分子生物学原核生物基因表达调控

分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控第一节基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念geneexpression

：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为generegulation

。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达分子生物学原核生物基因表达调控

组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式分子生物学原核生物基因表达调控

1、组成性表达：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。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)。分子生物学原核生物基因表达调控2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

分子生物学原核生物基因表达调控三、基因表达的规律

——时间性和空间性1、时间特异性（temporalspecificity）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。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。

分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控2、空间特异性(spatialspecificity)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。分子生物学原核生物基因表达调控四、基因表达调控的生物学意义

适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）

维持个体发育与分化（真核）分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控第二节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

分子生物学原核生物基因表达调控原核生物基因组结构特点①基因组中很少有重复序列；②编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；③结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因组；④许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子生物学原核生物基因表达调控一、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

翻译水平上的调控分子生物学原核生物基因表达调控二、操纵子学说1、操纵子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖分子生物学原核生物基因表达调控JacobandMonod分子生物学原核生物基因表达调控

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。分子生物学原核生物基因表达调控2、操纵子的定义操纵子：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。分子生物学原核生物基因表达调控

蛋白质因子特异DNA序列结构基因

启动子

操纵序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)分子生物学原核生物基因表达调控启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列分子生物学原核生物基因表达调控操纵序列是阻遏蛋白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阻遏蛋白分子生物学原核生物基因表达调控一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础

在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cis-actingelements），亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。分子生物学原核生物基因表达调控（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征

基因特异性转录因子（genespecifictranscriptionfactors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的蛋白质阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质分子生物学原核生物基因表达调控最常见的DNA结合域：

1.锌指(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒分子生物学原核生物基因表达调控123standforzincion分子生物学原核生物基因表达调控2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控

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

三、原核基因调控机制的类型与特点分子生物学原核生物基因表达调控调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负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。分子生物学原核生物基因表达调控调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控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。分子生物学原核生物基因表达调控可诱导调节：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：分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控可阻遏调节：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分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控四、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。分子生物学原核生物基因表达调控大肠杆菌中的各种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分子生物学原核生物基因表达调控温度较高,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分子生物学原核生物基因表达调控2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控第三节乳糖操纵子(lacoperon)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分子生物学原核生物基因表达调控一、乳糖操纵子的结构分子生物学原核生物基因表达调控Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：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。A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：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。分子生物学原核生物基因表达调控二、酶的诱导——lac体系受调控的证据分子生物学原核生物基因表达调控安慰诱导物：

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）。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控乳糖分子生物学原核生物基因表达调控三、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

分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位分子生物学原核生物基因表达调控操纵位点的回文序列分子生物学原核生物基因表达调控

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。

分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控组成型突变：lacOc

分子生物学原核生物基因表达调控组成型突变：

lacI-分子生物学原核生物基因表达调控不可诱导突变（超阻遏）：分子生物学原核生物基因表达调控四、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？√分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控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）异构乳糖分子生物学原核生物基因表达调控乳糖分子生物学原核生物基因表达调控诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控4、葡萄糖对lac操纵子的影响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。代谢物阻遏效应分子生物学原核生物基因表达调控5、cAMP与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）

分子生物学原核生物基因表达调控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复合物分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控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浓度低分子生物学原核生物基因表达调控++++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的正调控分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP分子生物学原核生物基因表达调控TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!分子生物学原核生物基因表达调控TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!分子生物学原核生物基因表达调控五、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）乙酰基分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控3、操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失lacoperonpuroperon分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控第四节色氨酸操纵子（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分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控一、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分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控特点:(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)所隔开分子生物学原核生物基因表达调控二、trp操纵子的阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因分子生物学原核生物基因表达调控三、trp操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leadersequence）分子生物学原核生物基因表达调控1、弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。123~150分子生物学原核生物基因表达调控

研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。分子生物学原核生物基因表达调控2、前导序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控3、弱化机制分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控

前导肽转录终止结构分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控3.2.1Trp操纵子与负控阻遏系统（一）（1）培养基中Trp浓度较低（2）调控蛋白R不能被活化（3）未活化的调控蛋白R不能与操纵元件结合（4）基因E、D、C、B、A高表达分子生物学原核生物基因表达调控Trp操纵子与负控阻遏系统TrpHighTrp分子生物学原核生物基因表达调控3.2.2Trp操纵子与负控阻遏系统（二）（1）培养基中Trp浓度较高（2）调控蛋白R与Trp结合（3）Trp-R复合物与操纵子结合（4）基因E、D、C、B、A低表达分子生物学原核生物基因表达调控3.3

色氨酸操纵子总结1、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用时则阻遏关闭转录。2、负控阻遏型操纵子。3、色氨酸可以作为共阻遏物起作用，并通过终产物抑制自身的合成（负反馈调节）。4、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。分子生物学原核生物基因表达调控

实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构----衰减子有关。分子生物学原核生物基因表达调控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分子生物学原核生物基因表达调控

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分子生物学原核生物基因表达调控3.4转录终止的调控衰减子（Attenuator）位于转录起始部位的终止子，即可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。G-C区poly(U)EDCBAPromoterOperatorLeaderAttenuatorRNA*********TrpTrp***分子生物学原核生物基因表达调控（一）衰减子（attenuator）1、位置：在trpE起始密码子上游，前导序列的末端。2、特点：（1）是一个不依赖ρ因子的终止子区域（2）在富含GC的回文结构之后是8个连续的U残基（3）在RNA转录物中可能形成发夹结构3、作用：衰减作用（阻碍结构基因转录）分子生物学原核生物基因表达调控1、在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段，序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构。

3与4---衰减子（终止子）发夹结构（二）前导序列（leadingsequence）

G-C区poly(U)4AB分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控（二）前导序列（leadingsequence）

2、前导RNA序列编码14个氨基酸的前导肽，第10和第11个密码子编码连续的色氨酸残基*********TrpTrp***RNA分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控

S312POE4321LDNARNAAUGUGA2trpcodons1432前导肽14aa（三）Attenuation(衰减作用）

使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止的基因调控作用。

现象：培养基中Trp含量较低时---

转录不在衰减子上终止，结构基因表达。

Trp含量较高时---

转录在衰减子上终止，结构基因不表达。

衰减子怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？分子生物学原核生物基因表达调控（四）衰减作用机制转录到达衰减子时，终止子（衰减子）发夹结构能否形成（转录终止/通读）是衰减作用的关键。4AB前导序列mRNA能形成两种形式的发夹结构A、终止子发夹结构可形成（3与4）B、终止子发夹结构不能形成分子生物学原核生物基因表达调控前导肽合成时核糖体在转录物上所在位置控制着两种发夹结构形式的转换TrpTrpTrpTrp2334Trp含量较高时Trp含量较低时分子生物学原核生物基因表达调控（五）色氨酸操纵子衰减作用机制分子生物学原核生物基因表达调控色氨酸浓度高时1、tRNAtrp-色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色氨酸密码子到达2区2、3区和4区形成发夹结构（终止信号）3、衰减作用发生，转录终止，RNA聚合酶释放，不能完成结构基因的转录分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控色氨酸浓度低时1、tRNAtrp-色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密码子时就停顿2、在4区转录未完成时，2区和3区就形成发夹结构3、3区和4区不能形成发夹结构（终止信号），导致转录通读；RNA聚合酶继续沿DNA移动，完成结构基因的转录分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操纵子分子生物学原核生物基因表达调控UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶1.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分子生物学原核生物基因表达调控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3/4trp密码子

UUUU……分子生物学原核生物基因表达调控UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA2.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（六）衰减作用和负控阻遏的关系1、负控阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应答2、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了10倍（细调）；3、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了70倍（粗调）；4、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了700倍的调节效果。原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性分子生物学原核生物基因表达调控（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义）1.活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，而tRNA负载与否可能更为灵敏；2.aa主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA负载情况为标准来进行控制可能更为恰当；3.大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控

再论弱化子（attenuator)与弱化作用(attenuation)

弱化子是指Trp等操纵子前导序列的末端部分，具有减弱转录的功能。当Trp过剩时,前导肽的翻译合成到达前导mRNA的终止密码子处,这时,弱化子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止——弱化作用。

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分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控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)。分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控二、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。

分子生物学原核生物基因表达调控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)。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控三、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得到修复分子生物学原核生物基因表达调控Contents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分子生物学原核生物基因表达调控一、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。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分子生物学原核生物基因表达调控二、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分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控三、重叠基因对翻译的影响分子生物学原核生物基因表达调控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。分子生物学原核生物基因表达调控

应急反应(strigentresponse):当细菌能源十分缺乏时，几乎所有的生化反应都停止，为生存，细菌体内可立即产生一种应急应答反应，关闭许多基因表达。应急反应信号——空转反应（idlingreaction）：核糖体A位点空载tRNA分子生物学原核生物基因表达调控

应急反应效应：产生大量魔斑（电泳时的特殊斑点）ppGpp—四磷酸鸟苷(魔斑ImagicspotI)是调控一些反应的效应物，有多种功能，但主要功能是：①抑制rRNA基因的启动子；②抑制多数或大多数基因转录的延伸。pppGpp—五磷酸鸟苷(魔斑IImagicspotII)魔斑可与启动子或RNA聚合酶结合，调控转录。分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控

6.4魔斑核苷酸对翻译的影响

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-）。在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。

GTP+ATPpppGpp+AMP→ppGpp

ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。rel基因编码严谨因子，催化ppGpp的合成。严谨因子分子生物学原核生物基因表达调控二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段，例如发夹有RNase抗性。细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护蛋白。近年发现，内源或外源的小分子RNA可特异互补结合细胞RNA，使其失去功能。与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式分子生物学原核生物基因表达调控三、翻译产物可对翻译过程产生反馈

调节效应核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译翻译终止因子RF-2调节自身的翻译分子生物学原核生物基因表达调控核糖体蛋白与rRNA合成是互相协调的原核生物的16SrRNA与21种核糖体蛋白(ribosomalproteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23SrRNA与31种r-蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。分子生物学原核生物基因表达调控核糖体蛋白基因与RNApol亚基基因的多顺反子操纵子基因簇表达产物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-β-β’rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15

r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子分子生物学原核生物基因表达调控这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为自我调节（autogenouscontrol）。分子生物学原核生物基因表达调控四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成（一）小分子RNA参与基因表达产物类型转换的调控（二）小分子RNA参与维持极低水平的基因表达分子生物学原核生物基因表达调控

大肠杆菌渗透压调节中micRNA的调节作用

分子生物学原核生物基因表达调控小分子RNA在翻译水平的调控作用分子生物学原核生物基因表达调控第四节

Lambda噬菌体的基因表达调控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

分子生物学原核生物基因表达调控一、Lambda噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关λ噬菌体的生活史溶菌生长途径(lysispathway)溶原菌生长途径(lysogenicpathway)分子生物学原核生物基因表达调控Lambda噬菌体的溶原和裂解生活周期分子生物学原核生物基因表达调控

Lambda噬菌体的基因结构和调控区域分子生物学原核生物基因表达调控Bacteriophagelambdagenome.png分子生物学原核生物基因表达调控二、cI

基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使λ进入溶原周期λ的转录按先后分即刻早期(immediateearly)，晚早期(delayearly)和晚期(late)，三期的表达依次连续相互制约。前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从R沿环到A-J结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。分子生物学原核生物基因表达调控调控的主要关键在阻遏蛋白基因cI

cI两侧启动子受宿主RNApol催化向左转录出12SRNA，翻译为抗终止蛋白N；向右转录出7SRNA，翻译为Cro蛋白。Cro蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位点帮助RNApol越过左、右终止点tR和tL，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白Q的活化。——这些都是完成溶菌作用的必须条件分子生物学原核生物基因表达调控首先是cⅡ的表达，CⅡ开启cI。cI

表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列OL和OR。E.coli的RNApol结合PR后不能向右转录，无法完成晚早和晚期表达，没有结构蛋白的生成。PL的启动活性比PR强，可使重组区表达，产物分别有附加（att）、整合（int）和切割（xis）作用。完成整合后，CIII

维持cII

活性，CⅡ开启cI。cI单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。溶原状态的建立：分子生物学原核生物基因表达调控Lambda溶菌和溶原建立的调控溶菌溶原分子生物学原核生物基因表达调控Lambdaimmediateearlyanddelayedearlygenesareneededforbothlysogenyandthelyticcycle分子生物学原核生物基因表达调控Lambdaimmediateearlyanddelayedearlygenesareneededforbothlysogenyandthelyticcycle分子生物学原核生物基因表达调控CI操纵子

cI基因编码的CI阻遏蛋白，分别作用于早期左向操纵子和早期右向操纵子中的操作子OL和OR，阻止这两个操纵子转录.分子生物学原核生物基因表达调控分子生物学原核生物基因表达调控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分子生物学原核生物基因表达调控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分子生物学原核生物基因表达调控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)胚胎发育过程表达，在出生后不表达

(D)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达

(E)分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达A分子生物学原核生物基因表达调控4、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是

(A)葡萄糖

(B)乳糖

(C)β一半乳糖苷酶

(D)透酶

(E)异构乳糖E分子生物学原核生物基因表达调控5、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的

(A)CAP结合位点

(B)O序列

(C)P序列

(D)Z基因

(E)I基因B分子生物学原核生物基因表达调控6、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在

(A)葡萄糖及cAMP浓度极高时

(B)没有葡萄糖及cAMP较低时

(C)没有葡萄糖及cAMP较高时

(D)有葡萄糖及cAMP较低时

(E)有葡萄糖及CAMP较高时C分子生物学原核生物基因表达调控7、Lac阻遏蛋白由

(A)Z基因编码

(B)Y基因编码

(C)A