(生物学)原核生物基因表达的调控
第11章 原核生物基因表达的调控
主要内容
第一节 原核生物基因表达调控的特征 第二节 转录水平调控 第三节 翻译水平调控 第四节 λ噬菌体的基因表达调控
第一节 原核生物基因表达调控的特征
同一个细胞中的不同基因并不一定同时表达； 同一时间表达的不同基因表达强度不一定相同；
管家基因（house-keeping gene）； 奢侈基因（luxury gene）；
Ø 翻译水平的自体调控： 如：核糖体蛋白表达的自体调控
核糖体合成的自体调控
核糖体
蛋白质>50种 rRNA 3种
L7/L12----4个分子 其他 ----1个分子
核糖体蛋白的合成与rRNA合成严格协调
?
通过核糖体蛋白合成的自体调控
核糖体蛋白质合成的自体调控
operon
gene & regulator
该酶的基因表达受细胞生长速度的调节： 细胞生长得越快（丰富的核糖体导致终止子不能形成， 基因得以表达），细胞内β-内酰胺酶浓度越高；
衰减作用的生理意义
原核生物中特有的精细调控方式（why?）。 帮助原核生物更好地适应环境的变化（why?）。
四、阿拉伯糖操纵子
编码阿拉伯糖分解代谢相关的酶类
ara浓度低时，调节蛋白 AraC以二聚体形式同时与 araI、araO2位点结合，阻 遏从PBAD的转录；
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
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
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。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
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。
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）。
第六章 基因调控1：原核生物基因的表达调控 分子生物学习题
第六章基因调控1：原核生物基因的表达调控分子生物学习题第六章基因调控1：原核生物基因的表达调控分子生物学习题第六章基因表达调控1：原核生物基因表达调控名词解释：操纵子基因表达持家基因正调控和负调控安慰诱导物衰减子（弱化子）魔斑结构基因和调节基因本底水平表达填空1操纵子的基因表达调节系统属水平的调节,乳糖操纵子模型由和1961年明确提出的。
色氨酸操纵子包含和两方面的调控。
2、能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物称为诱导物。
能够诱导乳糖操纵子的化合物就是其中一例。
这种化合物同蛋白质结合，并使之与分离。
乳糖操纵子的体内功能性诱导物是。
3、色氨酸就是一种调节分子，被视作。
它与一种蛋白质融合构成。
通过掌控起至促进作用。
色氨酸操纵子受到另一种系统------的调控，它牵涉至第一个结构基因被mRNA前的mRNA。
4、大肠杆菌乳糖操纵子调节基因编码的与结合，对lac结合，对lac表达实施负调控；与复合物结合于上游部分，对lac表达实施正调控。
5、操纵子中没有基因产物的是和选择题1、下面哪些真正就是乳糖操纵子的诱导物？（）a.乳糖b.蜜二糖c.o-硝基苯酚-β-半乳糖苷（onpg）d.异丙基-β-半乳糖苷e.异乳糖2、色氨酸操纵子的调控促进作用就是受到两个相互单一制的系统控制的，其中一个须要前导肽的译者，下面哪一种调控这个系统？（）a.色氨酸b.色氨酰-trnatrpc.色氨酰-trnad.campe.以上都不正确3、Dozul蛋白(阻抑蛋白)辨识操纵子中的（）a逼舳基因b苯峁够因c辈僮莼因d蹦诤子e蓖庀宰4、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是a庇肫舳子结合b庇dna结合影响模板活性c庇rna聚合酶结合影响其活性d庇氲鞍字式岷疑跋旄玫鞍字式岷dnae庇氩僮莼因融合5.下面那项不属于原核生物压低元的结构a：启动子b：终止子c：操纵子d：内含子6、以下有关操纵子的阐释哪个就是错误的（）a操纵子是由启动基因、操纵基因与其所控制的一组功能上相关的结构基因组成的基因表达调控单位b操纵子不包含调节基因c代谢底物往往是该途径的可诱导酶的诱导物，代谢终产物往往是可阻遏酶的辅阻遏物d真核细胞的酶合成也存在诱导和阻遏现象，因此也是由操纵子进行调控的7、操纵子调节系统属于哪一种水平的调节？a复制水平的调控b转录水平调控c转录后加工的调控d翻译水平的调控8、对调节基因下述哪些论述哪些是对的（）a是编码阻遏蛋白的结构基因b各种操纵子的调节基因都与启动基因二者紧邻c调节基因就是操纵子的组成部分d 调节基因的抒发Seiches迁移的调控区9、以下有关Dozul蛋白的哪些就是对的（）aDozul蛋白就是调节基因表的的产物b可诱导操纵子的阻遏蛋白具有直接与操纵子基因结合的活性，与诱导物相互作用后丧失活性c可以Dozul操纵子的Dozul蛋白没轻易与操纵子基因融合的活性，与辅阻遏物融合后才有此活性d阻遏蛋白可与rna聚合酶竞争同一结合部位10、关于启动基因的下述论点哪些是错误的（）a启动基因就是rna聚合酶辨识并最县融合的一段dna序列b启动基因就是最先被rna聚合酶mRNA的dna序列c启动基因就是dna上含有a-t碱基对的部分d启动基因就是引起dna激活的特定序列11、下列有关降解物基因活化蛋白（cap）的哪些论点是正确的（）acap-camp可专一地与启动基因结合，促进结构基因的转录bcap可单独与启动子相互作用，促进转录ccap-camp可以与调节基因融合，掌控Dozul蛋白的制备dcap-camp可与rna聚合酶竞争地结合于启动基因，从而阻碍结构基因的转录12、与乳糖操纵子操纵基因结合的物质是（）arna聚合酶bdna聚合酶cDozul蛋白d反华密码子是非题1、葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖并启动乳糖操纵子（）2、小分子物质如itpg诱导乳糖操纵子抒发时起负调控促进作用与操纵基因结合阻抑结构基因的抒发（）3、色氨酸操纵子中含有衰减子区，其调控作用主要受trp浓度高低影响（）4、色氨酸操纵子（trpoperon）中含有衰减子序列（）5、camp在laz操纵子中起正调控作用，其浓度受环境中的葡萄糖影响，与其浓度成正比（）6、大肠杆菌乳糖操纵子真正的诱导物不是乳糖，而是它的异构体别乳糖（）7、操纵基因又称操纵子，如同启动基因又称启动子一样（）8、可诱导操纵子是负责调节糖分解代谢的，可阻遏操纵子是负责调节氨基酸代谢的（）问答题：1、试述乳糖操纵子的结构及负控诱导的调控机理2、色氨酸操纵子的结构特点？其弱化子在调控中如何起至促进作用？3、详述色氨酸操纵子中启动子调控促进作用特点。
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
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
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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
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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）。
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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。
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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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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
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
目录
• 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
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）。
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。
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
RNA 5'端开 始降解
RNA pol
转录终止，继续 翻译和降解
目录
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）。-35区-10区源自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。
目录
•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）
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·'
目录
1. 乳糖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