第五章 基因表达调控

第五章基因的表达与调控

——原核基因表达调控模式本章主要内容基因表达调控总论原核基因表达调控总论乳糖操纵子与负控诱导系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统操纵子的其他调控形式转录水平上的其他调控方式转录后调控第一节基因表达调控总论典型的基因表达是储存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或成熟的rRNA和tRNA的过程。一、基因表达典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态.二、基因表达的规律

--时间性及空间性（1）时间特异性按功能需要，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。（2）空间特异性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。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。三、基因表达的方式1.基因组中表达的基因分为两类：⑴管家（持家）基因（housekeepinggene）:维持细胞基本生命活动所必须的基因。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。奢侈基因:

在特别细胞类型中大量(通常)表达并编码特殊功能产物的基因。⑵奢侈基因（luxurygene）:

是指导合成组织特异性蛋白的基因，对分化有重要影响，称组织特异性(tissue-specificgene)表达的基因，如表皮的角蛋白基因。（1）组成性表达无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达。2.按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（2）诱导和阻遏表达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。

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。

是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。诱导表达如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。

可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。阻遏如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。四、基因表达调控的基本原理（一）基因表达调控的方式：多级调控转录水平（基因激活及转录起始）转录后水平（加工及转运）翻译水平翻译后水平原核生物主要受营养状况和环境因素的影响真核生物主要受发育阶段和激素水平的影响指挥系统多样性1．顺式作用元件：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顺序。在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，顺式作用元件主要由启动子、操作子、激活子位点、终止位点组成。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）。（二）基因转录激活调节基本要素：基因的组织结构及顺式作用元件反式作用因子（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。原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子（σ）、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。2．反式作用因子：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。3．顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用调节基因编码的蛋白质结合在DNA的特定位点以调控其转录五、基因表达的生物学意义1.适应环境、维持生长和增殖。2.维持个体发育与分化。第二节原核基因表达调控总论一、原核生物基因表达的调控方式1.DNA水平的调控2.转录水平的调控3.翻译水平的调控——调节的主要环节在转录起始二、原核生物基因转录调节特点（1）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性

——只有一种RNA-pol，但是有很多种σ因子（2）操纵子模型的普遍性

—功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达（3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性

——原核生物主要以这种负调节方式为主分类负控制（negativecontrol）系统正控制（positivecontrol）系统正、负调控的共同点在于调控蛋白作为反式作用因子，能识别那些位于基因上游的顺式作用元件，根据调控蛋白的自身性质，可以激活或抑制基因表达。特点：通过特殊代谢物调节基因活性可诱导调节：基因由原来的关闭状态转变为工作状态可阻遏调节：基因由原来的开启状态转变为关闭状态三、调控机制的类型与特点1.负控制系统定义：调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。2.阻遏蛋白（repressor）3.分类负控诱导：调节物为诱导物负控阻遏：调节物为阻遏物（一）负控制系统1.正控制系统：调节基因的产物是激活物，起着激活结构基因转录的作用2.激活蛋白（activator）3.分类正控诱导：调节物为诱导物正控阻遏：调节物为阻遏物（二）正控制系统1.可诱导操纵元(inducibleoperon)（1）可诱导操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性开启的操纵元，称可诱导调节。（2）诱导（induction）:小分子使基因的转录活性开启的作用和过程（3）诱导物（inducer）:产生诱导作用的小分子；可能的作用方式：使无活性的激活蛋白激活或使有活性的阻遏蛋白失活四、正、负控制系统对操纵元的控制（一）可诱导操纵元（1）可阻遏操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性关闭的操纵元，可阻遏调节（2）阻遏（repression）:小分子使基因的转录活性关闭的作用和过程（3）辅阻遏物（corepressor）:产生阻遏作用的小分子；可能的作用方式：使有活性的激活蛋白失活或使无活性的阻遏蛋白激活（二）可阻遏操纵元第三节乳糖操纵子调节机制1.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

一、原核生物——操纵子(operon)操纵子：是原核生物基因表达的协调单位，它包括启动子、操纵序列以及在功能上彼此相关的几个结构基因。操纵子一般含有2~6个基因，它们一起被转录，构成一个转录单位。2.乳糖操纵子(lacoperon)的结构结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透过酶A：乙酰基转移酶

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列ZYAOPDNACatabolitegeneactivatorprotein操纵序列和启动子的相对位置关系（1）细菌半乳糖苷酶合成的诱导有乳糖供应，无葡萄糖

3.酶的诱导——lac体系受调控的证据（2）安慰诱导物:具有诱导效应，而本身又不被分解的诱导物。常用：IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）、TMG（巯甲基半乳糖苷）半乳糖（二）lac操纵子的影响因子1、Lac操纵子的本底水平表达2、大肠杆菌对乳糖的反应3、阻遏物lacI基因产物及功能4、cAMP与代谢物激活蛋白5、葡萄糖对lac操纵子的影响6、协调调节

1、乳糖操纵子本底水平的表达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Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透过酶A：乙酰基转移酶lac操纵子理论不能解释的2个矛盾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，而后者的合成也需要诱导。

解释：

一些透过酶可能在没有诱导物的情况下合成真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有半乳糖苷酶的预先存在。

解释：在本底水平上，有半乳糖苷酶的组成型合成，即在非诱导状态下，乳糖操纵子有本底水平上的表达。半乳糖苷酶的作用催化乳糖转变为异构乳糖。异构乳糖是一种强诱导物原因一：一些诱导物可以以另一种摄取系统进入细胞原因二：阻遏蛋白与lacO的结合是动态平衡本底水平的永久型合成:在非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。2、大肠杆菌对乳糖的反应没有乳糖存在时有乳糖存在时Lac操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下永久型合成的。当I基因由弱启动子突变为强启动子，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。3、阻遏物lacI基因产物及功能（1）阻抑蛋白的结构和功能（2）阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点（3）阻抑蛋白对DNA的特异结合作用（4）阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响阻抑蛋白的作用机制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（1）阻遏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4个亚基的核心片段接触形成四聚体该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合。（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（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。（4）阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响阻抑蛋白结合区阻抑蛋白和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。4、cAMP与代谢物激活蛋白CAP—降解物基因活化蛋白CAP-cAMP复合物CAP++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（1）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP（2）CAP的作用机制a.可能CAP直接作用于RNApola亚基，b.作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。CAP以两种方法来激活转录：

CAP结合位点结合位点～22bpI-70~-50II-50~-40CAP为二聚体，45KD，被cAMP激活由于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。CAP存在原因：乳糖5、葡萄糖对lac操纵子的影响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，lac操纵子关闭

调节基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的RNA-pol前移，结构基因不被转录。1）无乳糖也无葡萄糖存在时：2）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用。小结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭OPOP

由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不与CAP形成复合物，CAP不能结合到启动子附近，RNA聚合酶不能有效转录，使细菌只能利用葡萄糖。3）既有乳糖，又有葡萄糖时：

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落。O细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动RNA-pol向前移动，促进转录。

4）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的RNA-pol向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放,有葡萄糖存在，操纵子关闭6.协调调节阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；没有阻遏蛋白与操纵序列结合，如无CAP存在加强转录，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。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统（1）阻遏蛋白调控系统对trp酶系统转录活性的影响系统对trp酶系统的转录起始频率有70倍的调控范围（2）弱化子系统对trp酶系统活性的影响弱化子系统对trp酶系统活性的有10倍的影响（3）弱化子系统存在的意义对转录体系产生更为精细的调节1.色氨酸操纵子：trp体系参与生物合成而不是降解一、色氨酸操纵子概述2.色氨酸的合成在微生物、植物的芳香族氨基酸的生物合成系统中作为中间体位于重要分支点的化合物。

在生物体内由莽草酸经5磷酸-3-烯醇丙酮酸莽草酸而合成。从分支酸经过预苯酸合成苯丙氨酸和酪氨酸，经邻氨基苯酸合成色氨酸。

此外，也可作为前体物质参于氨基安息香酸、辅酶Q等生理活性物质的合成。3.色氨酸操纵子的双重调控体系（操纵子与弱化子）trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶在大肠杆菌中：trpGD和trpCF基因融合。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶,trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,trpC编码吲哚甘油磷酸合酶,trpF编码异构酶,trpA和trpB分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。二、色氨酸操纵子中阻抑蛋白的负调控1.Trp的作用（1）对已有的酶起反馈抑制（feedbackinhibition）（2）作为trp无活性的阻遏蛋白的辅阻遏物2.TrpR的作用（1）TrpR的活性形式——阻遏蛋白TrpR单体：12.5KDTrpR活性形式:四聚体TrpR与Trp结合后才能与trpO结合阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000（2）TrpR的作用机制TrpR作用机制：trpO位于trpP内，活性TrpR与trpO的结合完全排斥了RNA聚合酶的结合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1.弱化系统概述：三、色氨酸操纵子中弱化子的调控弱化子(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聚合酶通读弱化能力的调控机制。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；trpP与一般原核生物基因的启动子一样，具有正常的-10序序列和-35序列，-10序列完全位于trpO内。trpO是反向重复序列，它是非连锁trpR基因编码的阻遏蛋白的结合

位点；trpP范围（-40~+18）、trpO范围（-21~+1）trpL是一段162bp的序列，转录到mRNA中成为引导序列，对操纵

子的转录起着调控作用；在trpE和trpL之间有弱化子（attenuator），约123～150bp，富含AT碱基。弱化子前导肽：Trp操纵子翻译时包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为~。在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234终止密码子14aa前导肽编码区:包含序列1,第10、11密码子为trp密码子形成发夹结构能力强弱:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

衰减子结构

UUUU……2.色氨酸操纵子的弱化作用/衰减作用3、弱化子的普遍性及其生物学意义

（1）普遍性结构共性ORF，终止子序列，相应aa的密码子，可能存在的的二级结构作用机制共性前导肽翻译作用不存在时，转录在弱化子处终止（2）弱化子的作用机制可被看作是一种可阻遏的正调控激活物：核糖体;辅阻遏物：相应的氨酰基-tRNA（3）弱化子调控的生物学意义调控更为灵敏对代谢产物的反应更为直接调控更为精细四、trp操纵子的其他调控机制Trp操纵子中trpG-D和trpC-F为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。有两个启动子控制整个操纵子的转录，能够感受trp和无负载的tRNATrp的浓度变化。大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较一些G+菌，如枯草杆菌色氨酸操纵子的结构有所不同:7个结构基因中的6个依次排列为trpEDCFBA，存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵子(arooperon）;第7个结构基因,trpG存在于叶酸合成操纵子中，该酶参与Trp和叶酸的合成。有2个启动子参与调控，一个位于arooperon的起始位置，另一个则位于trpE上游约200bp处。大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较TRAP:RNA结合蛋白第四节操纵子的其他调控形式1.半乳糖代谢相关的酶（1）半乳糖激酶（2）半乳糖转移酶（3）半乳糖表异构酶一、具有双启动子的半乳糖操纵子（一）半乳糖代谢（1）半乳糖+ATP半乳糖1-磷酸+ADP+H（2）半乳糖1-磷酸+UDPGluUDPGal+葡萄糖1-磷酸（3）UDPGalUDPGlu总反应：半乳糖+ATP葡萄糖1-磷酸+ADP+H2.代谢步骤半乳糖激酶半乳糖转移酶半乳糖表异构酶1.gal操纵子组成（1）结构基因（galK，galT，galE）（2）调节基因（galR）与结构基因相距很远galR－突变造成组成型表达（3）P/O位点galOC突变造成组成型表达（4）诱导物：半乳糖（二）半乳糖（gal）操纵子galP1：转录起始位置：S1（+1）转录依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖不存在时负责gal操纵子的转录galP2：转录起始位置：S2（-5）转录不依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖存在时负责gal操纵子的转录1.半乳糖的双重作用（1）作为细菌的碳源（2）UDPGal是细菌细胞壁的重要前体2.双启动子的作用（1）galP1保证细菌可以利用半乳糖作为碳源（2）galP2保证有葡萄糖存在时，细菌可以合成UDPGal（三）gal操纵子双启动子的意义二、阿拉伯糖操纵子：具有双重功能的调节蛋白——（正调控和负调控）阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，araC产生的AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。araB：核酮糖激酶araA

：L-阿拉伯糖异构酶araD

：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶（一）阿拉伯糖操纵子的结构

AraC蛋白通