第十章原核基因表达调控

原核生物基因表达调控基因表达调控的基本概念基因表达(geneexpression)：是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个过程。也即基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。基因表达调控(geneexpressionregulation):对基因表达过程的调节就称为基因表达调控。组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）基因表达的方式概念：又称组成性基因表达(constitutivegeneexpression),是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeepinggene）。

特点：不易受环境变化影响，表达产物是整个生命过程中都持续需要的，是细胞存活所必须的；表达水平较恒定。意义：维持生命活动组成性表达概念：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：随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)；阻遏：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)。特点：受环境变化影响意义：适应环境适应性表达基因表达的时间性和空间性时间特异性(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)。空间特异性(spatialspecificity)是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官中，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性(cellortissuespecificity)。

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）原核生物基因调控一般执行如下规律一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。基因的开与关是相对的。开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。原核生物主要受到营养状况和环境因素的影响真核生物主要是受发育阶段和激素水平的影响基因转录激活调节基本要素

——顺式作用元件和反式作用因子在基因转录水平上的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果。起调控作用的DNA序列称为顺式作用元件或顺式调控元件。与这些DNA序列相互作用的蛋白质称为反式作用因子。顺式作用元件（cis-actingelement）：又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊序列。在原核生物中，大多数基因表达通过操纵元模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动子、操纵子和调节基因组成。在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子(promoter)、增强子(enhancer)和沉默子(silencer)。沉默子(silencer)：可降低基因启动子转录活性的一段DNA顺式元件。与增强子作用相反。反式作用因子（trans-actingfactor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白。真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。反式作用因子也是基因产物。顺式作用元件与反式作用因子

之间的相互作用大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。转录水平上的调控负转录调控（

negativetranscriptionregulation)

调节基因的产物是阻遏蛋白正转录调控（positivetranscriptionregulation)

调节基因的产物是激活蛋白使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从而实现诱导。使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，从而实现阻遏。诱导物(inducer)辅阻遏物(co-repressor)诱导物(inducer)阻遏蛋白阻遏作用诱导物去阻遏作用去阻遏作用阻遏蛋白辅阻遏物(co-repressor)阻遏作用辅阻遏物负转录调控负控诱导阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。正转录调控正控诱导有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。正控阻遏有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。负控诱导负控阻遏正控诱导正控阻遏转录水平的调控操纵子(operon)

概念：

在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。发现：

1961年JacobandMonod---乳糖操纵子模型细菌转录调控的最初概念操纵子(operon)的基本组成结构基因、调节基因、操纵元件lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIControlelementStructuralgenes结构基因：可编码非调控RNA或蛋白质的一段DNA序列（除调节基因以外的所有基因）。特点：（1）含有2个以上的基因（2）各结构基因串连排列，组成结构基因群lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI（3）多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA（4）每个结构基因是一个连续的开放读框（5）至少在第一个开放读框5’侧具有核糖体结合位点，核糖体识别并结合RBS，起始翻译。UAAAUGAUGUAA…...3’调节基因（regulatorygene）其产物参与调控其他结构基因表达的基因lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA特点：可在结构基因群附近、也可远离结构基因不仅对同一条DNA链上的结构基因起作用，而且能对不同DNA链上的结构基因起作用调控蛋白：类型：a、阻遏蛋白（repressiveprotein）与操纵元件结合后能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白b、激活蛋白（activatingprotein）与操纵元件结合后能增强或启动所调控基因转录的调控蛋白 操纵元件（operator）：是指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特点：（1）与启动子邻近或与启动子部分序列重叠（2）具有回文结构，能形成十字形结构。（3）与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI乳糖操纵子(Lacoperon)1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。操纵子学说乳糖对

－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI组成：3种元件由1个调节基因，3个结构基因、控制元件、ZYAOPLac结构基因LacIPlacI调控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰转移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解将β-半乳糖苷转入细胞将乙酰CoA的乙酰基转移到β-半乳糖苷上启动子(lacP)操纵元件（lacO）乳糖操纵子的结构和功能1、结构基因（1）lacZ：编码b

－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：编码b

－半乳糖苷透过酶（使b

－半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）（3）lacA：编码b

－半乳糖苷乙酰转移酶（将乙酰基转移到b

－半乳糖苷上）4、调节基因lacI：编码阻遏蛋白（repressiveprotein）亚基

四聚体存在时具有活性，与Olac具有很强的亲和力lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI5、操纵元件操纵元件Olac（1）28bp的回文结构，可形成十字形结构（2）这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白相匹配。启动子：Plac：控制

lacZ,lacY,lacA，多顺反子的mRNA；PlacI终止子

lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列乳糖操纵子的表达调控1、阻遏蛋白的负调控没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。LacI基因在自身的启动子PLacI控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与操纵子OLac结合，阻碍RNA聚合酶与启动子PLac的结合。当有乳糖存在时，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白四聚体解聚成单体，失去与OLac的亲和力，与OLac解离，基因转录开放。安慰诱导物（gratuitousinducer）：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。诱导物：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷），TMG（巯甲基半乳糖苷），显色底物：ONPG（O-硝基半乳糖苷）2、CAP的正调控

cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖供给能量时，cAMP含量降低；无葡萄糖时，cAMP含量升高。cAMPreceptorprotein(CRP)CRPisatranscriptionalactivatorwhichisactivatedbybindingtocAMP.CRP结合cAMP后有活性，是一个转录激活因子However,itisonlyactivewhencAMPbound,andcAMPiscontrolledbyglucose.CRP只有结合cAMP后才有活性，cAMP受到葡萄糖的控制。CRPactivatormediatestheglobalregulationofgeneexpressionfromcatabolicoperonsinresponseto

glucoselevels.CRP激活因子参与对葡萄糖水平应答的分解代谢操纵子的基因表达的全局调控

cAMP与CRP结合变为CAP，并以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。

CAP与DNA位点结合后，造成模板DNA发生大于90度弯曲有利于转录起始。由于P1ac是弱启动子，没有强的-35区，只有弱的-10区，单纯因乳糖的存在去阻遏使1ac操纵子转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖。为达到高水平的转录，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用，通过CAP的正调控作用，细菌才能充分利用乳糖。ThePlacisaweakpromoter,lackingastrong–35and–10consensussequences.Highlevelexpressionfromthispromoterrequirestheactivityofthespecificactivator,CRP.WhenglucoseispresentThelevelofcAMPislowincell,andCRPexistsasadimerwhichcan’tbindtoDNAtoregulatetranscription.有葡萄糖时候，cAMP含量低，CRP以二聚体形式存在，不能独立结合DNA调节转录WhenglucoseisabsentThelevelofcAMPincreaseandCRPbindtocAMP.TheCRP-cAMPcomplexbindstoPlacjustupstreamfromthesiteforRNApolymerase.Inducesa90°bendinDNAwhichenhancesRNApolymerasebindingtothepromoterandthusthetranscriptionby

50-fold.无葡萄糖时，cAMP含量升高，结合CRP。CRP-cAMP复合物结合到紧邻RNA聚合酶结合位点的上游.其结合引起DNA链发生大于90°的弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合，提高转录效率50倍。CABSummaryA:

RNApolymeraseB:

lacrepressor

C:

CRP-cAMP5.lac操纵子正负调控的协调作用负调控：受乳糖和阻遏蛋白调节正调控：受cAMP和CAP调节两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖，有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。分解代谢阻遏作用（cataboliterepression）：在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的。TheCRP(alsocalledCAP)proteincanbindatdifferentsitesrelativetoRNApolymerase.Supp.TheTrpOperon（色氨酸操纵子）色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子（trpoperon）的调控。1.Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophansynthesis.2.Itencodesasignaltranscription(7kb,polycistron)downstreamofOtrp.3.Thesegenesareco-ordinatelyexpressedwhentryptophanisinshortsupplyinthecell.ABCTheTrprepressor（色氨酸阻遏物）合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子Otrp的调控，调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达其编码分子量为47KD的调控蛋白阻遏蛋白R，R并没有与O结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与ｏ特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。Trp

repressor

isencoded

byaseparateoperon

trpR,andspecificallyinteractswithOtrp,apalindromeof18bp,andoverlapswiththePtrpsequencebetweenbase–21and+3)

色氨酸阻遏物由trpR编码，与操纵元件特异性结合。结合位点与Ptrp在-21-+3区有重叠2.TherepressorcanonlybindtotheoperatorOtrpwhenitiscomplexedwithtryptophan.Therefore,tryisaco-repressorandinhibitsitsownsynthesisthroughend-productinhibition(negativefeed-backregulation). 阻遏蛋白只有结合色氨酸后才能与Otrp结合。色氨酸操纵子编码的酶的终端产物色氨酸作为共阻遏因子通过终产物抑制自身的合成。3.Therepressorreducestranscriptioninitiationbyaround70-fold,whichismuchsmallerthanthebindingoflacrepressor. 阻遏蛋白的阻遏作用是转录起始降低70倍。4.TherepressorisadimeroftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcoreandtwoflexibleDNA-readingheads(carboxyl-terminalofeachsubunit)trpoperon色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子（repressibleoperon），即这操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为辅阻遏物）作用时则阻遏关闭转录。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。

Theattenuator（衰减子）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。研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。Repressordoesnotaccountforalltheregulation； 阻遏蛋白DeletionofasequencebetweentheoperatorandtrpEgenecodingregion(attenuator)increaseboththebasalandtheactivated(derepressed)levelsoftranscription.

Otrp和trpE之间序列的缺失导致基因基本转录水平和活化后的转录水平的上升。LiesattheendofthetranscribedleadersequencethatprecedesthetrpEinitiatorcodon.弱化子位于trpE起始密码子前面162nt的转录前导序列的末端2.Isaρ-independentterminatorsite(GC-richpalindrome)f0llowedbyeightsuccessiveUresidues.弱化子是一个不依赖于ρ因子的终止子，在一段富含GC的回文结构后是8个连续的U残基3.Actsasahighlyefficienttranscriptionterminatorifthehairpinstructureisformed,andonlyaveryshorttransciptissynthesized. 如果这段序列能在RNA转录物中形成发夹结构，就可以作为一个高效的转录终止子。LeaderRNAstructure（先导RNA的结构）Complementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionTheleadersequencecontainsfourregions(sequence1,2,3,4)ofcomplementarysequencethatcanformdifferentstructuresfreeleaderRNAtrp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区域的片段能以两种不同的方