7原核基因表达调控
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：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须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：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。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
原核生物基因表达调控
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
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）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
第7章 基因表达调控-原核
7原核生物基因表达调控7.1基因表达的调控7.2转录水平的调控7.3翻译水平的调控7.1基因表达的调控基因表达包括：①基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。
②rRNA 或tRNA 的基因经转录和加工产生成熟的rRNA 或tRNA 的过程。
生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA （或RNA ）分子中的。
随着个体的发育，DNA 有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。
从DNA 到蛋白质或RNA 的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation 或gene control)。
原核生物基因表达调控的层次DNA水平的调控：通过DNA重排等机制来调节基因表达。
转录水平的调控：调控DNA模板上转录特异mRNA的速度，这是生物在进化过程中选择的最经济的调控方式。
翻译水平的调控：mRNA合成后，通过控制多肽链的形成速度调控。
原核中，操纵子是调控表达的基本单位，调控主要在转录水平。
7.1.1基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存，当环境条件变化时，生物体就要改变自身基因表达状况，以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。
细胞中有些蛋白质的数量几乎不受环境变化影响，称为组成性蛋白，如糖酵解中的酶。
随环境变化而变化的蛋白为适应性蛋白，这是由基因表达调控的。
①组成性表达(constitutive expression) 指不随环境变化而变化的基因表达。
组成性表达的产物为组成性蛋白，是细胞或生物体整个生命过程中必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)。
基因表达几乎不受环境影响的原因可能是由于操纵子或调节基因突变造成的：即形成的有活性的阻遏蛋白不能与操纵子结合，或不能形成有活性的阻遏蛋白。
这类基因中大多数是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，是细胞基本的基因表达，这是生物在进化过程中形成的遗传特性。
7基因的表达与调控上——原核基因表达
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。
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：
可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，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。比如大肠杆菌中的色氨 酸操纵子。
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。
正转录调控
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。
负
正
控
控
诱
诱
导
导
系
系
统
统
负
正
控
控
阻
阻
遏
遏
系
系
统
统
σ因子在结构上具有同源性，所以统 称σ70家族，含有4个保守区，其中第2 个和第4个保守区参与结合启动区 DNA，第2个保守区的另一部分还参 与双链DNA解开成单链的过程。
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。
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。
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。
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。
原核基因表达调控特点
原核基因表达调控特点原核生物是指没有真核细胞核的生物，包括细菌和古细菌。
原核生物的基因表达调控具有以下特点：1. 基因结构简单：原核生物的基因通常由一个连续的DNA片段组成，没有内含子和外显子的区别。
这种简单的基因结构使得原核生物的基因表达调控更为直接和高效。
2. 没有转录因子：转录因子是对基因表达起调控作用的蛋白质，通过结合到DNA上的特定序列来激活或抑制转录过程。
然而，在原核生物中，没有类似的转录因子存在。
原核生物的基因表达调控主要通过DNA序列上的启动子和终止子来实现。
3. 启动子和终止子：在原核生物的基因中，启动子是位于转录起始位点上游的DNA序列，终止子是位于转录终止位点下游的DNA序列。
启动子和终止子的序列特点会直接影响基因的转录活性。
例如，启动子上的TATA盒序列通常是原核生物中的转录起始位点，终止子上的rho独立终止序列可以使转录过程自动终止。
这些序列的存在和特点决定了基因的表达水平和调控方式。
4. 负反馈调控：原核生物的基因表达调控中普遍存在负反馈调控机制。
负反馈调控是指基因产物通过结合到自己的启动子或调控区域上，从而抑制自身的转录活性。
这种调控机制可以使得基因的表达水平保持在一定的稳态，并且对外界环境的变化具有一定的适应性。
5. 调控网络简单：与真核生物相比，原核生物的基因调控网络更为简单。
原核生物中的基因调控主要是单个基因与单个调控元件的相互作用，这种简单的调控网络可以使得基因表达的调控更为精确和高效。
6. 高度节约：原核生物的基因表达调控过程非常节约能量和资源。
由于原核生物基因的结构简单，基因表达调控的过程也相对简单，不需要大量的转录因子和调控蛋白的参与，节约了细胞的能量和物质消耗。
原核生物的基因表达调控具有基因结构简单、没有转录因子、启动子和终止子的作用、负反馈调控、调控网络简单和高度节约等特点。
这些特点使得原核生物能够在复杂的环境中快速适应和响应，保证基因表达的高效和精确。
原核生物基因表达调控
-
23
3）乳糖操纵子可诱导的负调节机制 • 无乳糖: lac操纵子处于阻遏状态(repression) • 有乳糖: lac操纵子即可被诱导
诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG （异丙基硫代半乳糖苷）
-
24
当阻遏物与操纵基因结合时，la- c mRNA的转录起始受到抑制25 。
-
3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调
控，原核生物以负调控为主。
-
3
3.原核基因表达调控的几个概念
1）顺式作用元件和反式作用因子
➢基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场所扩散到 目标场所而发挥作用的过程称为反式作用（transacting），此基因表达产物被称为反式作用因子（ trans-acting factor） 。反式作用因子通常为的蛋白 质或RNA。
在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的
σ因子决定特异编码基因的转录激活，也决定不同
RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的转录。σ亚
基在转录延长时脱落。
-
12
• 在E.coli，不同类型的启动子需要不同类型的σ
因子
σ32 调控热休克基因 （heat shock genes） σ54/60 调控氮代谢基因 σF 调控鞭毛基因 σ43 调控噬菌体基因枯草杆菌 (B.subtilis)
一. 原核生物基因表达调控概述
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将 其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系 统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科 学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（ gene expression），对这个过程的调节就称 为基因表达调控（gene regulation或gene control）。
第7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：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。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：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。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（三）、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，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；
分子生物学-13-4-第七章原核基因表达调控-Arb
因此只有在没有葡萄糖的时候，同时又有半乳糖的时候，启动子1才是开放的为什么gal 操纵子需要两个转录起始位点？（涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能）半乳糖两个作用： 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal ）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。
而启动子也有两个： galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半乳糖时进行，以保证碳源的供应。
galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半乳糖时进行，以保证细胞壁的合成需要。
生理功能（可以理解为生物学意义？）无论从必要性和经济性考虑，都要有一个不依赖于cAMP-CAP 的启动子(s2) 进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMP-CAP 的启动子(s1),进行高水平的调节，这样既可以满足细胞最基本的需要（细胞壁），又可以满足在没有葡萄糖而有半乳糖时，细胞能够利用半乳糖进行生长。
进一步解释:gal P2是不依赖于cAMP-CRP 的，相反： cAMP-CRP 对gal P2还起到一种抑制作用，这是因为其与结合位点的结合，会影响到RNA 聚合酶对gal P2的利用。
因此教材上（page257）认为：只有S2活性完全被抑制时，（S1）的调控作用才是有效的。
7.4.2 阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)araB 基因、araA 基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD三个基因的表达受到ara 操纵子中araC 基因产物AraC 蛋白的调控。
C 蛋白有三个结合位点O2、O1和 I 。
I BADCRPO2O1C结构基因调节基因P BADaraC 基因是araBAD 的调节基因L核酮糖激酶L阿拉伯糖异构酶L核酮糖-5-磷酸-4-差相异构酶结合到ara I 的时候，由于araBAD的启动子本身与ara I有部分重叠，另外还可以引起上游序列回折弯曲，使得AraC同时与O2结合，从而使CRP 聚合酶也不能结合到启动子上，araBAD基因不转录。
原核生物基因表达调控概述
原核⽣物基因表达调控概述原核⽣物基因表达调控概述基因表达调控是⽣物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在⽣命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋⽩质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，⽽与⽣物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭⽽不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核⽣物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终⽌的每⼀步骤中。
这种调控多以操纵⼦为单位进⾏，将功能相关的基因组织在⼀起，同时开启或关闭基因表达即经济⼜有效，保证其⽣命活动的需要。
调控主要发⽣在转录⽔平，有正、负调控两种机制在转录⽔平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋⽩质因⼦及其他⼩分⼦配基的相互作⽤。
细菌的转录和翻译过程⼏乎在同⼀时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋⽩质在不同时期的表达⽔平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是⼀条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋⽩质的⼩分⼦物质消耗，这是⽣物长期进化过程中⾃然选择的结果，这种控制称为转录⽔平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括⼀些与翻译有关的酶及其复合体分⼦缔合的装配速度等过程。
这种蛋⽩质合成及其基因表达的控制称为翻译⽔平的调控。
⼆.原核⽣物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够⼴泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、⽔分、溶液浓度、温度，pH等。
⽽这些条件须通过细胞内的各种⽣化反应途径，为细胞⽣长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的⼩分⼦化合物。
（2）顺式作⽤元件和反式作⽤元件基因活性的调节主要通过反式作⽤因⼦与顺式作⽤元件的相互作⽤⽽实现。
反式作⽤因⼦的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同⼀个DNA分⼦上。
第七章原核基因表达的调控详解演示文稿
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。
第二十六页，共100页。
Francis Jacob Jacques Monod
外周胞质
内膜 细胞内面
透(性)酶
乳糖
透(性)酶
β－半乳糖苷酶
乳糖
第二十七页，共100页。
半乳糖 葡萄糖
P laci P O
➢ 调控P基ro因m（otererguGlaetnoer g1ene）Ge：ne参2与其G他en基e 因3 表T达er调m控ina的tor RNA或蛋白质的编码基因。
➢ 其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。
Promoter
Gene
第十二页，共100页。
调控基因
调控蛋白
影响结构基因的表达
作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。
调控基因
启动子
RNA polymarase
转录因子 反式作用因子
第二十三页，共100页。
顺式作用元件
第一节 概述 第二节 操纵子 第三节 转录后加工的调控 第四节 翻译水平的调控
第二十四页，共100页。
第二节 操纵子
1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 2 乳糖操纵子的调控机制
1.2 基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）
第四页，共100页。
1.2.1 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
常被称为管家基因(housekeeping gene)。
第七章原核生物的基因调控
第七章原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称之基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称之基因表达调控(gene regulation或者gene control)。
要熟悉动、植物生长发育的规律、形态结构特征与生物学功能，就务必弄清晰基因表达调控的时间与空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
基因表达调控要紧表现在下列几个方面：①转录水平上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)与环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物特别是高等真核生物中，激素水平(hormone level)与发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最要紧手段，营养与环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因的结构活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的操纵点。
可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。
其中转录起始是基因表达的基本操纵点。
四个基本的调控点：（1）基因结构的活化。
DNA暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
（2）转录起始。
最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。
（3）转录后加工及转运。
RNA编辑、剪接、转运。
（4）翻译及翻译后加工。
翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节。
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RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
基纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控
第一节
基因表达调控的基本概念
一、基因表达的概念
gene expression ：基因转录及翻译的过程。
乳糖
＋
葡萄糖
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
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。
结构基因 调节基因 操纵基因
激活蛋白 正转录调控
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：
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
第三节 乳糖操纵子(lac
内容提要： 乳糖操纵子的结构
operon)
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
一、乳糖操纵子的结构
• Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳
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。
三、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
结构基因 调节基因 操纵基因
激活蛋白 正转录调控
阻遏蛋白 负转录调控
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
对这个过程的调节就称为gene regulation 。
rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达
二、基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）
1、组成性表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
启动序列 CAP结合位点
代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP） cAMP—CAP复合物
ATP 腺甘酸环化酶
cAMP（环腺甘酸）
大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；
间隔序列(IVS)
β-珠蛋白基因的正确表达主要依赖于两种类型的调控元件：位于基因 簇5′端的位点控制区(Locus Control Region，LCR)以及各珠蛋白基因 的启动子等近端调控序列。LCR由4个DNase 高敏位点(5'HS1-5'HS4)构 成，每个HS的活性又都集中在核心序列上。研究发现。 ...
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，后者的合成又需要诱导。
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？√
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。
操纵子在这些突变体中就不可诱导。
4、葡萄糖对lac操纵子的影响
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
5、cAMP与代谢物激活蛋白 调控区
结构基因
DNA
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
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。
四、转录水平上调控的其他形式
1、σ因子的更换
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(housekeeping gene)。
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
(inducible gene)；
•
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(repressible gene)。
三、基因表达的规律
——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity） 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(stage specificity)。
• 可诱导调节：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。
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
结构基因 调节基因 操纵基因
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。
糖
• Y编码β-半乳糖苷透过酶：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。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：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。
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
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
操纵位点的回文序列(阻遏物结合)
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
④当阻遏物与 操纵基因结 合时，lac mRNA的转录 起始受到抑 制。
LacI
P O
lacZ
lacY
lacA
图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上
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。
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）。
CH2OH HO H OH H H OH H H O
CH3 S－C－CH3 CH3
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
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。
大肠杆菌中的各种σ因子比较
σ因子 σ70 σ54
编码基因
主要功能 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
rpoD rpoN
σ38
σ32 σ28 σ24
2、空间特异性(spatial specificity) 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。 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 (cell or tissue specificity)。
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
组成型突变： lacOc
组成型突变： lacI-
不可诱导突变（超阻遏）：
Repressor has lost Iducer-binding site lacI S genesythesizes defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator
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）
第二节 原核基因调控机制
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）
辅阻遏物
辐阻遏物 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：
• 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。
rpoH
rpoS rpoF rpoE