(生物学)原核生物基因表达的调控
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•操纵子理论实验依据
实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点: 乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现
lac I 是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起 管辖的基因族也发生组成型表达
用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变 株(lac I-)，逆转了组成型突变
目录
操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控 序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列 控制。
激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的 蛋白质
阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质
目录
最常见的DNA结合域： 1. 锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
目录
2 3
1
stand for zinc ion
目录
2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
目录
DNA B
转录起始点
A
编码序列
目录
E.coli的启动子区
RNA 聚合酶结合区
－35 －10 +1
+20 +28
阻遏蛋白结合区
目录
（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征
基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因 表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质
TATAAT 共有序列
目录
•操纵序列是阻遏蛋白的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
目录
二、原核生物中mRNA的转录、翻译和 降解偶联进行
开始转录
继续转录，同时， 核糖体结合mRNA 进行翻译
目录
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。
目录
阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构， 在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与 DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏 物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可 阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑 制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都 是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。
-35区
-10区
RNA转录起始
trp
TTGACA N17 TTAACT N7
A
tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7
A
lac
TTTACA N17 TATGTT N6
A
recA TTGATA N16 TATAAT N7
A
Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6
A
TTGACA
第二十章
原核生物基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryotes
目录
第一节
原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes
目录
一、操纵子是原核生物的基因转录单元
•操纵子在研究基因表达的重要性 具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（molecular recognition)的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。
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）。
RNA 5'端开 始降解
RNA pol
转录终止，继续 翻译和降解
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三、mRNA所携带的信息差别很大
细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。 有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个 蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）；
大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编 码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA 是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子 中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA （polycistronic mRNA）。
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·'
3'-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC············-·5·'
调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基 因 I ， 近 端 的 启 动 子 (promoter, P) 和 操 纵 序 列 (operator, O)。
目录
启动子 (promoter)
结构基因
阻遏蛋白基因
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
蛋白质因子
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• 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
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1. 乳wk.baidu.com操纵子是可诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区
结构基因
DNA
P Oz ya
I基因
操纵序列 启动子
CAP结合位点
z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶
•操纵子理论实验依据
实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点: 乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现
lac I 是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起 管辖的基因族也发生组成型表达
用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变 株(lac I-)，逆转了组成型突变
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操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控 序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列 控制。
激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的 蛋白质
阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质
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最常见的DNA结合域： 1. 锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
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2 3
1
stand for zinc ion
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2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
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DNA B
转录起始点
A
编码序列
目录
E.coli的启动子区
RNA 聚合酶结合区
－35 －10 +1
+20 +28
阻遏蛋白结合区
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（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征
基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因 表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质
TATAAT 共有序列
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•操纵序列是阻遏蛋白的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
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二、原核生物中mRNA的转录、翻译和 降解偶联进行
开始转录
继续转录，同时， 核糖体结合mRNA 进行翻译
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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
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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。
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阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构， 在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与 DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏 物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可 阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑 制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都 是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。
-35区
-10区
RNA转录起始
trp
TTGACA N17 TTAACT N7
A
tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7
A
lac
TTTACA N17 TATGTT N6
A
recA TTGATA N16 TATAAT N7
A
Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6
A
TTGACA
第二十章
原核生物基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryotes
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第一节
原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes
目录
一、操纵子是原核生物的基因转录单元
•操纵子在研究基因表达的重要性 具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（molecular recognition)的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。
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）。
RNA 5'端开 始降解
RNA pol
转录终止，继续 翻译和降解
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三、mRNA所携带的信息差别很大
细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。 有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个 蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）；
大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编 码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA 是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子 中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA （polycistronic mRNA）。
usually binds to CAAT box
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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·'
3'-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC············-·5·'
调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基 因 I ， 近 端 的 启 动 子 (promoter, P) 和 操 纵 序 列 (operator, O)。
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启动子 (promoter)
结构基因
阻遏蛋白基因
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
蛋白质因子
目录
• 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
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1. 乳wk.baidu.com操纵子是可诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区
结构基因
DNA
P Oz ya
I基因
操纵序列 启动子
CAP结合位点
z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶