原核调空
第七章原核生物的基因调控
第七讲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)。
要了解动、植物发展发育的规律、形态布局特征和生物学功能，就必需弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的奥秘，我们手中就有了一把揭示生物学微妙的金钥匙。
基因表达调控主要暗示在以下几个方面：①转录程度上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟程度上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译程度上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的底子道理〔一〕基因表达的多级调控基因的布局活化、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控制点。
可见，基因表达调控是在多级程度长进行的复杂事件。
此中转录起始是基因表达的底子控制点。
四个底子的调控点：〔1〕基因布局的活化。
DNA表露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因暗示为：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元件与调控蛋白彼此作用来调控基因表达。
〔3〕转录后加工及转运。
RNA编纂、剪接、转运。
〔4〕翻译及翻译后加工。
翻译程度可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是底子调控环节。
分子生物学课件 第9章 原核生物基因调控
结合araI时，araI作为正控制的元件，促进araBAD 基 因的表达 。
34
9.7 翻译水平的调控
9.7.1反义RNA的调控
聂理
35
反义RNA
反义RNA有多种符号 = antisense RNA = -RNA = stRNA(small temporal RNA) = micRNA（ mRNA-interfering complementary RNA） 即 干扰和抑制mRNA翻译的互补RNA片段
为诱导物开启lac操纵子结构基因……。
17
9.4.2乳糖操纵子正控制机理
CRP：cyclic AMP receptor protein， =“cAMP受体蛋白”， =“降解物基因活化蛋白（CAP）” ①当环境中有葡糖时： 抑制cAMP 产生，纯CAP是失活态蛋白。 ②当环境中无葡糖时： 有利于 cAMP 产生和cAMP-CAP形成。
22
9.5.2 衰减子
衰减子也叫弱化子
attenuator
聂理
23
9.5.2.1衰减子组成
trp操纵子前导区L，转录出RNA前导序列161nt。
1~26nt翻译的 SD序列区
27~71nt含14个氨基酸 密码的前导肽区
115~159nt衰减子区
具有终止子 结构特征
24
9.5.2.2衰减子调控机制
41
9.7.3 核开关 riboswitch
核开关也叫核糖开关。 是mRNA所形成的调节基因表达的结构。 在mRNA的非翻译区（5’-UTR,3’-UTR）， 与小分子效应物可逆结合而改变其结构， 根据构象特征信号来影响mRNA的表达， （如影响转录、翻译等） 从而达到调控基因开关的目的。
第十章原核生物基因表达的调控
表 16-4 E.coliσ 因子识别不同保守序列的启动子 基因 分子量 70KD 32KD 24KD 54KD 28KD 功能 普遍 热休克 热休克 氮饥饿 产生鞭毛 -35 序列 TTGACA CCCTTGAA ？ CTGGNA CTAAA 间隔(bp) 16～18 13～15 ？ 6 15 -10 序列 TATAAT CCCGATNT ？ TTGCA GCCGATAA
基本概念
1.操纵子（operon）
很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由 一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构 基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子(operon)。
一个完整的操纵子主要包括启动子、操纵基因、结构 基因和终止子。
2. 阻遏物和激活物（reperssor and activator）
2. 基因表达的极性效应
•在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随 即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体， ρ因子 无法接近mRNA，而RNA聚合酶早已越过前面的基因的 依赖ρ因子的终止子，所以转录实际上并不停止，而是继 续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之 前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻 译停止，于是ρ就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停 留在终止子上的RNA聚合酶，结果使RNA聚合酶释放， 不能再转录下游基因。
第十章 原核生物基因 表达的调控
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)。
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
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
原核生物的基因表达与调控
非编码RN的作用
参与基因表达调 控：非编码RN 可以调控基因的 表达影响蛋白质 的合成
参与转录后调控： 非编码RN可以 参与转录后的调 控影响mRN的 稳定性和翻译效 率
参与翻译调控： 非编码RN可以 参与翻译调控影 响蛋白质的合成 和翻译后修饰
参与表观遗传调 控：非编码RN 可以参与表观遗 传调控影响基因 的表达和功能
别
翻译起始调控： 包括正调控和 负调控影响翻
译效率
正调控：包括 启动子、增强 子等促进翻译
起始
负调控：包括 沉默子、终止 子等抑制翻译
起始
翻译延伸的调控
核糖体：蛋白质合成的场 所
起始密码子：蛋白质合成 的起始点
终止密码子：蛋白质合成 的终止点
延伸因子：参与蛋白质合 成的延伸过程
释放因子：参与蛋白质合 成的释放过程
时序调控机制的研究进展
发现基因表达调控的时序性
研究基因表达调控的调控网络
研究基因表达调控的机制 发现基因表达调控的调控因子
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的作用
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的调控机制
07
原核生物基因表达调控的应用前景
基因工程与合成生物学中的应用
基因工程：通过基因重组 技术将外源基因导入原核 生物实现基因表达调控
合成生物学：通过设计、 构建和优化基因回路实现 原核生物的基因表达调控
生物制药：利用原核生物 基因表达调控技术生产药 物、疫苗等
生物能源：利用原核生物 基因表达调控技术生产生 物燃料如乙醇、生物柴油 等
环境保护：利用原核生物 基因表达调控技术降解污 染物实现环境修复
农业：利用原核生物基因 表达调控技术改良作物品 种提高作物抗病、抗虫、 抗逆能力
分子第五章原核基因表达调控
CAP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
2、影响因子
（5）cAMP与代谢物激活蛋白 ◇ cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。 ◇由Crp基因编码的代谢物激活蛋白（CAP）能与cAMP形成复合物。 ◇ cAMP—CAP复合物是激活lac的重要组成部分，这与阻遏体系无 关，细菌对它的需要是独立的。转录必须有cAMP—CAP复合物结合 在启动子区。
Abstract
◇基因表达调控主要表现在以下两个方面： 1、转录水平上的调控(transcriptional regulation)。 2、转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation)： mRNA加工成熟水平上的调控、翻译水平上的调控 。
一、基本概念
1、组成蛋白和调节蛋白 ◇组成蛋白：细胞内有许多种蛋白质的数量几乎不受外界环境 的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。 ◇调节蛋白：是一类特殊的蛋白质，它们可以影响一种或多种 基因的表达。调节蛋白包括：正调节蛋白和负调节蛋白。前者 是激活蛋白，后者是阻遏蛋白。
激活蛋白
启动子 操纵子
负调控
阻遏蛋白
启动子 操纵子
正调控和负调控
一、基本概念
5、操纵基因和操纵子 ◇操纵基因(operator)：也叫操作子，是操纵子中的控制基因，在 操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶 通过并作用于启动子启动转录。 ◇操纵子(operon)：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成 的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因控制。
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）。
第六章 原核生物基因表达调控
图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。
原核生物基因表达调控的基本结构单元
原核生物基因表达调控的基本结构单元介绍
原核生物是一类单细胞生物，其基因表达调控的基本结构单元通常包括以下几个主要组成部分：
1. 启动子（Promoter）：启动子是基因的调控区域之一，位于基因的上游区域，通常包含一个TATA盒等核酸序列。
启动子的作用是吸引RNA聚合酶，这是一个关键的酶，用于合成RNA 的新链。
RNA聚合酶结合到启动子后，开始转录过程。
2. 运算子（Operator）：运算子是原核生物中的一段DNA序列，通常位于启动子和基因之间。
它是一种特定的序列，可以与调控蛋白质（如诱导子或抑制子）结合，以控制基因的转录。
当运算子结合到调控蛋白质时，可以影响RNA聚合酶的能力。
3. 基因（Gene）：基因包含了编码蛋白质的DNA序列，其转录和翻译会产生蛋白质。
基因的启动子和终止子之间的DNA序列被转录为RNA，然后通过翻译产生蛋白质。
4. 调控蛋白质：原核生物中，调控蛋白质是一类能够与运算子结合的蛋白质，可以在基因表达调控过程中起到关键作用。
有诱导子（inducers）和抑制子（repressors）两种类型的调控蛋白质。
诱导子能够激活基因的转录，而抑制子能够阻止或减慢基因的转录。
5. RNA聚合酶：RNA聚合酶是一种酶，它负责合成RNA链的新链。
RNA聚合酶在启动子的帮助下结合到DNA，并开始转录过程。
它在原核生物的基因表达调控中起到关键作用，因为它决定了是否会合成特定基因的RNA。
这些基本结构单元共同协同工作，以确保原核生物的基因表达调控能够适应环境的变化，使细胞能够在不同条件下产生所需的蛋白质。
这一过程是原核生物的适应性和生存的关键。
原核生物的基因调控机制
原核生物的基因调控机制原核生物是指没有核膜分隔细胞质和核的生物，包括细菌和蓝藻等单细胞有核生物。
相对于真核生物而言，原核生物在基因调控机制上显得比较简单，但是其基因调控机制的研究对于我们理解生命的本质和人工合成生命具有重要意义。
1. 基本特征原核生物的基因组通常比真核生物小得多，只有数千到数百万个碱基对，但是它们在适应各种环境和生存的压力方面却表现出很高的灵活性和多样性。
而基因表达的调控就对这种适应力至关重要。
基因调控有两方面的意义：在不同的环境中合理表达适当的基因，以达到适应环境的目的，而另一方面，也保证了细胞内部各个代谢通路之间的协同作用。
2. 基质和细胞质中的基因调控首先，我们需要明确一点，原核生物没有真正意义上的细胞器（除了细菌的核壳和蓝藻的一些细胞膜片）。
所有的物质在细胞质中自由扩散，包括DNA，这给基因调控带来了额外的因素。
通过对E. coli基因调控的大量实验研究，人们发现，在基质和细胞质中对细胞材料的获取和代谢是通过基因调控进行控制的。
这些代谢通路可以直接影响特定基因的表达，从而刺激或阻止细胞完成特定任务。
3. 负反馈回路的基因调控许多细菌通过一种被称为“负反馈回路”的机制来根据需要调节基因表达。
这个机制基于蛋白质-DNA相互作用，并通过控制特定基因的转录和翻译进行管理。
在负反馈回路中，启动子与特定的蛋白质结合，阻止转录机器进行工作，从而阻止与之对应的基因的表达。
然而，随着时间的推移，该蛋白质被人体分解或降解，基因被再次激活，产生更多的蛋白质。
该蛋白质的过剩则会在细胞中累积，随着时间的推移，其甚至可能会影响到自己的合成。
4. 其他机制除负反馈回路外，其他基因调控机制也在原核生物中起着非常重要的作用，如阳性反馈、形态诱导、环境感应等。
通过这些机制，原核生物可以对环境的变化做出更快速、更灵敏的响应，以适应不同的压力。
5. 总结尽管相对于其他生物而言，原核生物的基因调控机制表现出一定的简单性，但其对环境变化的快速感应和适应能力远不逊于其他生物。
第11章 原核生物基因表达的调控
Ø 葡萄糖代谢导致cAMP浓度下降； Ø cAMP可以活化乳糖操纵子的激活蛋白：
CRP: cAMP receptor protein（cAMP受体蛋白） CAP: catabolite gene activator protein
（代谢降解物活化蛋白）
Ø cAMP-CRP/CAP
乳糖操纵子的正调控
Ø 每个阻遏蛋白四聚体与两个 operator 结合； Ø 阻遏蛋白与Operator结合导 致DNA弯折，干扰mRNA的 合成。
p.286 图11-7
乳糖操纵子的正调控
当细菌在含有葡萄糖和乳 糖的培养基中生长时，通常 总是优先利用葡萄糖，而不 利用乳糖；只有当葡萄糖耗 尽后，细菌经过一段停滞期， 才能在乳糖的诱导下，合成 β-半乳糖苷酶等分解利用 乳糖的酶类，细菌才能利用 乳糖。
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
色氨酸操纵子的衰减作用
trpR
OP trpL trpE trpD trpC trpB trpA
5’
(1) 新合成的正链 RNA可以翻译A蛋白；
3’ (-) A
5’(+)
5’
但是很快形成二级结构，阻止A蛋白 的继续合成；
所以 A蛋白与C蛋白的量为1:180
Ø Rep的合成依赖于C蛋白的表达， 证据：C基因的codon6发生无义突 变：核糖体停留在该处，导致rep基 因RBS附近的二级结构无法打开， 则rep基因无法表达。
AraC既是阻遏蛋白， 又是激活蛋白；
原核生物基因表达调控的方式
原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控：基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。
2.转录水平调控（主要调控方式）：转录起始、延伸、终止均有影响。
原核生物借助于操纵子，真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。
3.转录后水平调控：主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA，包括加帽、加尾、甲基化修饰等。
4.翻译水平调控：对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。
5.翻译后水平调控：蛋白质的剪切、化学修饰（磷酸化、乙酰化、糖基化等）、转运等。
6.mRNA降解的调控。
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；
原核生物的转录与调控
二、转录程度的调控－操纵子
5. 反式作用因子与顺式作用元件
基因表达的产物〔蛋白质或RNA〕从合成的场所扩散到目的场 所而发挥作用的过程称为反式作用〔trans-acting〕，此基 因表达产物被称为反式作用因子〔trans-acting factor〕 。
的第10碱基对，它的共有序列是TATAAT。-10序列是RNA聚合酶 的结实结合位点，是聚合酶启动DNA解旋的序列。因此，-10序列 可通过影响开放复合物的形成速度而控制转录。 -35序列：也是一个六聚体，其中心位于-35碱基对处，它的共有序列是 TTGACA，是RNA聚合酶的识别位点。 -35和-10序列之间的间隔 非常重要，在90%的启动子中变动在16和18 个碱基之间，两序列间为17bp时转录效率最高。
-35序列、-10序列和起始点序列
TTGACA
16-18bp
TATAAT
5-8bp
-35序列
Sextama框
-10序列
Pribnow框
C－GA T
+1
起始点
细菌启动子有４个保守性特征： 转录起始点：开场碱基90%是嘌呤，G比A更常见。 -10序列：起始点上游一个6bp区，这个六聚体的中心靠近起始点上游
例如，它的稳定性与它能否被翻译有关。 4. 翻译程度：和转录程度一样，翻译程度的调控也包括起始
和终止的调控。
机体可以在基因表达过程的任何阶段进展调控，一般以 转录程度上的调控为主。
二、转录程度的调控－操纵子
1. 操纵子
操纵子是原核生物基因构造、表达和调控的根本形式。 一个操纵子包括一个上游的调控区和一个以上的构造基 因组成。 调控区包含启动子和操纵基因两部分。该区控制连锁在 一起的多个基因的转录。
原核生物的基因调控
• 基因调控主要在三个水平上进行: • ①. DNA水平 • ②. 转录水平 • ③. 翻译水平
• 一、转录的起始
转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要 涉及两个方面：
1、RNA合成的酶系； 2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上 的特定序列。
通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互 作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实 现细胞生理状态和环境的变化。
调控（节）蛋白
操纵子
调控蛋白的作用机制
注：R：Regulator P：Promoter
O：Operator
正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)
负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)
• 二、正调控与负调控
• 调节基因
RNA 调节蛋白
正调节蛋白+操作子
• 在细菌中受核糖体保护的起始序列约35～40个碱基长， 其中包含起始密码子AUG。在起始密码子上游约4～ 7个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的 5′…AGGAGG…3′短小序列，它可以与16S rRNA3′ 端的 3′…UCCUCC…5′区段完全互补。mRNA上的这 段序列称为 Shine Dalgarno 序列（简称SD序列）。
promoter operator 启动基因 操纵基因
structural genes 结构基因
操纵子(operon)模型
R
PO
structural genes
＋ 正调控（positive regulation) － 负调控 (negative regulation)
DNA RNA
Protein
• 概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一
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Attenuation occurs in at least 6 operons related amino acid biosynthesis
第五节 σ 因子替换与基因转录调节 因子替换与基因转录调节 σ因子的负责识别启动子的保守 序列,是转录起始唯一需要的因子. 序列,是转录起始唯一需要的因子. 许多细菌能生产多种可取代的σ因子, 许多细菌能生产多种可取代的σ因子, 以识别不同的启动子. 以识别不同的启动子. 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σ 种特定基因表达时,需要不同的σ因 子指导RNA聚合酶与各种启动子结合. RNA聚合酶与各种启动子结合 子指导RNA聚合酶与各种启动子结合.
最普通的因子是σ 一,最普通的因子是σ
70,识别-10和-35的保守区域. 识别-10和 35的保守区域 的保守区域.
编码, 二, σ 32 又称为 σH ,由rpoH 编码,acts exclusively on promoters of heat shock genes,17种 . , 种 三,在枯草芽孢杆菌(Bacillus subtills)中,普通因子 在枯草芽孢杆菌( ) 环境不适时,形成孢子(spore), ),产生 是σ 43,环境不适时,形成孢子(spore),产生 σ F 和pro σ E 两种,分别转录早期孢子形成基因 两种, 和母细胞中的基因. 和母细胞中的基因. 芽孢菌的噬菌体SPO1 SPO1的 因子:早期σ 四,芽孢菌的噬菌体SPO1的σ 因子:早期σ28, 中期 又诱发后期的σ因子使寄主RNA RNA聚合酶 σ33 和 σ34,又诱发后期的σ因子使寄主RNA聚合酶 顺序性( order)选择表达噬菌体基因. 顺序性(squential order)选择表达噬菌体基因.
基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作 用元件的相互作用.反式作用因子只识别 用元件的相互作用.反式作用因子只识别DNA上非常短的 上非常短的 一段序列(顺式元件). 一段序列(顺式元件). Regulator
RNA polymarase
Cis-element Trans-acting factor
3,Regulation in the lac operon ,
A mutation in a structural gene (z, for example) can inactivate its product (galactosidase) without affecting control of the other two genes. However, mutations in the regulatory regions of DNA sequences mapping outside genes z, y, and a can affect expression of all three structural genes.
2, Operon composition The three structural genes ,Plac控制 Z, -galactosidase, Y, galactoside permease (a transport protein), A, thiogalactoside transacetylase (an enzyme, unknown function) A regulatorry gene: lacI, coding a repressor.
HLH的结构特征
HLH结构特征 HLH结构特征
),转录激活结构域 (二),转录激活结构域 1,酸性激活域 2,谷酰胺丰富域 3,脯氨酸丰富域 阻遏域( domain) 阻遏域(repressor domain) 专一性的直接阻遏的结构 域
Lwucine-zipper结构特征
Leucine-zipper 的结构特征
Zinc-finger蛋白结构特征
Zinc-finger蛋白结构特征 蛋白结构特征
第二节 乳糖操纵子 The lac operon 操纵子: 一,操纵子 基因表达和调节的单位. 基因表达和调节的单位 它包括: 它包括:结构基因 操纵位点 调节基因
二,The lac operon(半乳糖苷酶操纵子) (半乳糖苷酶操纵子) 1,半乳糖苷酶的诱导和基因表达 , Bacteria respond rapidly to changes in their environment. Genes for lactose utilization are activated once E. coli cells sense the presence of lactose or a similar compound. The enzymes required for the use of lactose as a carbon source only synthesized when lactose as the sole carbon source.
5,The CRP positive control ,
( CRP cAMP受体蛋白, CAP 代谢活化蛋白)
High Glucose , cAMP level low, CRP only cannot bind to DNA, nor regulate transcription, Glucose reduces, cAMP level increase and CRP binds to cAMP, the cAMP-CRP complex binds to Plac,enhancing RNA polymerase binding to the promoter.
第四章 原核基因转录的调控 第一节 概念
一,顺式作用元件和反式作用因子
Cis-acting element:不编码任何产物的 : DNA片段,能影响与之相联系的同一条 片段, 片段 DNA链上的基因表达 :启动子. 启动子. 链上的基因表达 启动子 Trans-acting factor (转录因子 ) 转录因子TF) 由调节基因编码, 由调节基因编码,调节基因是一种特殊 的结构基因,其编码产物( 或蛋白质) 的结构基因,其编码产物(RNA或蛋白质) 或蛋白质 可以扩散,控制其他基因的表达. 可以扩散,控制其他基因的表达.
4,
Inducer (诱导物) p.181
Lactose itself leads to induction of the lactose operon (also called the lac operon), The true intracellular inducer is allolactose (Gal(1-->6)Glc), a minor product of -galactosidase action. In the laboratory one usually uses a synthetic inducer such as isopropylthiogalactoside (IPTG), which induces the lactose operon but is not cleaved by -galactosidase. Hence, its concentration does not change during an experiment.
第四节
The trp operon
一,色氨酸操纵子 色氨酸的生物合成途径: 色氨酸的生物合成途径: 分支酸-邻氨基苯甲酸 吲哚甘油磷酸-色氨酸 分支酸 邻氨基苯甲酸-吲哚甘油磷酸 色氨酸 邻氨基苯甲酸 吲哚甘油磷酸 由多种酶完成色氨酸的合成 1,转录起始的调节 ,
色氨酸供应短缺时,基因活化, 色氨酸供应短缺时,基因活化, 色氨酸过剩时,与组遏因子结合, 色氨酸过剩时,与组遏因子结合,抑制基因转录
This mode of regulation is negative, because the active regulatory element (the repressor) is an inhibitor of transcription. The introduction of lactose or a similar inducer activates synthesis of the gene products involved in its catabolism by removing a barrier to their transcription.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ �
反式作用因子(转录因子) 一,反式作用因子(转录因子)含有两种 不同的结构域: 不同的结构域: ),与 结合的结构域( (一),与DNA结合的结构域(domaim ) 结合的结构域 p.207 1,Helix-turn-helex , 2 ,Znic finger 3 ,Basic domains (Helix-loop-helix, and leucine zipper). Dimerization is generally necessary for basic domain binding to DNA.
2,衰减子(转录终止的调节):提前终止转 ,衰减子(转录终止的调节) 调节基因表达的功能区域. 录,调节基因表达的功能区域. 转录起始点前,存在前导序列: 转录起始点前,存在前导序列:162nt
The trp Attenuator:
Attenuation: 10-fold repression trp repressor:70-fold repression Total regulatory effect:700-fold repression