第六章原核基因表达调控模式

主要内容：基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控当前1页，总共86页。一基因表达调控的基本概念一）基因表达的概念geneexpression

：从DNA到蛋白质的过程（基因转录及翻译的过程）。对这个过程的调节就称为基因表达调控（generegulation）

。

rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达当前2页，总共86页。二原核基因调控机制内容提要：原核基因表达调控环节操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式

当前3页，总共86页。一）原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控（transcriptionalregulation）2、转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）

①

mRNA加工成熟水平上的调控②

翻译水平上的调控当前4页，总共86页。当前5页，总共86页。

1、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：正转录调控

负转录调控

二）原核基因调控机制的类型与特点当前6页，总共86页。调节基因操纵基因结构基因激活蛋白正转录调控正转录调控

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，这样的调控正转录调控。当前7页，总共86页。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白负转录调控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活性便被关闭，这样的调控负转录调控。当前8页，总共86页。可诱导调节（P196）：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：大肠杆菌的乳糖操纵子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，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：当前9页，总共86页。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型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。当前10页，总共86页。可阻遏调节（P197）：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的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：色氨酸操纵子

合成代谢蛋白的基因当前11页，总共86页。酶合成的阻遏操纵子模型调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因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。当前12页，总共86页。3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。当前13页，总共86页。当前14页，总共86页。4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。当前15页，总共86页。当前16页，总共86页。三）转录水平上调控的其他形式1、σ因子的更换

在E.coli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。当前17页，总共86页。大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控当前18页，总共86页。温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的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,适应环境需要枯草芽孢杆菌芽孢形成

有序的σ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当前19页，总共86页。2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响当前20页，总共86页。三乳糖操纵子(lacoperon)

——负控诱导系统内容提要：乳糖操纵子的结构酶的诱导——lac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题当前21页，总共86页。1、操纵子概念操纵子：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。

1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖一）乳糖操纵子的结构当前22页，总共86页。JacobandMonod当前23页，总共86页。lacZ：β—半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖lacY：半乳糖渗透酶，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lacA：半乳糖苷转乙酰酶，使乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖I：阻遏蛋白2、乳糖操纵子的结构当前24页，总共86页。二）酶的诱导——lac体系受调控的证据当前25页，总共86页。安慰诱导物：

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-β–D-硫代半乳糖苷）。当前26页，总共86页。当前27页，总共86页。三）乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码②这个mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独启动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。⑤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lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。当前28页，总共86页。当前29页，总共86页。当前30页，总共86页。四）影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①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？√当前31页，总共86页。②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。当前32页，总共86页。2、大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油

按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成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）异构乳糖当前33页，总共86页。乳糖当前34页，总共86页。诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响当前35页，总共86页。3、阻遏物lacI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，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I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lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。当前36页，总共86页。4、葡萄糖对lac操纵子的影响在乳糖代谢中，β-半乳糖苷酶把乳糖分解成葡萄糖和半乳糖（半乳糖将在gal操纵子的作用下再转化为葡萄糖）。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；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应当前37页，总共86页。5、cAMP与代谢物激活蛋白（降解物对基因活性的调节）代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）当前38页，总共86页。ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物当前39页，总共86页。当前40页，总共86页。ATP腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）

大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；

有葡萄糖，cAMP浓度低当前41页，总共86页。++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控当前42页，总共86页。当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。cAMP—CAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。协调调节葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

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/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。当前43页，总共86页。当前44页，总共86页。TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP当前45页，总共86页。TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!当前46页，总共86页。TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!当前47页，总共86页。五）Lac操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解产物（体内积累）β-半乳糖甘乙酰基转移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙酰基当前48页，总共86页。2、lac基因产物数量上的比较β-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）lacmRNA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lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。当前49页，总共86页。3、操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失lacoperonpuroperon当前50页，总共86页。四色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制当前51页，总共86页。一）色氨酸操纵子的结构

调控基因

结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸的酶

trpRtrp当前52页，总共86页。当前53页，总共86页。特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；

(2)操纵基因在启动子内

(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开

当前54页，总共86页。TrpTrp高时Trp低时mRNA

OPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

二）trp操纵子的阻遏系统当前55页，总共86页。三）trp操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leadersequence）当前56页，总共86页。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……当前57页，总共86页。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DNA

UUUU3’

RNA聚合酶

终止当前58页，总共86页。UUUU……342423UUUU……核糖体

前导肽

前导mRNA

15’

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当前59页，总共86页。

前导肽转录终止结构当前60页，总共86页。

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，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。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相成，体现着生物体内周密的调控作用。当前61页，总共86页。什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trpoperon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。2003年武汉大学分子生物学试题当前62页，总共86页。第五节其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactoseoperon)异构酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)。当前63页，总共86页。gal操纵子的特点：①它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；②它有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。当前64页，总共86页。二、阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一个基因簇，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。当前65页，总共86页。ara操纵子的调控有两个特点：第一，araC表达受到AraC的自身调控。第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。当前66页，总共86页。当前67页，总共86页。当前68页，总共86页。当前69页，总共86页。三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答SOS反应的机理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOSDNA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得到修复当前70页，总共86页。一、翻译起始的调控

RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，长度一般为5个核苷酸，富含嘌呤，该序列与核糖体16SrRNA的3’端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译开始。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。

SD—4~10（9）—AUG第六节转录后水平上的调控当前71页，总共86页。二、稀有密码子对翻译的影响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当前72页，总共86页。几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621σ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。当前73页，总共86页。三、重叠基因对翻译的影响当前74页，总共86页。TrpB–谷氨酸-异亮氨酸-终止GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—苏氨酸—苯丙氨酸—终止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。当前75页，总共86页。四、poly(A)对翻译的影响五、魔斑核苷酸水平对翻译的影响了解当前76页，总共86页。1、关于管家基因叙述错误的是

(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达

(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达

(C)在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达

(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达

(E)在一个物种的几乎所有个体中持续表达D练习当前77页，总共86页。2、一个操纵子（元）通常含有

(A)数个启动序列和一个编码基因

(B)一个启动序列和数个编码基因

(C)一个启动序列和一个编码基因

(D)两个启动序列和数个编码基因

(E)数个启动序列和数个编码基因B当前78页，总共86页。3、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在

(A)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达(B)胚胎发育过程不表达，出生后表达(C)胚胎发育过