06---原核生物基因表达调控

原核生物的基因表达调控
3. 弱化子对基因活性的影响
• 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的
浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被 阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段DNA序
列被称为弱化子。
• 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨
乳糖操纵子模型
2.4. 葡萄糖对lac操纵子影响 β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中 的作用是把前者分解成葡萄 糖及半乳糖。如果将葡萄糖 和乳糖同时加入培养基中， 大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖 之前不会诱发lac操纵子。
某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物， 该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而 是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效 应称之为代谢物阻遏效应。
1. 原核基因调控分类
• 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的
不同可分为负转录调控和正转录调控。 – 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白 (repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负 控阻遏系统二大类。 – 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 (activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导 系统和正控阻遏系统。
转录酶结合部位
阻遏物结合部位 启动子 （操纵基因）
操纵子的调控序列
操纵子的转录单位
(由ABC编码基因构成的1个转录单位)
1个操纵子
乳糖操纵子模型
• 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有
当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
• 大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因：Z、
原核生物 的基因表达调控
原核生物的基因表达调控
自然选择倾向于保留高效率的生命过程。
原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫
测的环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件 的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环 境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。因此，原
核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成
谢酶等。
诱导型表达(Inducible expression) - 基因的表达水平受调节物的诱导而增加。 如：参与DNA修复的酶类； 某些代谢酶等。
原核生物的基因表达调控
• 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与
特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。
• 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
乳糖操纵子模型
1. 酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 实验室常用两种乳糖类似物——异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）
和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，
所以又称为安慰性诱导物。
乳糖操纵子模型
2.1. lac操纵子的本底水平表达
2.3. 阻遏物lacI基因产物及功能 • lac操纵子阻遏物mRNA是由弱 启动子控制下永久型合成的， 该阻遏蛋白有4个相同的亚基， 每个亚基均含有347个氨基酸 残基，并能与1分子IPTG结合, 每个细胞中有5～10个阻遏物 分子。 • Lac I 基因由弱启动子变为强 启动子，细胞内将不可能产生 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 中将不可诱导。
原核生物的基因表达调控
基因表达调控主要表现在以下二方面： – 转录水平上的调控 – 转录后水平上的调控： • mRNA加工成熟水平调控 • 翻译水平调控
• 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
– 原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起 着举足轻重的影响。 – 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和 发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和 环境因素的影响力下降。
阻遏蛋白 转录激活 负控诱导 激活蛋白 正控诱导
转录抑制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
负控阻遏
正控阻遏
原核生物的基因表达调控
2. 原核基因调控的主要特点：
• 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可
诱导和可阻遏两大类:
– 可诱导调节。是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。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳 糖操纵子。 – 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。
• 两个矛盾：
– 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 要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。 – 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正诱导物是异构乳糖， 而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
• 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和β-半乳糖苷
酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密， 偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱导
乳糖操纵子模型
2.3. 阻遏物lacI基因产物及功能 • lac操纵子阻遏物mRNA是由弱 启动子控制下永久型合成的， 该阻遏蛋白有4个相同的亚基， 每个亚基均含有347个氨基酸 残基，并能与1分子IPTG结合, 每个细胞中有5～10个阻遏物 分子。 • Lac I 基因由弱启动子变为强 启动子，细胞内将不可能产生 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 中将不可诱导。
来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。
• 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达
的，是一种积极的调节方式。
原核生物的基因表达调控
5.细菌的应急反应
• 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基酸的全面
匮乏。细菌会产生一个应急反应——停止包括生产各种RNA、糖、 和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
原核生物的基因表达调控
研究原核生物的基因表达调控模式可以为探索更复杂的真核细胞基因表达 调控机制提供重要的线索，对基因工程也有重要的指导意义。 组成型表达（Constitutive expression): - 这类基因又称看家基因(housekeeping genes)，该基因的表达是持 续性的，不受调控的。如：组成机体的结构蛋白；三羧酸循环中的代
酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以 及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子 等等。
原核生物的基因表达调控
4. 降解物对基因活性的调节
• 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳
糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对
应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶
Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动 区和操纵区进行的。
乳糖操纵子模型
• P为启动子，O为操纵区，lac I 编码阻遏子 • 3个结构基因各决定一种酶：Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码β-半乳
糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。 – β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖 水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯 基半乳糖苷）。 – β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆 菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
• 在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成
β-半乳糖苷酶和透过酶。
乳糖操纵子模型
1.
酶的诱导——lac体系受调控的证据 中 加 入 乳 糖 1 ～ 2 分 钟 后 ， 编 码 β- 半 乳 糖 苷 酶 和 透 过 酶 的 lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基
– β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基 转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
乳糖操纵子模型
1. 酶的诱导——lac 体系受调控的证据
• 一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶
和透过酶的浓度很低，每个细胞只有1～2个酶分子。但 是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的 6%或7%，超过105个酶分子lac mRNA/细胞。
原核生物的基因表达调控
• 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、蛋白因子及其他小分子配基的相互
作用。
• 转录与翻译的特点：
– 细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内， 转录与翻译相耦联。
– 真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才
能被核糖体翻译成蛋白质。
原核生物的基因表达调控
原核生物的基因表达调控
内容：
原核基因表达调控总论 乳糖操纵子与负控诱导系统 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 其他操纵子 转录水平上其它调控 转录后调控
原核生物的基因表达调控
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，gene control）。 基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
– 结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码 那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表 达被协同调控的酶。 – 调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的 一段DNA序列。 – 调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑 物，可以结合并调控操纵基因序列。
操纵子=调控序列+转录单位
除个别基因外，原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇地串联、密集于染色 体上，共同组成一个转录单位-操纵子（operon）。 一个操纵子只含有一个启动序列（启动子）及数个可转录的编码基因。通常编 码基因为2~6个，有的多达20个以上，在同一启动序列控制下，可转录产生多 顺反子。 原核基因的协调表达就是通过调控单个启动序列的活性来完成的。