第l七章原核生物基因表达调控模式

第六章 基因的表达与调控(上) ——原核基因表达调控模式
一、基因表达（gene expression）
DNA
RNA
蛋白质
基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时 空程序、表达速率等所进行的调节和控制。
二、基因表达的调控（gene regulation） 1、转录水平上的调控：转录水平上的对基因的 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物质的相互作用。 2、转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平 上的调控；翻译水平上的调控。
阻遏：在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态
阻遏物：能导致阻遏发生的分子 可阻遏基因：阻遏调节中被关闭的基因 可阻遏酶：可阻遏基因表达的酶
▪ 特殊代谢物调控的分子机理
特殊代谢物是调控蛋白的变构剂，与调控蛋白结合可 使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因 转录的影响
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
子lac mRNA/细胞。
• 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。
图10.6 培养基添加诱导物(β-半乳糖苷)能迅速诱导Lac mRNA，稍
后便合成该酶；若除去诱导物则合成迅速停止。
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交， 表明培养基中加入乳糖1～2分钟后，编码β-半乳糖苷
5、终止子（terminator） 是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列
（1）不依赖ρ因子的终止子
（2）依赖ρ因子的终止子
▪ 在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基
因的后面有一个终止子
图10.4 乳糖操纵子长度约为6000bp。左端的LacI基因有它自己的启动 子和终止子，LacI基因的末端紧接启动子P。操作基因O占据LacZ基 因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及终止子。
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。
四、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。
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟 苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载 tRNA。
（一）转录水平调控的类型
1、正调控和负调控
负调控（negative regulation） 正调控（positive regulation）
inhibitor
activator
gene
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
2、特殊代谢物的调控
（4）正控阻遏系统
二、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。
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
2.当色氨酸浓度低时
三、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 来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。
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三、 操纵子模型及其影响因子
（一）乳糖操纵子的控制模型的内容如下：
Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码 该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区
（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效 表达。 操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的 结合位点。
• 调控蛋白和代谢物的共同作用
调控蛋白
正调控 负调控
结构基因表达
诱导 阻遏
特殊代谢物
3、原核生物基因转录调控的4种类型 （1）负控诱导系统
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
mRNA
pPo O Z Y A
l
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
β-半乳糖苷酶
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、诱导酶 阻遏物、可阻遏基因、可阻遏酶
诱导: 在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态
诱导物：能引起诱导发生的分子 可诱导基因：诱导调节中被活化的基因 诱导酶：可诱导基因表达的酶
酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，
量立即下降。
• 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。
lacI
lacZ
lacY
lacA
Olac
4、启动子(promoter)
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。 （1）-10序列--- Pribnow盒：TATAAT； （2）-35bp序列：TTGACA • 操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5’上游，控制整个结构基因群的转录
– 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸 的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶， 使ppGpp大量合成。
– ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状 况。 ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始 位点的结合，使基因被关闭。
– ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一 大批操纵子而被称为超级调控因子。
b、激活蛋白（activating protein） 与操纵元件结合后能增强或启动所调控基因 转录的调控蛋白
3、操纵元件（operator）
（1）与启动子邻近或与启动子部分序列重叠 （2）具有回文结构，能形成十字形结构。 （3）与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻
遏或激活基因表达的作用
PlacI
Plac
mRNA
PlacI
Plac
lacI
lacZ
lacY
lacA
Olac
（2）特点： a、可在结构基因群附近、也可远离结构基因 b、不仅对同一条DNA链上的结构基因起作用， 而且能对不同DNA链上的结构基因起作用
（3）调控蛋白： 类型：
a、阻遏蛋白（repressive protein） 与操纵元件结合后能减弱或阻止所调控 基因转录的调控蛋白
图10.5 围绕着乳糖操纵子转录启始位点，阻遏蛋白和RNA 聚合酶的结合区域相互重叠。
大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3
个结构基因：Z、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。
• LacI——阻抑蛋白， • LacZ——β-糖苷酶， • LacY——透性酶， • LacA——转乙酰基酶。
• 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。
– 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是异构乳 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 过程得以启动。
（2） 大肠杆菌对乳糖的反应
1、结构基因 （1）lacZ：编码b －半乳糖苷酶 （使乳糖水解）
（2）lacY：编码b －半乳糖苷透过酶
（使b －半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）
（3）lacA：编码b －半乳糖苷乙酰转移酶
（将乙酰基转移到b －半乳糖苷上）
2、调节基因（regulatory gene） （1）概念：
其产物参与调控其他结构基因表达的基因
SOS反应
LLexexAA阻阻遏遏蛋蛋白白
DNA
操纵序列
Rec A 激活
紫外线
SOS基因
基因 表达 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
操纵子(operon)
概念： 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。
阻遏基因
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPo O Z Y A
l
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
有乳糖存在时
(1)lac操纵子的本底水平表达
• 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，转运酶的合成又需要诱导。
基因激活 转录起始 mRNA水平
蛋白质水平
三、基因表达调控的信号：
原核生物
营养状况、环境因素
真核生物
激素水平、发育阶段
环境变化
适应
基因表达 调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细胞
第一节 原核基因表达调控总论
一、原核生物的基因表达调控类型 （一） 转录水平的调控
起始阶段----主要 延伸阶段----通常不受调控 终止阶段----可能受到调控 （二）翻译水平的调控 主要发生在起始和终止阶段
• 三种酶的功能： ①. β-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖 ②. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖 ③. 转乙酰酶：β-半乳糖转变成乙酰半乳糖
二、 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
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
前导DNA
转录衰减机制
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的 转录起始受到抑制。
诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构
象，使之不能与操纵区相结合，诱发lac
mRNA的合成。
（二）乳糖操纵子的负调控
阻遏蛋白与操纵元件结合，阻碍了RNA 聚合酶与启动子Plac的结合 ，转录不能
进行，lacZ， lacY 、lacA低表达。
• 在以甘油为碳源的培养基中：
• 加乳糖以前，lac操纵子本底
水平表达
• 加乳糖后，阻遏物失活， mRNA大量表达
• 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大 于异构乳糖，阻遏状态重新形 成，mRNA水平下降。
• β-半乳糖苷酶半衰期长，其活 性下降滞后。
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（3） 阻遏物lacI基因产物及功能
半乳糖
乳糖
有乳糖存在时
（2）正控诱导系统
DNA
+ + + + 转录
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
（3）负控阻遏系统
发现：
1961年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。 Jacob and Monod ---乳糖操纵子模型
一、乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
结构基因
DNA
P OZ Y A
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