第六章 原核基因表达调控模式

一）乳糖操纵子的结构
1、操纵子概念 操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、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。操纵基因受调节基因产物的控制。
1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Jacob and Monod
2、 乳糖操纵子的结构
lacZ：β—半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡
5、cAMP与代谢物激活蛋白（降解物对基因活性的调节
）
代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）
DNA
调控区
结构基因
P OZ YA
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
cAMP—CAP复合物
ATP
cAMP（环腺甘酸）
腺甘酸环化酶
大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高； 有葡萄糖，cAMP浓度低
The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m constitutive
Bind to me Polymerase
Yipee…!
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
LacZ
例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使 细菌产生酶来分解它， 这种物质就是诱导物。
阻遏蛋白 诱导物
mRNA 酶蛋白
可阻遏调节（P197）：基因平时是开启的，处在 产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢 物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达 。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
结构基因
阻遏蛋白
负转录调控
负转录调控
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这 种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调 控负转录调控。
2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答， 可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类： 可诱导调节（P196）：指一些基因在特殊的代谢
物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为 工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。
CAP Pol.
cAMP
Repressor mRNA
X Repressor
Repressor
LacY LacRPANolA.
CAP
cAMP
Repressor
This lactose has
bent me
out of shape
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源） 异构乳糖
CH2OH
HO
O
H OH
H OH
H
O OH
H
H
HH
HH
＋ H2O
O OH
H
OH
CH2OH
乳糖
CH2OH
HO
O
H
OH H
H
H OH
H HO
OH H H
OH H
H
O OH
O CH2
别乳糖
CH2OH
H
O OH
CH2OH
HO
O OH
H
H
OH H
＋
OH H
HO
Hey man, I’m constitutive
Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
PrRomNoAter
Operator
LacZ
Pol. Repressor
LacY
LacA
Repressor mRNA
No way Jose!
Repressor
CAP
内容提要： 原核基因表达调控环节 操纵子学说 原核基因调控机制的类型与特点 转录水平上调控的其他形式
一）原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
C 与RNA聚合酶结合影响其活性 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖 由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。 合成代谢蛋白的基因 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 第六章 原核基因表达调控模式 ①诱导物需要穿过细L胞acI 膜P才O能与l阻acZ 遏物lac结Y 合，lacA而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。 参与多数氮源利用基因的调控 操纵子：是基因图表1达6- 当的无协诱导调物单时阻位遏，物结由合启在操动纵基子因、上 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。 二 原核基因调控机制 Hey man, I’m 有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达
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(catabolic repression)。
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
酶合成的阻遏Байду номын сангаас纵子模型
调节基因
结构基因 操纵基因
调节基因 操纵基因 结构基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
辅阻遏物 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这 种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。
3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋 白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用 。 根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：
第六章 原核基因表达调控模式
一 基因表达调控的基本概念
一）基因表达的概念 gene expression ：从DNA到蛋白质的过程 （基因转录及翻译的过程）。对这个过程的调 节就称为基因表达调控（gene regulation） 。
rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达
二 原核基因调控机制
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在 β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此， 需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量 的lac mRNA合成。
2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油
按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个 分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶； 培养基：加入乳糖 少量乳糖 透过酶 进入细胞 β-半乳糖苷酶 异构乳糖 诱导物 诱导lac mRNA的生物合成 大量乳糖进入细胞
二）原核基因调控机制的类型与特点
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白
正转录调控
正转录调控
如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加 入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控 正转录调控。
调节基因
操纵基因
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结 合位点。
④ 当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制 。
⑤ 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与 操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时 ，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA的合成。
CH2OH
CH3
HO
O S－C－CH3
H
CH3
OH
H
H
H
H
OH
图 16-6 异丙基-β-硫代半乳糖苷的分子结构
三）乳糖操纵子调控模型
主要内容：
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码
② 这个mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O ）之间，不能单独启动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过 程。
诱导：基因被打开
β-半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关
四）影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： ①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，后者的合成有需要诱导。
解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？√
H
H
H
H OH
葡萄糖
H OH
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
诱导物的加入和去除
对lac mRNA的影响
3、阻遏物lac I基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组 成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，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。
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CAP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
五）Lac操纵子中的其他问题
1、A基因及其生理功能
半乳糖甘分子 β-半乳糖甘酶 （IPTG）
分解产物（体
枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因 的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达
2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响
三 乳糖操纵子(lac operon)
——负控诱导系统 内容提要： 乳糖操纵子的结构 酶的诱导——lac体系受调控的证据 乳糖操纵子调控模型 影响因子 Lac操纵子中的其他问题
编码基因
主要功能
rpoD rpoN
参与对数生长期和大多数碳代谢过程 基因的调控
参与多数氮源利用基因的调控
rpoH
分裂间期特异基因的表达调控
rpoS
热休克基因的表达调控
rpoF
鞭毛趋化相关基因的表达调控
rpoE
过度热休克基因的表达调控
温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答 基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋 白,适应环境需要
在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物） 结合时，结构基因转录；
在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物 ）结合时，结构基因不转录。
4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏
在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在 使激活蛋白处于活性状态；
在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存 在使激活蛋白处于非活性状态。
三）转录水平上调控的其他形式
1、σ因子的更换
在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特
定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与 各种启动子结合。
σ因子 σ70
σ54 σ38 σ32 σ28 σ24
大肠杆菌中的各种σ因子比较
Hey man, I’m constitutive
Bind to me Polymerase
Alright, I’m off to the races . . .
Come on, let me through!
Repressor
CAP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CAP
Pol. Repressor
萄糖
lacY：半乳糖渗透酶，使外界的β-半乳糖苷（如乳
糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内
lacA：半乳糖苷转乙酰酶，使乙酰辅酶A上的乙酰
基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖
I：阻遏蛋白
二）酶的诱导——lac体系受调控的证据
安慰诱导物：
如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不 被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG （异丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。
4、葡萄糖对lac操纵子的影响
在乳糖代谢中，β-半乳糖苷酶把乳糖分解成葡萄糖和半 乳糖（半乳糖将在gal操纵子的作用下再转化为葡萄糖）。 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵子处于阻 遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱 导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应
CAP的正调控 + + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时 不促进转录
协调调节
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。