原核生物基因表达的调控完整版

原核生物基因表达的调控Lac

operon

repressor

protein

binding

to

DNA第一节基因表达调控概述真核与原核生物如何调控数以千、万计的基因以最为经济、有效的时空模式进行转录，从而实现对环境的适应、细胞的分化,组织的特化，形态的发生和个体的发育。

基因表达

指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

。

典

型

的

基

因

表

达

是

基

因

经

过

转

录

和

翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。

有些基因只转录不翻译

基因表达调控

在不同时期和不同条件下基因表达的开启和关闭。同一细胞在不同的生存环境下，同一个体的不同细胞在不同的发育时期或不同组织器官中基因表达不相同。

转

录

水

平

(transcriptional

level)

的

调

控

包

括

转

录

前

、转录和转录后加工过程。

翻

译

水

平

(translational

level)

的

调

控

指

从

mRNA

翻

译

成多肽链的调控，包括翻译和翻译后加工过程。

原核生物基因转录和翻译可在同一时间和位置上发生，基因表达的调控主要是在转录水平上进行的。

组

成

型

表

达

维

持

细

胞

生

命

活

动

必

需

基

因

的

表

达

基

本

不

受调控，其表达产物大致以恒定水平始终存在于细胞内。这类基因称为管家基因(housekeeping

gene)。如生物代谢过程

中

所

需

要

的

各

种

酶

或

蛋

白

质

的

基

因

以

及

构

成

细

胞

结

构

成分的基因就属这一类型。

可

调

型

表

达

基

因的表达是受到严格调控，

只有在一定的细

胞

类

型

、

发

育

时

期

及

环

境

条

件

下

才

表

达

。

这

类

基

因

称

为可调基因（regulated

gene）。

应

环

境

条

件

变

化

，

基

因

表

达

水

平

增

高

的

现

象

称

为

诱

导

，这类基因称为可诱导的基因。

随

环

境

条

件

变

化

而

基

因

表

达

水

平

降

低

的

现

象

称

为

阻

遏

，这类基因称为可阻遏的基因。

细

胞

中

有

一

些

特

殊

蛋

白

质

调

控

着

可

诱

导

基

因

和

可

阻

遏

基因

的

表

达

，

这

类

蛋

白

质

称

为

调

节

蛋

白

。

阻

遏

蛋

白

可

关

闭

其靶基因的表达，激活蛋白可打开所调控基因的表达。

基

因

表

达

的

时

间

特

异

某

一

基

因

的

表

达

严

格

按

特

定

的

时

间顺

序

发

生

。

例

如

，

昆

虫

变

态

过

程

的

各

种

基

因

要

在

一

定

发

育阶段才能表达。

基因表达的空间特异性

在生物生长发育过程中，不同组织

细

胞

中

基

因

表

达

的

数

量

、

强

度

和

种

类

各

不

相

同

。

例

如

，与

植

物

成

花

有

关

的

基

因

也

只

有

在

花

原

基

形

成

时

才

表

达

，

而在

营

养

生

长

阶

段

则

全

被

关

闭

，

并

且

在

营

养

器

官

和

生

殖

器

官的基因表达不同。第二节

原核生物基因表达的调控

操纵子模型（lac

operon）

法国Jocob和Monod等1961年提出了乳糖操纵子模型。操纵子的基本组成元件包括：

结构基因（structural

gene）

启

动

子（promoter，P）

操纵基因（operator，O）1.

结

构

基

因

(structural

gene,

SG)

：

操

纵

子

中

编

码

蛋

白

质

的基

因

称

为

结

构

基

因

。

各

结

构

基

因

串

连

排

列

组

成

结

构

基

因群，共同开启或关闭，转录出多顺反子的mRNA。2.启动子

操纵子至少有一个启动子。不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同，启动转录的频率高低不同，分为强启动子和弱启动子。3.操纵基因（operator

gene）能被调控蛋白特异性结合的一段DNA

序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵基因序列上，会影响其下游基因的转录。4.调节基因（regulatory

gene）编码能与操纵基因序列结合的调控蛋白的基因，其基因产物与操纵基因结合后能减弱或阻止结构基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白，介导负调控；与操纵基因结合后能增强或起动结构基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，介导正调控。5.终止子（terminator，T）

给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。一些分解代谢酶类的基因只有在底物或底物类似物存在时才被诱导转录。参与合成代谢的酶类的基因在产物或产物类似物足量存在时才被阻遏。

乳糖操纵子

乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子模型

阻遏蛋白的负调控细

菌

生

长

在

无

乳

糖

的

培

养

基

中

时

，

lac

I

基

因

表

达

产

生

蛋白

R

，

R

蛋

白

特

异

性

地

与

操

纵

基

因

O

结

合

，

阻

碍

了

RNA

聚合酶与启动子的结合，使1ac操纵子处于阻遏状态。乳

糖

作

为

诱

导

剂

与

阻

遏

蛋

白

的

特

定

部

位

结

合

，

其

构

象

改变，R与操纵基因解离，发生去阻遏作用，诱导了lac操纵子

基

因

的

开

放

，

β-

半

乳

糖

苷

酶

在

细

胞

内

的

含

量

可

增

加1000倍之多。38

kd

/

monomerlacIOperatorlacZlacYlacAPromoterRepressorβ-Galactoside

permeaseβ-Galactosidaseβ-Galactoside

transacetylase

降解物基因活化蛋白（CAP）的正调控

没有调节蛋白时操纵元内结构基因的转录活性是关闭的，而加入调节蛋白后结构基因转录活性被开启，这种调节方式称为正调节。当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，细菌通常优先利用葡萄糖，cAMP含量低，lac操纵子不表达，当环境中无葡萄糖时，cAMP含量升高，lac操纵子表达。cAMP可与CAP结合，CAP与cAMP特异结合后构象改变而活化。当cAMP-CAP复合物与1ac操纵子的启动子上游CAP位点结合时，可使DNA发生94度弯曲，促进了RNA聚合酶与启动子形成稳定的开放型转录起始复合物，从而使lac操纵子得到表达。小

结每一种调控蛋白分别响应一种环境信号并将其传递给lac基因。CAP介导葡萄糖信号,而阻遏蛋白介导乳糖信号:

阻遏蛋白只在乳糖缺乏的时候才结合DNA从而抑制转录,在乳糖存在时,基因表达。CAP只在没有葡萄糖的时候才结合DNA从而激活lac基因。这样两种调控蛋白联合作用保证基因在乳糖存在,同时缺少葡萄糖的环境中以显著水平表达。

色氨酸操纵子（Tryptophane

operon）生长在不含任何氨基酸的培养基中的大肠杆菌，细胞中含有合成20种氨基酸所需要的全部酶类。而当培养基中含有某种氨基酸时，则该种氨基酸生物合成的酶类几乎完全缺失，即生物合成的酶类受其终产物的抑制。如色氨酸为色氨酸生物合成酶类的终产物，色氨酸作为辅阻遏物与调控蛋白结合而阻遏色氨酸操纵子的表达。

Trp操纵子的结构

包括5个结构基因组成的一个转录单位，由共同的启动子起始转录，生成多顺反子mRNA。

产生阻遏蛋白的基因距离操纵子很远。

转录形成的

mRNA

5′端还有一段被称为前导序列的mRNA片段参与调控转录。

trp操纵子的调控系统粗调控——阻遏调控调控基因trp

R表达无活性的阻遏蛋白，当培养基中有足够的色氨酸时，色氨酸作为辅阻遏物激活阻遏蛋白，活化的阻遏蛋白与操纵基因结合。由于trp操纵子的启动子与操纵基因的区域有很大程度的重叠，阻遏蛋白的结合阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合，导致trp操纵子关闭。精细调控——衰减调控前导序列

在trp操纵子转录形成的

mRNA

5′端有一个长l62

bp的mRNA片段。培养基中有色氨酸时，转录总是在这段序列终止，产生—个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录，且随色氨酸浓度升高而降低转录作用，这个区域就被称为衰减子。衰

减

子

的

mRNA

碱

基

序

列

可

以

通

过

自

我

配

对

形

成

茎

环

结

构

，有

典

型

的

终

止

子

特

点

。

前

导

序

列

包

括

有

起

始

密

码

子

AUG和终止密码子UGA，它可编码一个14个氨基酸的前导肽。2.转录后调控稀有密码子对翻译的影响核糖体蛋白基因表达在翻译水平的调控细菌营养缺乏调控

反义RNA对基因表达的调控

稀有密码子对翻译的影响大肠杆菌DNA复制时的RNA引物是由dnaG基因编码的引物酶催化合成的，细胞对这种酶的需求量很小，若引物酶过多还将导致细胞死亡。

dna

G和rpoD、rps

U基因属于同一个操纵子，而这3个基因产物在数量上相差甚远，原因在于dna

G序列中较高频率地使用了不少稀有密码子。稀有密码子对应低丰度的tRNA，翻译速度受tRNA供应的限制，影响了蛋白质合成的总量。

核糖体蛋白基因表达在翻译水平的调控在核糖体组装时，与rRNA结合的蛋白为关键蛋白，它抑制整个操纵子的表达。当核糖体蛋白的mRNA多时，则关键蛋白较多地与核糖体蛋白的mRNA结合，导致其不能与rRNA结合形成核糖体。通过这种调控，核糖体蛋白的合成速度就不会超过构建核糖体的速度。核糖体蛋白与mRNA结合并不影响核糖体的形成，这是因为核糖体蛋白与核糖体RNA的结合比其与mRNA的结合更紧。只有当核糖体蛋白的生产超过核糖体RNA时，翻译的阻遏才会发生。

细菌营养缺乏调控细

菌

在

葡

萄

糖

缺

乏

时

产

生

报

警