA前导序列的结合，是否形成终止子结构对转录终止进行调控，控制转录是否进行下去。Trp

Trp

高时Trp

低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?色氨酸操纵子可阻遏的负调控弱化子（衰减子）调控

测序发现，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。而当trp存在时，mRNA的表达水平降低。前导序列能编码出一个内含两个并连的trp的14肽，由于这两个trp的合成速度能控制核糖体在mRNA上的移动，使得前导序列的转录产物mRNA可形成特殊的结构，类似转录终止信号，因此编码该结构区域的基因被称为弱化子（衰减子）。前导序列的特点某些区段富含GC，GC区段易形成茎环二级结构，末端有8个U的区段构成一个不依赖于ρ因子的终止信号，能使mRNA合成提前终止，产生139个核苷酸长度的前导RNA。前导序列中在10、11位有并列两个色氨酸密码子含4个互补区段，1和2、2和3、3和4均能互补配对形成发夹结构A、B和C。其中1区处于14个氨基酸的前导肽序列中。若形成A、C发夹结构，则转录终止，若形成B发夹结构，则转录继续，而发夹结构形成那种形式取决于外界trp含量。UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密码子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制

125’

trp

密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’

trp

密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构衰减效应在色氨酸浓度未达到能起阻遏作用时，从trpP起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时，核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上，开始翻译。当色氨酸浓度低时，tRNA

trp-色氨酸量就少，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据前导序列1区域，使不能生成发夹结构A，于是2和3区域配对就形成发夹结构B，阻止了C生成终止信号的结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录，trp操纵元就处于开放状态。

当色氨酸浓度低时：当色氨酸浓度高时：当色氨酸浓度低时，tRNA

trp-色氨酸量就少，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据前导序列1区域，使不能生成发夹结构A，于是2和3区域配对就形成发夹结构B，阻止了C生成终止信号的结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录，trp操纵元就处于开放状态。当色氨酸浓度增高时，tRNA

trp-色氨酸浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据1和2区域，1和2、2和3配对的机会减少，3和4配对就形成具有终止结构C茎环，RNA聚合酶终止转录，于是已经开始的转录就减弱。细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵子（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵子）中也有类似的衰减子存在。阻遏蛋白的负调控作用只能使转录不起始，对于已经开始了的转录，则只能通过衰减作用使基因的表达停顿下来。衰减作用在原核生物中普遍存在衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。衰减作用的生物学意义一、阿拉伯糖操纵子(araO)二、组氨酸操纵子（hutO）第四节、其它操作子的调控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有三个操纵子编码，这三个操纵子分别是：araBAD、araE和araF。它们由一个共同的araC基因产物进行调控。

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。

araE和araF：编码膜结合蛋白，与阿拉伯糖的结合与转运有关。阿拉伯糖操纵子（Arabinose

operon）结构与功能

C蛋白具有双功能：它与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。它结合与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。

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araO2C蛋白还可以调节分散的基因：araE和araF。有两个启动子：PC和PBAD

。

PC启动子与araO1

重叠。调控方式☆

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。☆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。☆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。表

ara操纵子的调控条件表达有Ara有Glu,无CAParaC本底转录→少量Crep结合O1→阻止转录无Glu,有CAPAra+C→Cind→araI→araPBAD

的转录无AraCrepCrep过量→结合O1阻遏araPC或结合O1和

O2成环，阻遏PC或PBAD与His降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制这些酶合成的操纵子被称为hutoperon。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。

Hut操纵子共编码4种酶和一个阻遏物。4种酶分别由hutG、hutH、hutI及hutU基因编码，阻遏物则由hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分别被转录合成两条mRNA长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。组氨酸操纵子无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。翻译起始的调控重叠核苷酸与翻译调控翻译水平的自我调控二级结构对翻译起始的调控反义RNA的调控作用mRNA稳定性对翻译的调控翻译的延伸调控稀有密码子的调控第五节翻译水平上的调控

在原核生物常常出现操纵子中相邻的基因有少量的DNA顺序发生重叠，这不仅