第六章原核基因表达调控1

第六章原核基因表达调控模式一.概述

2.基因表达的方式按对刺激的反应可分为：(1)

组成性表达

管家基因（housekeepinggene）

在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。其蛋白质被称为

组成型蛋白质。此类基因表达只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节。第一页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

诱导和阻遏表达

与管家基因不同是它们的表达易受环境变化影响。随外界环境信号变化,其基因表达水平可呈现升高或降低的现象。

*这二类基因除受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制的调节,通常基因的调控序列中含有

特异剌激的反应元件。第二页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

根据细菌酶的合成对环境的反应不同，分为:

组成酶

细菌酶

诱导酶适应酶阻遏酶第三页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

原核基因表达的多级调控四个基本调控点:

基因活化最有效的调节环节转录水平上的调控

转录起始---DNA元件与调控蛋白相互作用调控mRNA加工成熟水平的调控转录后水平上的调控

翻译及翻译后水平的调控第四页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

第五页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

4.原核基因调控机制的分类p.232

原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可以分为：P.232-234负转录调控

调控机制

正转录调控负控诱导负控阻遏正控诱导正控阻遏调节基因的产物-激活蛋白调节基因的产物-阻遏蛋白(为主)第六页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

第七页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式一.概述

5.原核基因表达调控的主要特点

原核生物通过特殊代谢物调节基因活性主要分为可诱导调节和阻遏调节。

1）可诱导调节是指一些基因在特殊代谢物或化合物的作用下，由原来的关闭状态转变为工作状态。这类基因中最典型的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。

2）可阻遏调节这一类基因平时都是开启的，处于合成蛋白质或酶的工作状态，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，

阻遏了基因的表达。最典型的例子是大肠杆菌的色氨酸操纵子。第八页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制1.乳糖操纵子的结构

诱导型操纵子p.237-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰转移酶CAP位点ICAPPO控制区结构基因调节基因操纵序列*CAP

环腺苷酸受体蛋白CAP位点:cAMP-CAP复合物结合位点。

阻遏蛋白作用的部位第九页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制I乳糖操纵子的调节基因和控制区I–调节基因,编码阻遏蛋白。P–启动子,RNA聚合酶结合的DNA序列。O–阻遏蛋白结合位点。结合后,抑制转录启始。CAP位点

–cAMP-CAP复合物结合位点。结合后，促进转录。第十页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制CAP(cataboliteactivatorprotein)

—分解代谢物激活蛋白(环腺苷酸受体蛋白，CRP)结构特点：-同二聚体-具有与CAP位点结合的区域-具有与cAMP(环腺苷酸)结合位点

cAMP—环腺苷酸特点:在大肠杆菌中，cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。-葡萄糖(+)抑制腺苷酸环化酶活性,cAMP合成量减少；-葡萄糖(–)腺苷酸环化酶活性提高,cAMP合成量增加。*CAP蛋白只有与cAMP蛋白形成复合物,才能与操纵子上CAP位点结合，促进转化。第十一页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制第十二页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制2.乳糖操纵子调控机制1)阻遏蛋白的负控诱导（1）葡萄糖(+),乳糖(–)时,-乳糖(–)时,无别乳糖存在，阻遏蛋白与操纵子上的O序列结合,使操纵子处于关闭状态，三个结构基因不表达。

-葡萄糖(+)及cAMP浓度低时，CAP活性低,无cAMP-CAP复合物形成。第十三页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制无诱导物时葡萄糖(+),乳糖(–)结构基因表达关闭

阻遏蛋白的负控诱导第十四页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制（2）葡萄糖(–),乳糖(+)时,-乳糖(+)时细胞内存在别乳糖，阻遏蛋白与别乳糖结合，操纵子从关闭开启。

第十五页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制

效应物:能与阻遏蛋白或激活蛋白结合,使它们的空间构象发生变化,从而改变其对基因转录的影响,这些特定物质被称为效应物(effector).诱导剂:凡是能引起诱导发生的效应物称为诱导剂。别诱导剂阻遏蛋白()第十六页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制别乳糖：效应物

诱导剂(inducer):别乳糖、半乳糖、IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）TMG（巯甲基半乳糖苷）ONPG（O-硝基半乳糖苷）

乳糖类似物非半乳糖苷酶底物是安慰性诱导剂第十七页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制葡萄糖()时cAMP浓度高时,CAP活性高,形成cAMP-CAP复合物，cAMP-CAP复合物与操纵子上的CAP位点序列结合，促进转录的起始，三个基因高水平表达，大量合成三种乳糖酶。

激活蛋白:与操纵子结合后能够增强基因表达的调节蛋白称为激活蛋白----CAP。

正性调节:激活蛋白所介导的调控方式称为正性调节。

CAP的正性调节。cAMP-CAP：是一个正调控因子。但它的形成与阻遏体系无关。第十八页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰转移酶有诱导物时阻遏蛋白的负控诱导与CAP的正性调节葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操纵子上的结构基因称为可诱导基因,基因所编码的酶

称为诱导酶,可诱导基因的表达过程称为酶的诱导合成。第十九页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵纵子调节机制（3）

葡萄糖(+),乳糖(+)共存时,-乳糖(+)别乳糖与阻遏蛋白结合。-葡萄糖(+)cAMP浓度低,CAP活性低,无CAP的正性调控。

葡萄糖(-),乳糖(+)时,

-乳糖(+)别乳糖与阻遏蛋白结合。

-葡萄糖(-)cAMP浓度高,CAP活性高,出现CAP正性调控。此时，操纵子上的基因表达，大量合成三种与乳糖代谢相关的酶,细菌以乳糖作为碳源。

此时，操纵子处于开启状态，但基因不表达，细菌以葡萄糖作为碳源,消耗葡萄糖。第二十页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制转录水平低,没有乳糖酶的合成--乳糖(+)时,葡萄糖（+）第二十一页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰转移酶有诱导物时阻遏蛋白的负控诱导与CAP的正性调节葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操纵子上的结构基因称为可诱导基因,基因所编码的酶

称为诱导酶,可诱导基因的表达过程称为酶的诱导合成。第二十二页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制当在葡萄糖和乳糖同时存在：细菌优先利用葡萄糖，而不启动乳糖操纵子合成乳糖酶,这种现象称为葡萄糖效应或分解代谢物阻遏。

在葡萄糖消耗完后,操纵子转录合成三种乳糖酶。第二十三页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制结论:

乳糖操纵子强的诱导作用只有在以乳糖为碳源时才会出现。也就是说，乳糖操纵子的功能是在阻遏蛋白的负控诱导与CAP的正性调节两个相互独立的调控体系作用下实现的。第二十四页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制2)乳糖操纵子的本底水平表达

在研究乳糖操纵子时发现有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的。

第一，诱导物需要穿过细胞膜才能和阻遏蛋白结合，而转运诱导物是需要通透酶，后者的合成又需要诱导。第一个诱导物如何进入细胞，分析有两个可能：一些诱导物在没有通透酶存在时，也可以进入细胞；

一些通透酶可以在没有诱导物存在的情况下合成。已有研究表明：第二种解释是正确的。第二十五页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制第二，研究发现乳糖不能够与阻遏蛋白结合，真正的诱导物是乳糖的异构体——别乳糖（异构乳糖），而别乳糖是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成需要有-半乳糖苷酶的预先存在。对这一现象的解释同样是：在非诱导状态下有少量的乳糖操纵子的mRNA合成（每一世代中合成1-5个mRNA分子）。这种合成被称之为本底水平的永久型合成。第二十六页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制第二十七页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式二.乳糖操纵子调节机制诱导物的加入和去除

对lacmRNA合成的影响

加入诱导物mRNA迅速合成，随之酶滞后合成。

-当去除诱导物时mRNA的合成很快停止，但酶的合成延迟停止。

P.241第二十八页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

1.色氨酸(trp)操纵子的结构

阻遏型操纵子O–操纵序列L–前导肽编码序列(trpL)a–弱化子序列(trpa)trpR-该基因距trp操纵子上的结构基因很远。编码辅阻遏蛋白,辅阻遏蛋白+色氨酸→具有活性的阻遏物,关闭转录。trpR基因p.246第二十九页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

第三十页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制色氨酸操纵子的启动子(P)和操纵序列(O)第三十一页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制色氨酸操纵子的前导肽编码序列(L)和弱化子(a)前导肽编码序列弱化子前导肽编码序列--具有起始密码子AUG和终止密码子UGA，翻译后应该产生一条含有14个氨基酸的多肽,这一多肽称为前导肽。第三十二页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制2.特点:(1)trpR(89’)和trpABCDE(25’)不连锁(2)操纵序列在启动子内(3)有弱化子(attenuator)(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导区顺序(Leader)所隔开第三十三页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

色氨酸(-)时:

RNA聚合酶与操纵子上的启动子结合结构基因开始转录辅阻遏物单体二聚体前导序列弱化子2.色氨酸操纵子的调控机制1)辅阻遏蛋白的负控阻遏第三十四页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

辅阻遏蛋白与色氨酸结合形成二聚体。-二聚体与操纵子上的O位点结合,阻碍了RNA聚合酶与启动子结合。-结构基因不表达。trpR结构基因阻遏物二聚体色氨酸辅阻遏物二聚体辅阻遏物单体RNA聚合酶色氨酸(+)时:第三十五页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

在trp操纵子的阻遏过程中,

效应物→色氨酸←阻遏物可阻遏基因:trp操纵子上的色氨酸合酶基因的表达可以被它合成的最终产物(色氨酸)所关闭。这些基因被称为可阻遏基因。阻遏酶:trp操纵子上的结构基因所编码的酶称为阻遏酶。第三十六页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

2)

trp操纵子的弱化(衰减)调节在研究trp操纵子时发现-在色氨酸高浓度和低浓度下观察到trp操纵子的表达水平相差约600倍;

-使辅阻遏物失活突变,不能完全消除色氨酸对trp操纵子表达的影响。推测trp操纵子的表达受其他调控机制调控,这种调控与阻遏物的控制无关。*推测trp操纵子的表达受其他调控机制调控,这种调控与阻遏物的控制无关。实验:如果将O序列和trpE基因之间删除123-150位碱基序列,结果发现:trp基因表达可提高6-10倍。第三十七页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制前导肽序列

具有起始密码子AUG和终止密码子UGA，翻译后应该产生一条含有14个氨基酸的多肽,这一多肽称为前导肽。

第10和第11位上有相邻的两个色氨酸。这两个色氨酸密码子参与trp操纵子的弱化调节。弱化子前导肽编码序列与结构基因trpE之间的一段序列,类似终止子序列,具有转录终止作用,又称为内部终子。

弱化子前导肽编码区前导肽第三十八页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制弱化子形成的茎-环结构第三十九页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制前导肽区和弱化子mRNA的特点

第一个结构基因4个片段可以两种不同的方式进行碱基配对形成RNA二级结构:

1-2两片段配对

2-3两片段配对

3-4两片段配对第四十页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

当培养基中色氨酸浓度低时

色氨酰-tRNATrp少，翻译通过前导序列中两个相邻色氨酸密码子的速度很慢，核糖体停留在两个trp密码子处。

前导区结构为2-3配对,不形成3-4配对的终止结构，转录可继续进行。核糖体Trp密码子转录继续第四十一页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制当培养基中色氨酸浓度高时色氨酰-tRNATrp多，核糖体可以顺利通过两个相邻的色氨酸密码子,到达2区，使得2-3区之间不能配对,而3-4区可以配对形成茎-环状终止子结构,转录停止。核糖体茎-环结构转录停止终止码第四十二页，共五十二页。图11-22弱化子调控机制

第四十三页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

弱化子(衰减子)作用第四十四页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

转录的弱化(衰减)作用：转录的弱化理论认为mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以前导肽的翻译必定对tRNATrp的浓度敏感。弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。第四十五页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式三.色氨酸操纵子调节机制

在色氨酸操纵子调控中:-负控阻遏系统粗调开关,负责转录是否启动。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸。-弱化作用微调开关,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转录不起始，而对己经启动的转录是否停止转录，只能通过弱化作用来决定。

这种微调节是通过转录达到第一个结构基因之前的终止来实现的(又称过早终止)。弱化作用的信号是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。

在细胞内这两种调节作用是相辅相成的。第四十六页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式四.半乳糖操纵子调节机制

大肠杆菌半乳糖操纵子上有三个结构基因：p.255

异构酶半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷酸转移酶半乳糖激酶三个酶的作用是催化：

半乳糖葡萄糖-1-磷酸第四十七页，共五十二页。第六章原核基因表达调控模式四.半乳糖操纵子调节机制

1.半乳糖操纵子（galoperon）的结构1)有两个启动子（P1和P2），mRNA可从两个不同的起始点开始转录。2)有两个O区域，ga