第七章原核基因表达调控张铁军

内容提要一、概述

二、原核生物基因表达的调控（一）原核生物基因表达的特点（二）原核生物基因表达的调控机制

(1)

转录起始的调控(2)转录终止的调控(3)翻译水平的调控当前第1页\共有83页\编于星期三\8点概述当前第2页\共有83页\编于星期三\8点概述基因表达(geneexpression)是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。当前第3页\共有83页\编于星期三\8点

基因表达的时间性及空间性1.时间特异性

按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。如病毒感染；胚胎发育。基因表达的时间特异性又称阶段特异性。当前第4页\共有83页\编于星期三\8点孕三天桑椹胚孕五周当前第5页\共有83页\编于星期三\8点2.空间特异性

指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。

基因表达的时间性及空间性当前第6页\共有83页\编于星期三\8点组织特异性转基因爪蛙品系当前第7页\共有83页\编于星期三\8点

基因表达调控（regulationofgeneexpression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。基因表达的方式存在多样性当前第8页\共有83页\编于星期三\8点基因表达的方式组成性基因表达适应性表达（诱导和阻遏表达）按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：当前第9页\共有83页\编于星期三\8点1、组成性基因表达

某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因

(house-keepinggene)。当前第10页\共有83页\编于星期三\8点管家基因的表达水平受环境因素影响较小，是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达。这类基因表达被视为组成性（或基本）基因表达(constitutivegeneexpression)。当前第11页\共有83页\编于星期三\8点bcl-2β-actin12琼脂糖凝胶电泳图1.对照组2.实验组当前第12页\共有83页\编于星期三\8点常用的管家基因中文名称英文缩写

beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin当前第13页\共有83页\编于星期三\8点2、诱导和阻遏表达诱导表达（induction）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。当前第14页\共有83页\编于星期三\8点在一定机制下，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，即为协同表达(coordinateexpression)。3、协同表达当前第15页\共有83页\编于星期三\8点

基因表达调控的生物学意义

1.适应环境、维持生长和增殖；

2.维持个体发育和分化。当前第16页\共有83页\编于星期三\8点基因转录调控的基本要素1、特异DNA序列原核生物的操纵子（operon）真核生物的顺式作用元件

（cis-actingelement）2、调节蛋白当前第17页\共有83页\编于星期三\8点第一节原核基因表达调控总论当前第18页\共有83页\编于星期三\8点

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后基因表达的调控水平当前第19页\共有83页\编于星期三\8点转录水平上的调控翻译水平上的调控（较少）原核基因表达调控当前第20页\共有83页\编于星期三\8点一、原核基因调控机制的类型与特点（一）原核基因调控机制的类型负调控正调控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表达量特别低当前第21页\共有83页\编于星期三\8点1、负调控negativeregulation在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统。其调节蛋白质叫做阻遏蛋白两种类型：负控诱导和负控阻遏当前第22页\共有83页\编于星期三\8点负控诱导系统负控阻遏系统失活的阻遏蛋白阻遏蛋白1.阻遏蛋白；2.加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭当前第23页\共有83页\编于星期三\8点2、正调控positiveregulation在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。其调节蛋白质叫做激活蛋白两种类型:正控诱导和正控阻遏系统当前第24页\共有83页\编于星期三\8点正控诱导系统正控阻遏系统失活的激活蛋白1.激活蛋白；2.加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启当前第25页\共有83页\编于星期三\8点失活的激活蛋白失活的阻遏蛋白阻遏蛋白当前第26页\共有83页\编于星期三\8点（二）原核生物基因表达调控的特点调节的主要环节在转录水平上进行σ因子决定RNA聚合酶识别特异性主要通过操纵子模式进行调节当前第27页\共有83页\编于星期三\8点1、原核基因转录调节特点

(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性核心酶全酶当前第28页\共有83页\编于星期三\8点

σ因子当前第29页\共有83页\编于星期三\8点大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD识别一般启动子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第30页\共有83页\编于星期三\8点

第二节乳糖操纵子与负控诱导系统当前第31页\共有83页\编于星期三\8点乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod获1965年诺贝尔奖当前第32页\共有83页\编于星期三\8点------操纵子(operon)操纵子：是基因表达的调控单位，由调节基因、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。当前第33页\共有83页\编于星期三\8点

------操纵子(operon)

结构基因

启动子

操纵基因

调节基因(promoter)(operator)阻遏蛋白当前第34页\共有83页\编于星期三\8点一、乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成

调控区阻遏基因启动子操纵基因

结构基因lacZ：β-半乳糖苷酶lacY：β-半乳糖苷透过酶lacA：β-半乳糖苷乙酰基转移酶ZYAOPDNAI当前第35页\共有83页\编于星期三\8点蓝白显色筛选法当前第36页\共有83页\编于星期三\8点二、酶的诱导--lac体系受调控的证据在不含乳糖的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。1、实验证据当前第37页\共有83页\编于星期三\8点当前第38页\共有83页\编于星期三\8点2、实验用诱导物乳糖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)当前第39页\共有83页\编于星期三\8点三、lac操纵子模型及其影响因子（一）Lac操纵子模型调控区结构基因当前第40页\共有83页\编于星期三\8点乳糖操纵子模型1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码β-半乳糖苷透过酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码β-半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。多顺反子：一个mRNA分子编码多个多肽链。这些多肽链对应的DNA片段则位于同一转录单位内，享用同一对起点和终点。当前第41页\共有83页\编于星期三\8点2、P区位于I与O之间，O为阻遏蛋白结合位点

启动子（P）

RNA聚合酶结合位点调节基因CAP结合位点操纵基因（O）结构基因

I阻遏蛋白结合位点

当前第42页\共有83页\编于星期三\8点mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因（1）阻遏蛋白的负性调节当前第43页\共有83页\编于星期三\8点mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录lacmRNA乳糖异构乳糖β-半乳糖苷酶lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节当前第44页\共有83页\编于星期三\8点3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节（2）CAP的正性调节1.cAMP由ATP合成。2.代谢物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP）又称为环腺苷酸受体（cAMPreceptorprotein，CRP）。3.每个CAP可结合一个cAMP。4.在含葡萄糖的培养基中，cAMP的浓度很低。5.RNA聚合酶ɑ亚基可以和结合有cAMP的CAP结合，从而起始转录。当前第45页\共有83页\编于星期三\8点当前第46页\共有83页\编于星期三\8点

当前第47页\共有83页\编于星期三\8点4、协同调节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。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。乳糖作为阻遏蛋白的诱导物操控负调节葡萄糖降低cAMP-CAP操控正调节当前第48页\共有83页\编于星期三\8点mRNA低乳糖时高乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO阻遏蛋白cAMP-CAPcAMP-CAP阻遏蛋白当前第49页\共有83页\编于星期三\8点(二)乳糖操纵子的影响因子1、lac操纵子的本底水平表达乳糖当前第50页\共有83页\编于星期三\8点因为诱导物需要穿过细胞壁才能与阻遏蛋白结合，而运转诱导物需要透过酶。在非诱导状态下有少量（1-5个mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平组成型合成。

lac操纵子的本底水平表达当前第51页\共有83页\编于星期三\8点3、阻遏物lacI基因产物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱启动子控制的组成型合成当前第52页\共有83页\编于星期三\8点4、葡萄糖对lac操纵子的影响代谢物阻遏效应（葡萄糖效应）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。研究认为葡萄糖的某些代谢产物抑制lacmRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.当前第53页\共有83页\编于星期三\8点5、lac基因产物数量上的不同Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2当前第54页\共有83页\编于星期三\8点1、lacmRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。原因：在翻译水平上的调节当前第55页\共有83页\编于星期三\8点2、lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比A基因多。原因：在翻译水平上的调节降解当前第56页\共有83页\编于星期三\8点CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节当前第57页\共有83页\编于星期三\8点

色氨酸操纵子与负控阻遏系统当前第58页\共有83页\编于星期三\8点可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子（色氨酸）特殊代谢物调节基因活性的类型当前第59页\共有83页\编于星期三\8点当前第60页\共有83页\编于星期三\8点一、trp操纵子的阻遏系统（一）trp操纵子的研究背景酶合成阻遏的现象—JacobandMonod的工作

当前第61页\共有83页\编于星期三\8点（二）trp操纵子的结构阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前导序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR当前第62页\共有83页\编于星期三\8点酶阻遏的操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达.调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.........辅阻遏蛋白当前第63页\共有83页\编于星期三\8点（三）trp操纵子的阻遏调控机制色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。当前第64页\共有83页\编于星期三\8点TrpTrp浓度高时Trp浓度低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子－阻遏调节?当前第65页\共有83页\编于星期三\8点二、弱化子与前导肽（一）弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.调节区结构基因trpROP前导序列弱化子区域UUUU……前导mRNA1234当前第66页\共有83页\编于星期三\8点UUUU……RNA聚合酶起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度当前第67页\共有83页\编于星期三\8点当前第68页\共有83页\编于星期三\8点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密码子弱化子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止当前第69页\共有83页\编于星期三\8点（二）前导肽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不能形成弱化子结构当前第70页\共有83页\编于星期三\8点当前第71页\共有83页\编于星期三\8点5’trpmRNAtrpL1234寡聚U区trpE(a)正常(b)高[Trp]12转录终止34(C)低[Trp]1234转录延伸当前第72页\共有83页\编于星期三\8点（三）弱化子的生物学意义活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA荷载与否可能更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当.当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用弱化子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和弱化子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。当前第73页\共有83页\编于星期三\8点第四节其他操纵子（自学）第五节固氮基因调控（自学）当前第74页\共