分子生物学 第9章 原核生物基因表达调控

MolecularBiologyCourse第九章原核生物基因表达调控教学要求掌握操纵子的结构理解诱导和阻抑操纵子的调控机制理解葡萄糖对乳糖操纵子的调控方式掌握色氨酸对操纵子的阻抑和弱化作用第1节基因表达调控的基本概念第2节TheLacoperon乳糖操纵子第3节Thetrpoperon色氨酸操纵子第4节不同σ因子对转录的调节主要内容第1节基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念geneexpression

：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为generegulation

。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达

组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式

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，通常被称为持家基因(housekeepinggene)。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。应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)；相反，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)。

三、基因表达的规律

——时间性和空间性1、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)。

2、空间特异性(spatialspecificity)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(cellortissuespecificity)。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。四、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）五、基因表达调控的基本原理(一)基因表达的多级调控基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（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但以转录水平的基因表达调控最重要。

（二）基因转录激活调节基本要素1.顺式作用元件2.反式作用因子3.RNA聚合酶(1)原核生物的顺式作用元件

原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。其顺式作用元件由启动基因、操纵基因组成。(2)真核生物的顺式作用元件在真核生物中，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）

1.顺式作用元件：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。操纵子Theoperonmodel操纵子模型

JacobandMonod,1961

获1965年诺贝尔生理学和医学奖

操纵子：是基因表达的协调单位，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。Structuralgenes(结构基因)

：用于表达参与特异生化合成途径所需的酶。

Controlelements

(调控元件)：调节结构基因转录的一段DNA序列，包括启动子、操纵基因等。Regulatorgene(s)(调节基因)

：编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。ControlelementStructuralgenes操纵子调节基因启动序列操纵序列编码序列（结构基因）

表达

转录ICAPPOZYA阻遏蛋白结合部位RNA聚合酶结合部位多顺反子mRNA

功能上相关联的多个结构基因受同一启动序列调控，被一起转录和翻译生成多种蛋白质的mRNA

。启动序列（P）：其中的-35区-10区是RNA聚合酶识别并结合的部位。多顺反子mRNA阻遏蛋白（负性调节）（正性调节）多种蛋白质

R

P

O

ST1

ST2T

启动操纵调节基因基因基因结构基因控制区

操纵元信息区操纵元模型的一般结构2．反式作用因子（trans-actingfactor）

定义：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。1)原核生物的反式作用因子（3类）特异因子

决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(如RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白

通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白

与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发挥正性调控作用。（如，CAP—分解代谢物基因活化蛋白）

2)真核生物的反式作用因子

真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子

按其功能不同，常有以下三类：

基本转录因子转录调节因子共调节因子3.RNA聚合酶

1.启动子碱基序列变化影响RNA聚合酶活性（尤其－10区和－35区的共有碱基序列变化）

2.调节蛋白构象变化影响RNA聚合酶活性

第2节TheLacoperon乳糖操纵子一、乳糖操纵子的结构二、乳糖操纵子的调节机制一、乳糖操纵子的结构大肠肝菌能够利用乳糖：环境中乳糖作为唯一碳源→表达并合成一系列与乳糖代谢相关的酶类环境中没有乳糖→编码上述乳糖代谢酶的基因则被关闭ThelacoperonLacrepressor抑制因子TranscriptionblockedInducerActivatethePlactranscriptionCRP+cAMP(glucoserepressed)Highleveloftranscription(诱导子，Lactose)Overview一、乳糖操纵元的结构i基因POlacZlacYlacA阻遏基因CAP启动子操纵基因结构基因代谢激活蛋白结合位点一、乳糖操纵子的结构(一)乳糖操纵子的结构aregulatorygene(调节基因):LacI,encodethelacrepressor(编码乳糖阻抑物)3stucturalgenes(结构基因):LacY、LacZ、LacA2controlelements(调控元件):Plac（启动子)、Olac(操纵基因位点)lacIRegulatorygenelacZlacYlacADNAm-RNAβ

-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProteinStructuralGenesPlacIPlacOlaclacY编码半乳糖苷渗透酶)，促进半乳糖苷进入细胞lacZ编码半乳糖苷酶，将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖lacA编码硫代半乳糖苷转乙酰酶G2:TheLACoperonlacZ,lacY,lacA

三个结构基因位于同一个转录单元中。1.结构基因G2:TheLACoperon2.操纵基因位于

-5至＋21这段区域，和启动子的右侧末端重叠，26~28bp是阻遏蛋白的结合位点。(回文对称):当一条链以5′到3′方向从左向右读与其互补链5′到3′方向从右向左读时具有相同的序列。以+11为对称轴，每边为两段各6bp反向重复序列

3.

乳糖阻抑物RegulationofTranscriptioninProkaryotes(1)是由4个相同亚基组成的同源四聚体(2)具有两个结合位点：操纵基因结合位点和诱导物结合位点(3)无诱导物存在时，能阻止基因的转录,诱导物通过与阻遏物结合，改变它的构象，使之不能与操纵区相结合，激活基因转录。(4)阻遏蛋白和DNA的结合能增强RNA聚合酶结合DNA的能力乳糖操纵元的双调控系统：(1)受乳糖与阻遏蛋白调控的、可诱导的负调控系统;(2)受cAMP与CAP调节的、可诱导的正调控系统。葡萄糖通过调节cAMP的合成间接监控这一过程。以此保证大肠杆菌灵活、经济、有效地适应外界环境，只有在必需的时候（只有乳糖，没有葡萄糖）才启动乳糖操纵子的表达。二、乳糖操纵子的调节机制二、乳糖操纵子的调节机制(一)负调节机制1.无诱导物时，阻抑物与操纵基因结合，阻止转录

2.Induction诱导诱导物跟乳糖阻抑物结合，改变了阻抑物的构象，使其不能结合到操纵位点上。G2:TheLACoperon诱导物和结合于操纵基因上的阻遏物结合，使其从操纵基因上释放。而不是和游离阻遏物结合，影响阻遏物和DNA结合的平衡诱导物改变阻遏蛋白在DNA上的分布，而不是产生游离阻遏蛋白：随机DNA序列和阻遏蛋白也具有亲和力，但比操纵基因和阻遏蛋白的亲和力低107倍诱导物和阻遏蛋白结合时，阻遏蛋白和操纵基因的亲和力下降，所有阻遏蛋白结合在DNA的随机序列上除去诱导物后，阻遏蛋白恢复活性，从随机位点直接转移到操纵基因上ipozyaVerylowleveloflacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozyab-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactoseInactiveLactose(乳糖)

ispresent,thelowbasallevelof

permease(透过酶)

allowsitsuptake,andβ-galactosidase

(半乳糖苷酶)catalyzestheconversionofsomelactosetoallolactose

(异乳糖).Allolactoseactsasaninducer,

bindingtothelacrepressorandinactivateit.Lactose

(allolactose)：天然的诱导物IPTG(异丙基-b-D-硫代半乳糖苷),

人工合成的诱导物，,能快速激活乳糖操纵子结构基因的转录，但自身不被分解(义务诱导物)IPTGisusedtoinducetheexpressionoftheclonedgenefromLacZpromoterinmanyvectors,suchaspUC19.AmproripUC18(3kb)MCS(Multiplecloningsites, 多克隆位点）LacpromoterlacZ’GeneXNoIPTG,

littleexpressionofXgeneWithIPTG,efficientexpressionofXgene.L1:TheLACoperon可诱导调控的操纵元，其基因表达产物都是利用某种营养物的酶体系（分解代谢）

有营养物——相应基因开放

无营养物——细胞就没必要产生相应的酶2CAP位点

操纵序列RNA聚合酶

启动序列cAMPmRNA5'

DNA结合区→与CAP位点结合CAP(同二聚体),含

cAMP结合区→cAMP-CAP复合物（有活性）CAP（二）CAP的正性调节作用

1.

CRP，cAMP受体蛋白G2:TheLACoperonCRP

是一种转录激活因子(分解代谢激活蛋白,CAP)与cAMP结合后才有活性：CAP与cAMP结合后，发生空间构象的变化而活化，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合，从而增强RNA聚合酶的转录活性，可使转录提高50倍cAMP

水平受葡萄糖调节

CRP激活因子参与分解代谢操纵子对葡萄糖水平反应的基因表达的全局调控。

cAMP：CyclicAMPATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环腺苷酸(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。Whenglucoseispresent当葡萄糖存在时，细胞中cAMP含量低，CRP以二聚体的形式存在，从而不能跟DNA结合调控转录。

Whenglucoseisabsent当葡萄糖缺乏时，cAMP含量升高，与CRP结合；CRP-cAMP复合物结合到启动子中RNA聚合酶结合位点上游的序列，使DNA弯曲90°，增强了RNA聚合酶跟启动子的结合，使转录提高了50倍。

CRP-bindingsiteisaninvertedrepeat.正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。cAMP—CAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。(三)协调调节葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

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。TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenGlucoseandLactosearePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.Comeon,letmethroughCAPRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeLacXTheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第2节TheTrp

Operon色氨酸操纵子一、色氨酸操纵子的结构二、色氨酸操纵子的调节机制三、正调控系统和负调控系统RegulationofTranscriptioninProkaryotes调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸

的酶

一、色氨酸操纵元的结构trpR

trpRPLeader前导序列编码色氨酸合成所需的5种结构基因当细胞中色氨酸短缺时，这些基因协同表1.特点:(1)

trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开ABCG3:ThetrpoperonG3:Thetrpoperon二、色氨酸操纵子的调节机制(一)负调控机制(二)弱化系统RegulationofTranscriptioninProkaryotes调节基因trpR编码色氨酸阻抑物与色氨酸形成复合物后，与操纵基因相结合，阻止结构基因的转录Trp

：协同抑制因子

，能抑制色氨酸的合成(负反馈调控)能使转录的起始效率下降70倍是一种粗调控机制，调节转录的起始(一)负调控机制G3:Thetrpoperon

Therepressorisadimer(二聚体)oftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcore

(中心区域)andtwoflexibleDNA-readingheads(DNA解读头部)(carboxyl-terminalofeachsubunit)centralcoreDNA-readingheads色氨酸阻抑物G3:ThetrpoperontrpRoperontrpoperonO

阻遏蛋白mRNATrp

trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA转录生成162核苷酸长的前导序列，可以形成“衰减子”结构（结构基因关闭）调节区

在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。

(二)弱化系统有活性1.前导RNA的结构

RegulationofTranscriptioninProkaryotes在trpmRNA5'端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。含有四个互补序列区，碱基互补形成不同的结构Complementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionfreeleaderRNAG3:Thetrpoperon2.

前导肽RegulationofTranscriptioninProkaryotes前导RNA含有一个有效的核糖体结合位点，并能编码一个由14个氨基酸组成的前导肽

该前导序列的第10个和11个密码子编码色氨酸。单林娜制作71

3.弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列（123-150区）。123~150Attenuatorsequencecharacteristic位于前导序列(在trpE起始密码子之前)的末端非

依赖型的终止位点，有一富含GC的回文对称结构，紧跟着一串8个U残基序列高效的转录终止子3.弱化作用RegulationofTranscriptioninProkaryotesTranscriptionandtranslationinbacteriaarecoupled.Therefore,synthesisoftheleaderpeptideimmediatelyfollowsthetranscriptionofleaderRNA,andtheattenuationispossible.Hightrp

(attunation)Lackoftrp(proceedingthroughthewholeoperon)

Transcriptionofthetrpoperon

Duringtranscription