分子生物学讲座6-基因表达调控

第六章、基因表达调控

从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation)。

基因表达的调节可以在不同的水平上进行，包括转录水平（转录前、转录、转录后）和翻译水平（翻译、翻译后）。

一、原核基因转录调控

存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。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。1.操纵子的提出

大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。

大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(

-galactosidase)。

在环境中没有乳糖或其他

-半乳糖苷时，大肠杆菌合成

-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成

-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的

-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中

-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1965年提出乳糖操纵子（lac

operon）学说。典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。一般，控制区包括调节基因（R），启动子（P），操纵基因（O），终止子（T）

；信息区为结构基因（多顺反子）。2.操纵子的基本组成

(1)结构基因群被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structuralgene,SG)。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅读框(openreadingframe),5’端有起始密码ATG，3’端有终止密码TAA、TGA或TAG。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。

乳糖操纵子含有Z、Y和A3个结构基因。

Z基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成有活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列。

Y基因长780bp，编码有260个氨基酸、分子量为30,000的半乳糖透性酶，促使环境中的乳糖进入细菌；A基因长825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000的转乙酰酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。(2)启动子

启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。

(3)操纵基因

操纵基因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，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵基因（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。（4）

调控基因

调控基因(regulatorygene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有：

阻遏蛋白(repressiveprotein)：减弱或阻止，负调控(negativeregulation)；

激活蛋白(activatingprotein)：增强或起动，正调控(positiveregulation)。

许多调控蛋白都是变构蛋白

能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间结构发生变化，从而改变其对基因转录的影响，的特定物质可称为效应物（effector）：

诱导物(inducer)：能引起诱导发生的分子；

辅阻遏物(corepressor)：能导致阻遏发生的分子。小分子效应物（5）终止子

终止子（terminator，T）是给予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。酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物3.大肠杆菌乳糖操纵子模型CAP结合位点大肠杆菌乳

糖

操

纵

子

模型调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAA阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、阻遏蛋白阻止表达

B、乳糖的诱导表达

乳糖阻遏蛋白（有活性）CAP：分解代谢基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP与cAMP结合后才被活化cAMP是由腺苷环化酶（adenylate

cyclase）

催化合成CAP以两种方法来激活转录：（1）它可能直接和RNAPol相互作用；（2）作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。

乳糖操纵子的CAP正调控乳糖操纵子的CAP正调控RLacZLacYLacAmRNA基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMP降低cAMP浓度使CAP呈失活状态mRNAZmRNAYmRNAA

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（trp

operon）的调控。3.色氨酸操纵子的表达调控

(1)色氨酸操纵子的结构

(2)阻遏蛋白的负调控

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ｏ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47000的调控蛋白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。

因此色氨酸操纵子属于一种负调控的、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。

(3)衰减子及其作用

实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化阻遏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。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。

在色氨酸操纵子Ptrp-ｏ与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列（leadingsequence，L），实验证明当色氨酸有一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放阅读框，其序列中有2个色氨酸密码子相连，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段短开放阅读框在转录后是能被翻译的。

mRNA前导区序列分析

trp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。核糖体经过前导区继续翻译的能力控制着这两种结构的转换，它决定mRNA是否形成终止所需的结构。前导序列的终止区与一般的转录终止位点特点相同，具有成串的U和潜在的能形成茎环的二重对称结构。图9-10色氨酸操纵子的转录与翻译调控衰减子作用大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制二、真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质

真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节

真核基因调控主要是正调控

顺式作用元件和反式作用因子

转录因子的相互作用控制转录