原核生物的基因表达调控(精)
3原核生物基因表达与调控
另一个螺旋(由7~9个氨基酸组成),没有碱基特异性, 与DNA磷酸戊糖链骨架接触。在与DNA特异结合时, 靠蛋白质的氨基酸侧链与特异碱基对之间形成氢键、 疏水键和发生静电相互作用 。
二、lac操纵子的分解代谢产物阻遏
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，这种现象称为葡萄 糖效应（glucose effect）。
原因：是葡萄糖的某些降解产物抑制了lac
mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应 称之为分解代谢产物阻遏效应（catabolite repression）。
基因表达调控(gene regulation or gene
control):任何影响基因转录过程和翻译过程 的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接 的因素及其作用。
第一节 细菌的转录调控
一、细菌操纵子
操纵子学说———关于原核生物基因结构及其表达 调控的学说。
操纵子（operon）: 细菌基因表达和调控的单位， 包括共转录到一条mRNA上的多个结构基因和这些基 因转录所需的顺式作用元件，这些元件包括启动子、 操作子和转录调控有关的序列。
能从合成地点扩散到其它场所对其他基因的表达起 调控作用的蛋白质因子（有时为RNA）。起作用的过 程称反式作用。
二、阻遏物和激活物
阻遏物（repressor）: 阻止基因表达的蛋白质，可与操 作子结合来阻止转录，为负调控蛋白。
激活物（activator）:促进基因转录的蛋白质 ，为正调控 蛋白。
原核生物基因表达调控分析
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
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）。 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)。 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。（合成代谢）
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
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)。
《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。
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
原核生物基因表达的调控
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。
生物学原核生物基因表达的调控
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
原核生物基因表达的调控
原核生物基因表达的调控一、名词解释1、Operon操纵子：一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因，加上启动子构成一个操纵单元，这个单元称为操纵子。
在操纵子中，结构基因产生mRNA并作为模板合成蛋白质；而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵基因相互作用；阻遏蛋白与操纵基因结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA；在诱导过程中，诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵基因结合。
2. CAP：环腺苷酸（cAMP）受体蛋白CRP（cAMP receptor protein ），cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP（cAMP activated protein ）3．Attenuator弱化子：在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列。
4. 魔斑：当细菌生长过程中，遇到氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生一个应急反应，停止全部基因的表达。
产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。
PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以称他们是超级调控子或称为魔斑。
5. 上游启动子元件：是指对启动子的活性起到一种调节作用的DNA序列，-10区的TA TA、-35区的TGACA及增强子，弱化子等。
二、填空题1．启动子中的元件通常可以分为两种：（）和（）。
2. 因表达正调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。
在负调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。
3. 糖对细菌有双重作用；一方面（）；另一方面（）。
所以需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子S2进行本底水平的永久型合成；同时需要一个依赖于cAMP—CRP的启动子S1对高水平合成进行调节。
有G时转录从（）开始，无G时转录从（）开始。
三、选择题1、如果在没有----- -----存在时基因是表达的，加入这种----- ----后，基因的活性被关闭，这种控制系统叫做负调控系统。
5 第二章 原核生物基因表达调控
2.依赖于Rho因子的终止子
在体外实验中，发现尽管有该类终止子存在，但RNA聚合酶
只在终止子处暂停，转录并不终止。向该反应系统中加入ρ因子，
则可使转录在特定的位点终止。这种终止称为依赖ρ因子的转录
终止。
依赖于Rho因子的终止子不但柄部G•C含量较低，因而暂停
•
枯草杆菌在芽孢形成过程中采取更换σ因子的策略
2. 枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期
一组基因的表达导致另一组基因随后表达，称为基因表达的
时序调控或级联调控，这是噬菌体感染周期中的普遍特征。 在枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期中，其基因表达的时序调 控是由一系列的σ因子来实现的。 SP01的感染周期经历早中晚三个阶段： i. 刚刚感染时，早期基因被转录。
其一致序列为T80A95T45A60A50T96，又称为Pribnow框.
Pribnow盒是RNA聚合酶的牢固结合位点,又称结合位点,或称
为解链区。
该区域富含AT对,熔点较低, RNA聚合酶的结合使得这个AT丰
富区消耗较低的能量而解旋，此时RNA聚合酶与启动子的复合物便
由封闭复合物(closed-promoter complex) 转变为开放复合物(openpromoter complex) ，转录启动。 （2）－35区 在转录起始点上游－35bp处，有另一个保守序列，称 为－35序列。其一致序列为T82T84G78A65C54A45。该保守序列又称
• 转 录 起 始 主 要 由 DNA 分 子 上 的 启 动 子 （promoter)控制;终止由终止子控制. • DNA链上提供转录终止信号的序列称为终 止子（terminator）。是一个基因的末端或 是一个操纵子的末端的一段特定序列。
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
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；
原核生物的基因表达和调控机制
原核生物的基因表达和调控机制原核生物是指不含细胞核和其他复杂的细胞器官的生物，包括细菌和蓝藻等。
这些生物虽然简单，但仍具有复杂的基因表达和调控机制，通过调控基因的转录和翻译来响应环境变化和完成生物学功能。
本文将探讨原核生物的基因表达和调控机制。
基因表达和调控的基本概念基因是指DNA分子上编码一个蛋白质的序列，是生物体内传递遗传信息的基本单位。
基因表达指的是将基因的信息转化为蛋白质的过程，包括转录和翻译两个步骤。
其中，转录是指将DNA序列转化为mRNA（信使RNA）的过程，而翻译是指将mRNA上的三联体密码子翻译为相应的氨基酸序列的过程。
基因表达的过程涉及到基因启动子、转录因子、RNA聚合酶等多个分子的相互作用，需要经过复杂的调控机制来保证在特定的时空条件下进行。
原核生物中基因的表达和调控原核生物虽然没有细胞核和其他复杂的细胞器官，但其基因的表达和调控机制同样有其特殊性。
以下将从基因的结构、转录、RNA的修饰和翻译等方面探讨原核生物中基因的表达和调控。
基因结构原核生物中，基因通常呈现为一条连续的DNA链，其中编码区域与非编码区域相互交错，没有剪切和剪接等后加工处理。
编码区通常以ATG作为起始密码子，以TAG、TAA或TGA作为终止密码子。
在非编码区，存在启动子、转录因子结合位点、RNA剪切位点和终止符等辅助元素，有助于调控基因的表达。
相比于真核生物中复杂的基因结构，原核生物中基因的紧凑结构为调控提供了更多的可能性。
转录的调控在原核生物中，转录的调控可以通过多种方式实现，包括转录起始的选择、负向调控和正向调控等。
转录起始的选择：在原核生物中，转录的起始位点可以在基因内或外，不同的起始位点可以产生不同长度的转录产物，从而产生不同的蛋白质或非编码RNA。
此外，在一些条件下，同一基因的多个启动子甚至可以同时被使用，进一步增加了基因表达的多样性。
负向调控和正向调控：在原核生物中，负向调控指的是一些转录抑制因子的作用，可以通过抑制转录因子的结合来阻止基因的转录。
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。
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态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程。
2
基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水 平、翻译水平和翻译后水平的调控。 原核基因表达调控的特点与方式 调控主要发生在转录水平，有正负调控两种机制； 细胞要调控各种蛋白质在不同时期的表达水平有两条 途径： 1）DNA模板转录的速度（转录水平的调控）
1.弱化作用，转录 被抑制了10倍 （细调）
2.阻抑物的作用， 转录被抑制了70 倍（粗调）
3.总调控能力700 倍
36
思考题：课本第388页：1-6；8-9；11-12；15-18。
37
5
•在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因
(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon) 使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划 时代的突破。 •他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。
•目前发现的操纵子主要有：（1）乳糖操纵子
子
（2）
色氨酸操纵子 （3）阿拉伯糖操纵子（4） 组氨酸操纵
3. Elongation
8
3. Elongation
17bp
12bp
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Termination (1)不依赖ρ因子的转录终止(Rho-indepent termination) 发夹结构 特点:回文 序列中富 含G.C碱 基对,在回 文序列的 下游方向 又常有6个 －8个A· T 碱基对；
10
11
2）mRNA翻译的速度（翻译水平的调控）
3
4
操纵子学说 Theory of Operon
•操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。
•细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现 的。
•1961年法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod在法国
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(2) 调控元件: Plac启动子、lac操纵基因(其中含有Olac结合 位点) 操纵基因(oprator)：控制基因，与启动子相邻，与调节基 因的产物结合共同控制结构基因的表达。 Olac结合位点（操纵序列结合位点）：28bp碱基组成回 文结构，与四聚体的乳糖阻抑（遏）物紧密结合，阻碍lac ZYA的转录。 阻抑（遏）物（repressor）：是负调控系统中由调节基 因(lacI)编码的调节蛋白，可于操纵基因结合，调控结构基 因的转录。
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•操纵子概念: 转录的功能单位，是基因表达和调控的单元。典型的 操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。
Control elements
Structural genes
操纵子模型图
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闭合复合物 1.Promoter binding 开放复合物
三聚复合物
DNA解旋区 (转录泡)
2. A Unwinding and initiation
第12章 原核生物的基因表达调控
Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes
1
原核生物的基因表达调控概述
基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下 的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物。 基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制， 使细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状
科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表 了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调
节。这二个基因编码β半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶
(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将 乳糖运输到细胞之中。
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The Trp Operon 色氨酸操纵子
生物细胞中的氨基酸合成也是由操纵子调节的,细
胞需要某种氨基酸时其基因即表达,不需要时基因即
关闭,达到经济的原则。目前有多种氨基酸合成的操 纵子的结构已研究清楚,如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、 苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种,现在我们详 细讨论色氨酸操纵子(trp)的基因表达的调控。
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色氨酸称为辅阻遏物 (Corepressor)
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色氨操纵子的弱化系统 •弱化子（attenuator） : 在trpE编码序列的起始位点上游 的162bp的trp前导序列内有一个不依赖ρ因子的终止子， 在其发夹结构后有8个U，这个结构称为弱化子。
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•前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形 成各种不同的发夹结构，其中一个就是弱化子3-4的发夹结构。
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• 前导肽The leader peptide 前导RNA序列中含有一个有效的核糖体结合位点并能形成 由前导RNA第27-68号碱基所编码的14个氨基酸的前导肽,前导 肽的作用是决定色氨酸的含量并控制转录的终止。
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第10和 第11
•弱化作用
（衰减作用）
Attenuation
•弱化作用的
重要性
Control elements
Structural genes
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The lac operon 乳糖操纵子
结构与功能
（1）结构基因: lac Z编码β-半乳糖苷酶, 将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；
lacY编码β-半乳糖苷透性酶, 将乳糖从细胞外运进细胞内；
lac A编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，催化将乙酰基团从乙 酰辅酶A转移到β-半乳糖苷分子上。
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乳糖操纵子的负调控机制： 当有葡萄糖存在时（下图）
√
×
18
当只有乳糖存在时（下图）
•诱导物的产生：乳糖 异乳糖（在透过酶和β-半乳糖苷酶的作用下）
异乳糖
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IPTG（isopropyl-β -D thiogalactopyoanoside)诱导物：
同异乳糖
IPTG
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分子克隆蓝白斑筛选原理
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（2）当葡萄糖存在时， cAMP在细胞中的含量极低， 二聚体的CAP不能与DNA结合，受其调控的基因 （LacZYA)就不表达。
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CAP的结合位点 •CAP与DNA的结合部位是一个反向重复序列，结合位点 可能有3种情况
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Summary
C A
B
A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
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•CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体 时才能与DNA结合，激活Plac启动子，促进RNA聚合 酶的转录。 •Plac启动子是弱启动子，缺少-35序列，只有弱的-10 序列。 细胞中的cAMP(环腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。 (1) 当葡萄糖缺乏时，细胞中腺苷环化酶活力提高， cAMP含量升高，此时CAP与cAMP形成复合物，在诱 导剂的作用下cAMP-CAP复合特定结合位点结合，引 起DNA90°弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合， 转录效率提高50倍。
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1. 结构与功能
• The trp operon 编码色氨酸合成途径中的5个结构基因（下图），编 码一个转录单元，产生7kb的转录物。当细胞内的色氨酸缺乏时，这 些基因协同表达。
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•Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因, 编码合成一个分子量为58kDa的阻遏蛋白.
•Ptrp+O+trpL:调控元件
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(3) 调(节)控基因: lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在时不 具活性，四聚体形式存在时具有活性。
•顺反子（Cistron): 基因的功能单位，一个顺反子就 是一个遗传区段的结构 基因，常作为基因的同义词。 •多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA): mRNA分 子的一种，作为两种或更多的多肽链翻译的模板，是 由DNA中的邻近顺反子所限定，如细菌的lacZ，lacY, lacA 基因。
β- 半 乳糖苷 酶使Xgal显 蓝色
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乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄 糖。当葡萄糖消耗快尽时，细菌启动正调控系统。该 调节作用主要由cAMP-CAP正调控物质完成。 cAMP受体蛋白（ CRP ，cAMP receptor protein) CRP是一种转录激活因子（Transcriptional activator), 也称分解代谢激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。
(2) 依赖ρ因子的转录终止 (Rho-depent termination)
ρ结合RNA上72个核甘酸
发夹结构特 点:依赖ρ因 子的终止子 中回文序列 的G-C对含 量较少。在 回文序列下 游方向的序 列没有固定 特征,其A-T 对含量比前 一种终止子 低。
12
•
结构基因：编码大量功能各异的蛋白质的DNA序列。
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顺式作用元件（cis-acting element）：
指对基因表达有调节活性的DNA序列，在基因的同一 条DNA分子上。如启动子、增强子、终止子、操纵基因等。 反式作用因子（trans-acting factor)）： 参与基因表达调控的因子, 它们与特异的靶基因的顺式 元件结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用 因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。反式作用因 子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化 结构域,它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式作用 因子可被诱导合成, 其活性也受多种因素的调节。如RNA 聚合酶、CRP等。
这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构 蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。
•
调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA 和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物