第七章原核基因表达的调控

顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。本文档共101页；当前第1页；编辑于星期六\9点21分1.1基因表达：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。基因表达调控：对基因表达过程的调节。生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控:本文档共101页；当前第2页；编辑于星期六\9点21分组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）1.2基因表达的方式本文档共101页；当前第3页；编辑于星期六\9点21分1.2.1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)。维持细胞最低限度功能所不可少的基因。如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。

本文档共101页；当前第4页；编辑于星期六\9点21分1.2.2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。诱导(induction)：应环境条件变化基因表达水平增高的现象，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；阻遏(repression)：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

本文档共101页；当前第5页；编辑于星期六\9点21分1.3基因表达的规律

——时间性和空间性基因表达的组织特异性-空间特异性：在个体生长过程中，各个组织只合成自身结构和功能所需蛋白。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同。基因表达的阶段特异性-时间特异性：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。本文档共101页；当前第6页；编辑于星期六\9点21分1.4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）生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经认识到：不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。本文档共101页；当前第7页；编辑于星期六\9点21分1.5原核生物基因表达调控环节：①转录水平上的调控；②转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平上的调控；翻译水平上的调控。本文档共101页；当前第8页；编辑于星期六\9点21分第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控本文档共101页；当前第9页；编辑于星期六\9点21分2基本概念2.1结构基因和调控基因2.2操纵基因2.3启动子和终止子2.4顺式作用元件和反式作用因子2.5转录因子本文档共101页；当前第10页；编辑于星期六\9点21分2.1结构基因和调控基因结构基因（structuralgene）：编码蛋白质或RNA的任何基因。原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。调控基因（regulatorgene）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。2基本概念PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorPromoterGene本文档共101页；当前第11页；编辑于星期六\9点21分调控基因调控蛋白影响结构基因的表达本文档共101页；当前第12页；编辑于星期六\9点21分2.2操纵基因

操纵基因（operatorgene，O）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱：调控基因调控蛋白影响结构基因的表达本文档共101页；当前第13页；编辑于星期六\9点21分负性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；本文档共101页；当前第14页；编辑于星期六\9点21分正性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，增强或启动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。本文档共101页；当前第15页；编辑于星期六\9点21分2.3启动子和终止子启动子(promoter,P)：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。终止子(terminator,T)

：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。本文档共101页；当前第16页；编辑于星期六\9点21分2基本概念2.1结构基因和调控基因2.2操纵基因2.3启动子和终止子2.4顺式作用元件和反式作用因子2.5转录因子本文档共101页；当前第17页；编辑于星期六\9点21分2.4顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件(cis-actingelement)：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子、终止子、操纵基因等。调控基因本文档共101页；当前第18页；编辑于星期六\9点21分反式作用因子(trans-actingfactor)

：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,

其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上。如调控蛋白、转录因子等。调控基因调控蛋白影响结构基因的表达本文档共101页；当前第19页；编辑于星期六\9点21分2.5转录因子转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子是参与正调控的反式作用因子。在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。本文档共101页；当前第20页；编辑于星期六\9点21分RNApolIITFIIDTAFs

TBPPolIII启动子

TFIIIBTFIIICTBPRNApolIII

PolI启动子RNApolISL1

UBF1

TBPPolII启动子转录起始点TATA

本文档共101页；当前第21页；编辑于星期六\9点21分基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。顺式作用元件转录因子反式作用因子调控基因RNApolymarase启动子本文档共101页；当前第22页；编辑于星期六\9点21分第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控本文档共101页；当前第23页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第24页；编辑于星期六\9点21分1乳糖操纵子(lacoperon)的结构发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；1961年，法国人Jacob&Monod提出乳糖操纵子学说。获1965年诺贝尔生理学和医学奖。FrancisJacob

JacquesMonod

本文档共101页；当前第25页；编辑于星期六\9点21分外周胞质乳糖细胞内面乳糖透(性)酶透(性)酶β－半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖内膜本文档共101页；当前第26页；编辑于星期六\9点21分操纵子的结构组成：结构基因群:ZYA启动子:P操纵基因：O调控基因:I终止子:TT本文档共101页；当前第27页；编辑于星期六\9点21分操纵子：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。

本文档共101页；当前第28页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第29页；编辑于星期六\9点21分1阻抑蛋白的负性调控β-半乳糖苷酶降解乳糖为葡萄糖和半乳糖；葡萄糖作为细胞的能源和碳源，半乳糖可被另外的酶系统转变为葡萄糖。调控基因本文档共101页；当前第30页；编辑于星期六\9点21分1.1可诱导的负性调控－乳糖操纵子调控方式；诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。本文档共101页；当前第31页；编辑于星期六\9点21分1.2Lac操纵子的本底水平表达诱导物先要越膜才能与阻遏蛋白结合由乳糖被β-半乳糖苷酶降解产生的异构乳糖才是真正的诱导物。问题：预先存在β-半乳糖苷酶和透过酶吗？非诱导条件下Lac操纵子微量表达。原因：阻抑蛋白对操纵基因的结合不是绝对紧密。本文档共101页；当前第32页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第33页；编辑于星期六\9点21分安慰诱导物：

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）。本文档共101页；当前第34页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第35页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第36页；编辑于星期六\9点21分阻抑蛋白的结构和功能阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点阻抑蛋白对DNA的特异结合作用阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响2阻抑蛋白的作用机制本文档共101页；当前第37页；编辑于星期六\9点21分N端1～59aa,头部片段HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；2个核心区：每个有6个折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为一组a-螺旋2.1阻抑蛋白的结构和功能的关系核心结构域1核心结构域2HTH铰链区头部尾部－聚合本文档共101页；当前第38页；编辑于星期六\9点21分4个亚基的核心片段接触形成四聚体本文档共101页；当前第39页；编辑于星期六\9点21分2.2阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点操纵基因的对称序列对称轴：+11本文档共101页；当前第40页；编辑于星期六\9点21分2.3阻抑蛋白对DNA的特异结合作用：非诱导条件下，阻抑蛋白都结合在DNA上，特异位点的亲和力高，非特异位点的亲和力低。诱导物的加入改变了阻抑蛋白的分布。本文档共101页；当前第41页；编辑于星期六\9点21分2.4阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响阻抑蛋白和RNApol可同时与DNA结合；阻抑蛋白存在增强了RNApol的结合：RNApol与启动子结合的平衡常数1.9X107；有阻抑蛋白时，2.5X109。虽然阻抑蛋白存在使得RNApol不能转录。但加入诱导物后，释放出阻抑蛋白，闭合复合体变成为开放复合体，立即起始转录。阻抑蛋白结合区本文档共101页；当前第42页；编辑于星期六\9点21分操纵基因和启动子的相对位置关系本文档共101页；当前第43页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第44页；编辑于星期六\9点21分2.3CAP对乳糖操纵子的正调控作用2.3.1CAP(分解代谢物激活蛋白，catobolitegeneactivatorinprotein)：由cap编码，结合cAMP后成为有活性的CAP；cAMP：分解代谢产物，其含量与葡萄糖的分解代谢有关：本文档共101页；当前第45页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第46页；编辑于星期六\9点21分cAMP-CAP复合物对lac操纵子的正调控葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，操纵子关闭本文档共101页；当前第47页；编辑于星期六\9点21分2.3.2CAP的作用机制（1）CAP以两种方法来激活转录：a可能直接CAP作用于RNApola亚基，b作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。本文档共101页；当前第48页；编辑于星期六\9点21分（2）CAP结合位点结合位点～22bpI-70~-50II-50~-40CAP为二聚体，45KD，被cAMP激活本文档共101页；当前第49页；编辑于星期六\9点21分2.3.3

CAP存在原因：由于pLac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。本文档共101页；当前第50页；编辑于星期六\9点21分乳糖本文档共101页；当前第51页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第52页；编辑于星期六\9点21分3色氨酸操纵子3.1色氨酸trp操纵子的结构本文档共101页；当前第53页；编辑于星期六\9点21分1）阻抑蛋白的负调控3.2trp操纵子的双重调控体系辅阻遏物当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达阻遏物当存在色氨酸时，该操纵子关闭本文档共101页；当前第54页；编辑于星期六\9点21分可阻抑的负调控-trp操纵子阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000；辅阻遏物(corepressor)：作用于阻抑蛋白，引起基因表达阻抑的小分子物质。诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。效应物（effector）：在操纵子系统中某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响的特定物质。本文档共101页；当前第55页；编辑于星期六\9点21分2）弱化作用/衰减作用当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化阻抑蛋白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。弱化子本文档共101页；当前第56页；编辑于星期六\9点21分前导序列trpL(leadersequence):在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；弱化子(attenuator)：也称内部终止子，DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150bp）。弱化作用(attenuation)：弱化子控制RNA聚合酶通读弱化子能力的调控机制。本文档共101页；当前第57页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第58页；编辑于星期六\9点21分高色氨酸本文档共101页；当前第59页；编辑于星期六\9点21分为什么需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻抑蛋白与之结合，阻止先导mRNA合成。为什么需要弱化系统？当trp浓度低时，阻抑蛋白从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。两个调控系统，避免浪费提高效率；

阻遏系统高水平trp时，不转录低水平trp时，转录至前导序列

弱化系统细调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本文档共101页；当前第60页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第61页；编辑于星期六\9点21分第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统本文档共101页；当前第62页；编辑于星期六\9点21分5正调控系统和负调控系统操纵子调控系统的基本类型：负性调控：减弱或阻止其调控基因转录，可诱导负调控系统可阻遏负调控系统正性调控：增强或起动其调控基因转录，可诱导正调控系统可阻遏正调控系统本文档共101页；当前第63页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第64页；编辑于星期六\9点21分乳糖本文档共101页；当前第65页；编辑于星期六\9点21分第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控本文档共101页；当前第66页；编辑于星期六\9点21分第三节转录后加工的调控本文档共101页；当前第67页；编辑于星期六\9点21分1经mRNA切割进行的调控原核生物的mRNA很少经过加工，少数情况下多顺反子mRNA先被内切酶切成较小的单位再作为翻译的模板。rpIL(L7)本文档共101页；当前第68页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第69页；编辑于星期六\9点21分2

通过切割释放原核rRNA大肠杆菌的rRNA：16S，23S和5S。7个操纵子编码rRNA，rrnA-G，在染色体上并不紧密连锁。每个操纵子都含有16S、23S、5SRNA及几个tRNA。tRNA的数量，种类及位置都不固定。每个操纵子都有一个双重启动子结构：第一个启动子在16SrRNA起始点上约300bp处，可能是基本的启动子。离P1110bp有第二个启动子P2。本文档共101页；当前第70页；编辑于星期六\9点21分第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控本文档共101页；当前第71页；编辑于星期六\9点21分第四节翻译水平的调控

翻译过程中的自体调控重叠核苷酸与翻译调控稀有密码子的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响小分子RNA调节翻译本文档共101页；当前第72页；编辑于星期六\9点21分自体调控：某种蛋白质或者RNA调控自身的表达。

1.1阻抑蛋白对翻译起始的调控1.2参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控1.3mRNA二级结构对翻译的调控1翻译过程中的自体调控本文档共101页；当前第73页；编辑于星期六\9点21分1.1阻抑蛋白对翻译起始的调控阻抑蛋白通过与mRNA的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。最常见形式：阻抑蛋白与含有起始密码子AUG的序列直接结合，从而阻止核糖体结合。本文档共101页；当前第74页；编辑于星期六\9点21分表

与mRNA起始区结合抑制翻译的阻抑蛋白阻抑蛋白靶基因作用位点R17外壳蛋白R17复制酶核糖体结合位点的发夹结合T4RegAT4早期mRNA含有起始密码子的各种序列T4DNA聚合酶T4DNA聚合酶S-D序列T4p32基因32单链5'前导序列本文档共101页；当前第75页；编辑于星期六\9点21分p32易与单链DNA结合，不影响自身合成

。缺乏单链DNA，过量的p32直接地结合在mRNA上阻断了翻译的起始。图过量的基因32的蛋白p32与自身的mRNA结合抑制核糖体翻译起始T4噬菌体蛋白p32合成的自体调控本文档共101页；当前第76页；编辑于星期六\9点21分1.2参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控参与基因表达装置的蛋白质包括：核糖体蛋白质、蛋白质合成因子和RNA聚合酶亚基等。本文档共101页；当前第77页；编辑于星期六\9点21分物本文档共101页；当前第78页；编辑于星期六\9点21分参与基因表达装置的蛋白质的基因混合组成几个操纵子，每个操纵子都含有数个基因。这些操纵子的表达都受操纵子自身的一些基因产物的调控。蛋白质富集后抑制其自身及一些相关基因产物的进一步合成。本文档共101页；当前第79页；编辑于星期六\9点21分自体调控：某种蛋白质或者RNA调控自身的表达。

1.1阻抑蛋白对翻译起始的调控1.2参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调1.3mRNA二级结构对翻译的调控1翻译过程中的自体调控本文档共101页；当前第80页；编辑于星期六\9点21分1.3mRNA二级结构对翻译的调控翻译一个顺反子需要二级结构的改变，而这种二级结构的改变又依赖于前一个顺反子的翻译。mRNA上有多个核糖体存在时，第一个顺反子的翻译会破坏mRNA原有的二级结构，使核糖体能够与下一个顺反子的翻译起始区域结合。本文档共101页；当前第81页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第82页；编辑于星期六\9点21分举例-RNA噬菌体基因的表达调控：CP外壳蛋白CP是阻遏物，占据rep的核糖体结合位点，控制其合成Rep复制酶CP和Rep并不等量本文档共101页；当前第83页；编辑于星期六\9点21分第四节翻译水平的调控

翻译过程中的自体调控重叠核苷酸与翻译调控稀有密码子的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响小分子RNA调节翻译本文档共101页；当前第84页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第85页；编辑于星期六\9点21分2

重叠核苷酸与翻译调控色氨酸操纵子

TrpE-Thr-Phe-终止密码子ACUUUCUGAUGGCU

Met-Ala-TrpDTrpB

-Glu-Ile-终止GAAAUCUGAUGGAA

Met-Glu-TrpA本文档共101页；当前第86页；编辑于星期六\9点21分第四节翻译水平的调控

翻译过程中的自体调控重叠核苷酸与翻译调控稀有密码子的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响小分子RNA调节翻译本文档共101页；当前第87页；编辑于星期六\9点21分3稀有密码子的调控在原核生物中，有时同一个操纵子中的基因其功能并无相关性，那么它们的产量就不可能要求一致，但又同在一个操纵子中，如何来进行调节呢？本文档共101页；当前第88页；编辑于星期六\9点21分本文档共101页；当前第89页；编辑于星期六\9点21分表在不同产物中Ile密码子使用频率不同密码子在25种非调控蛋白中(%)在引物酶中(%)在σ因子中(%)AUU373626AUC623274AUA1320蛋白质翻译一旦开始后，其速度即受对应于mRNA分子中所利用的各种tRNA的供应情况而决定。稀少tRNA分子所识别的密码子大都翻译得较慢，而被丰富的tRNA识别的密码子则翻译得要快些。本文档共101页；当前第90页；编辑于星期六\9点21分第四节翻译水平的调控

翻译过程中的自体调控重叠核苷酸与翻译调控稀有密码子的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响小分子RNA调节翻译本文档共101页；当前第91页；编辑于星期六\9点21分4魔斑核苷酸水平对翻译的影响-应急调控应急调控(strigentcontrol)：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，保存自己的一种机制。当氨基酸缺乏时，tRNA成为空载体，就触发ATP和GTP