第七章 原核基因表达调控_张铁军
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分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要，是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
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。
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。
原核生物基因表达的调控
蛋白质切割裂分和剪接
切割: 真核细胞有的基因表达产物为多聚蛋白质，翻译后被切 割生成好几种蛋白质。形成多聚蛋白质的 DNA中各个基因的编 码序列被专一性序列隔开，这些序列能被蛋白质切割酶识别。 例如， CTP 生物合成途径中所需要的氨甲酰磷酸合成酶、 天冬氨酰转氨甲酰酶和二氢乳清酸酶 细菌中是分别合成的 酵母中合成的二氢乳清酸酶和一种大的蛋白质结合 哺乳动物则合成一种包括三部分的蛋白质，随后被切割成 三种酶。
定位于内质网管腔内，催化蛋白质分子内巯基与二硫键之间 的交换反应。 能识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨 酸残基位置重新形成二硫键，从而改变二硫键的连接位置。 蛋白质分子中的二硫键形成与新生肽段的折叠密切相关，对 维系蛋白质分子的结构稳定性和功能发挥也有重要作用。
2.肽基脯氨酸顺反异构酶（PPI）
6
要本 章 概
蛋白质的生物合成
mRNA和遗传密码 tRNA
核糖体
参与合成的酶及蛋白质因子 多肽链合成的机理 翻译后的加工和定向运输
第六节 蛋白质翻译后的加工和 定向运输
多肽链从核糖体被释放之后，要成为有活性的蛋白质还 需要许多过程:
折叠 折叠成特定的三维结构 切割 切割形成成熟的蛋白质或寡肽 修饰 在氨基酸残基上加上其它基团进行修饰 定位 被定位在特定的位置
应环境条件变化，基因表达水平增高的现象称为诱导， 这类基因称为可诱导的基因。 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏， 这类基因称为可阻遏的基因。
细胞中有一些特殊蛋白质调控着可诱导基因和可阻遏基 因的表达，这类蛋白质称为调节蛋白。阻遏蛋白可关闭其 靶基因的表达，激活蛋白可打开所调控基因的表达。
热休克蛋白质（heat-shock protein, HSP)
第七、八章 原核生物、真核生物基因的表达调控
阿拉伯糖操纵子的基因结构图 注:操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和 启动子构成。AraC基因编码调节蛋白AraC。
21
阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)
• 结构基因为：B、A、D，分别编码异构酶、 激酶、表位酶 • 功能：催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮 糖，进入磷酸戊糖途径。 • 特点：调节基因为C基因，编码调控蛋白 C蛋白。
色氨酸操纵子的转录衰减作用
色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合 成完整的引导肽。UGA位于1区和2区之间，核蛋白体占据2区，使3区不能与2区互 补而与4区互补，形成终止子发夹结构，RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时，核蛋白体因原料缺乏终止在1区Trp密码子部位，2区无法与1 区配对且在4区被转录出来之前与3区互补，4区处于单链状态，不能形成终止发 夹，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。
（1）阻遏蛋白的负性调节—酶合成的诱导： • 无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态 (repression)，即这类基因平时都是处于关闭状 态； • 有乳糖(presence of lactose)：lac操纵子即可 被诱导(derepression,induction)，即这类基因 由平时的关闭状态转变为工作状态。
止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子
中的结构基因RNATrp很多， 这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速 度就会很快，在4区被转录之前，核糖体就达 到2区，这时的前导区结构2-3不能配对，3-4 可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以 转录停止， RNA聚合酶脱落，转录终止，trp 操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨 酸。 原核生物基因表达特点—转录与翻译偶联。
第七章原核生物基因的表达调控
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筑质量大堤，迎世纪挑战。21.1.121.1.1Friday, January 01, 2021
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不接受不良品，不制造不良品。14:13:2814:13:2814:131/1/2021 2:13:28 PM
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安全促进生产，生产必须安全。21.1.114:13:2814:13Jan-211-Jan-21
（2）在正控阻遏系统中，效应物分子的存在 使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。
2、在负转录调控系统中，调节基因的物质是 阻遏蛋白(repressor)－－阻止结构基因转录。 其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转 录受阻。
（1）负控诱导系统－－阻遏蛋白不与诱导物 结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基 因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏 蛋白与操纵区分离，结构基因转录。
▪
科学管理、精心施工。21.1.12021年1月1日星 期五2时13分28秒21.1.1
谢谢大家！
（2）负控阻遏系统－－阻遏蛋白与效应物结 合时，结构基因不转录。
调控模式 1、可诱导负调控 2、可诱导正调控 3、可阻遏负调控 4、可阻遏正调控
三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调 控
（一）大肠杆菌的乳糖利用系统
大肠杆菌的乳糖代谢需要有β-半乳糖苷酶 （β-galactosidase）的催化 。这种酶能把乳 糖水解为半乳糖和葡萄糖 .另外有半乳糖苷透 性酶 和巯基半乳糖苷转乙酰酶。三种酶协同 作用，使得乳糖得以分解和利用。
（二）乳糖操纵子的调控机制
1、没有乳糖时，具有活性的阻遏物和操纵基 因结合，转录不能进行。
2、有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏物 发生构象变化而失活，不能与操纵子结合， 结构基因正常转录，进而再翻译出蛋白质。
原核基因表达调控 (2)课件
异乳糖（Allolactose）作为 诱导物, 结合到 lac 阻遏物 上并使其灭活.
No lac mRNA
Presence of lactose
i po
z
a
Inactive -GalactosidasePermease Transacetylase
第二十页，编辑于星期五：十二点 九分。
Allolactose (异乳糖) 能引起阻遏物四聚体形成 中发生变化 ，降低其对乳糖操纵基因的亲和性，
第二十五页，编辑于星期五：十二点 九分。
第二十六页，编辑于星期五：十二点 九分。
Summary CA B
A: RNA polymerase
B: lac repressor C: CAP-cAMP
Back
第二十七页，编辑于星期五：十二点 九分。
二、 Trp 操纵子
色氨酸操纵子编码用于色氨酸合成中的5个结构基因，
转录阻滞
lac 操纵子
诱导剂
(Lactose)
活化 Plac 转录
高水平转录
CRP + cAMP (glucose repressed)
第十七页，编辑于星期五：十二点 九分。
Lac repressor
-5
+21
Plac
Lac 阻遏物由 LacI编码, 其活化形式是由相同的亚单位构
成的四聚体. 其占据操纵子结合位点 （Olac , 28bp) ，在
Lack of trp (前进通过整个 转录 )
第三十五页，编辑于星期五：十二点 九分。
糖苷转乙酰酶， 用于乳糖代谢
Control elements
Regulatory Gene
Operon
No lac mRNA
Presence of lactose
i po
z
a
Inactive -GalactosidasePermease Transacetylase
第二十页，编辑于星期五：十二点 九分。
Allolactose (异乳糖) 能引起阻遏物四聚体形成 中发生变化 ，降低其对乳糖操纵基因的亲和性，
第二十五页，编辑于星期五：十二点 九分。
第二十六页，编辑于星期五：十二点 九分。
Summary CA B
A: RNA polymerase
B: lac repressor C: CAP-cAMP
Back
第二十七页，编辑于星期五：十二点 九分。
二、 Trp 操纵子
色氨酸操纵子编码用于色氨酸合成中的5个结构基因，
转录阻滞
lac 操纵子
诱导剂
(Lactose)
活化 Plac 转录
高水平转录
CRP + cAMP (glucose repressed)
第十七页，编辑于星期五：十二点 九分。
Lac repressor
-5
+21
Plac
Lac 阻遏物由 LacI编码, 其活化形式是由相同的亚单位构
成的四聚体. 其占据操纵子结合位点 （Olac , 28bp) ，在
Lack of trp (前进通过整个 转录 )
第三十五页，编辑于星期五：十二点 九分。
糖苷转乙酰酶， 用于乳糖代谢
Control elements
Regulatory Gene
Operon
第七章：原核生物基因表达调控
负转录调控
• 负控诱导 阻遏蛋白不与效应物
结合时基因不转录。
• 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物 结合时，基因不转录。
正转录调控
• 正控诱导 有效应物时，激活蛋白 处于活性状态基因转录。
• 正控阻遏 有效应物时，激活蛋 白处于无活性状态基 因不转录。
负控诱导
正控诱导
负控阻遏
正控阻遏
1、原核生物基因调控机制的类型
6、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及 D
(A) 转录水平调节 (B) 转录激活调节
(C) 翻译水平调节
(D) 转录／翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CRP-cAMP 7、与O序列结合
A
8、与P序列结合 B 9、 与CRP结合 C 10、与CAP位点结合 D
境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后而活化，
能够与O结合，阻遏结构基因的转录，开 关。
(二) 弱化子及其作用
当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化 R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶 类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸 浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特
殊的结构有关。
乳糖存在诱导基因转录
乳糖(lac)操纵子的表达调控
1、阻遏蛋白的负性调控
没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。i 基因在自身的 启动子Pi 控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与 操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。
当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成
单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。
(D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达
2、一个操纵子（元）通常含有
第七章基因的表达与调控——原核基因表达调控模式24页PPT
2020/5/9
2
第一节 原核基因表达调控总论
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。
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。
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第一节 原核基因表达调控总论
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。
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第二节 乳糖操纵子
❖ P为启动子，O为操纵区，lacI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）。
第一节 原核基因表达调控总论
❖ 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。
第七章 原核基因表达调控 PPT课件
第七章 原核基因表达调控
原核基因表达调控总论 操纵子调控 转录水平上的其他调控 转录后的调控
第一节 原核基因表达调控总论
• 遗传信息有序地传递到蛋白质或功能RNA 分子的过程称为基因表达。对该过程的调 节就称为基因表达调控。
• 基因表达调控主要表现在转录水平上和转 录后水平上的调控。原核生物中，营养状 况和环境因素对基因的表达有重要影响。 如某些代谢物（降解物）的出现、应急条 件下细菌鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的产生 等均会导致基因表达受到调节。
3. 顺式作用元件和反式作用因子
Cis-acting element：是指具有调节功能的特定
DNA序列或影响自身基因表达活性的DNA序列，在
基因的同一条DNA分子上；如启动子。
Trans-acting factor （转录因子TF）：由调节基因
编码，调节基因是一种特殊的结构基因，其编码产物
（RNA或蛋白质）可以扩散，控制其他基因的表达。
DNA上.
b、转录激活结构域（功能域） （1）、酸性激活域 （2）、谷酰胺丰富域 （3）、脯氨酸丰富域
阻遏域（repressor domain）：专一性的直接阻遏的结构域
三种DNA结合结构域模式：
Zinc-finger蛋白结构特征
Zinc-finger蛋白结构特征
HLH的结构特征
HLH结构特征
三、 其他操纵子调节
一、乳糖操纵子
(The lactose Operon， Lac)
E. coli 能够利用乳糖作为碳源.
乳糖作为碳源起作用所需要的酶只有 在乳糖作为唯一碳源时才能合成。
一个乳糖操纵子由三个结构基因组成
编码 β-半乳
编码半乳糖
编码硫代半
lacZ
原核基因表达调控总论 操纵子调控 转录水平上的其他调控 转录后的调控
第一节 原核基因表达调控总论
• 遗传信息有序地传递到蛋白质或功能RNA 分子的过程称为基因表达。对该过程的调 节就称为基因表达调控。
• 基因表达调控主要表现在转录水平上和转 录后水平上的调控。原核生物中，营养状 况和环境因素对基因的表达有重要影响。 如某些代谢物（降解物）的出现、应急条 件下细菌鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的产生 等均会导致基因表达受到调节。
3. 顺式作用元件和反式作用因子
Cis-acting element：是指具有调节功能的特定
DNA序列或影响自身基因表达活性的DNA序列，在
基因的同一条DNA分子上；如启动子。
Trans-acting factor （转录因子TF）：由调节基因
编码，调节基因是一种特殊的结构基因，其编码产物
（RNA或蛋白质）可以扩散，控制其他基因的表达。
DNA上.
b、转录激活结构域（功能域） （1）、酸性激活域 （2）、谷酰胺丰富域 （3）、脯氨酸丰富域
阻遏域（repressor domain）：专一性的直接阻遏的结构域
三种DNA结合结构域模式：
Zinc-finger蛋白结构特征
Zinc-finger蛋白结构特征
HLH的结构特征
HLH结构特征
三、 其他操纵子调节
一、乳糖操纵子
(The lactose Operon， Lac)
E. coli 能够利用乳糖作为碳源.
乳糖作为碳源起作用所需要的酶只有 在乳糖作为唯一碳源时才能合成。
一个乳糖操纵子由三个结构基因组成
编码 β-半乳
编码半乳糖
编码硫代半
lacZ
第七章、原核生物基因表达调控
第七章、原核生物的基因表达调控
本章重点：操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点：弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
1
第一节、原核生物基因表达调控总论
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，食物供应毫无保障，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。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 的影响力大为下降。
16
17
3．调节基因（阻遏基因I）和操纵基因（操纵区O）的发现 （1）已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久（组成） 型突变体，为分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。 （2）I+→ I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达，所以I基因（阻遏基因I）被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac被抑制。 （3）遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间，所以，lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一 个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为 操纵基因。
本章重点：操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点：弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
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第一节、原核生物基因表达调控总论
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，食物供应毫无保障，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。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 的影响力大为下降。
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3．调节基因（阻遏基因I）和操纵基因（操纵区O）的发现 （1）已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久（组成） 型突变体，为分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。 （2）I+→ I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达，所以I基因（阻遏基因I）被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac被抑制。 （3）遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间，所以，lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一 个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为 操纵基因。
【分子生物学 山西师范】分子生物学-13-2-第七章原核基因表达调控-lac
教学单元教案格式
第8章基因表达调控课程教案
授课题目：8.2 原核基因表达调控--乳糖操纵子模型
教学时数：
1
授课类型：
理论课 □ 实践课
教学目的、要求：
基因表达调控的基本概念（理解）
原核基因调控机制（掌握）
乳糖操纵子（重点掌握）
教学重点：
重点阐明：乳糖操纵子的结构、机制、功能、意义
重点指出：原核生物基因表达调控的经济原则
(D) 有葡萄糖及cAMP较低时
(E) 有葡萄糖及CAMP较高时
5、Lac阻遏蛋白由
(A) Z基因编码 (B) Y基因编码
(C) A基因编码 (D) I基因编码 、
(E) 以上都不是
课后小结：
该内容的教学设计上，本教案采用了强化知识点之间的联系，多种媒体结合，难点问题采用不同形式多次分解的方式，提高学生的认识，采用了联系、引导、提问、尤其是问题引导式教学和俗语话类比的教学方式，非常有助于学生理解和记忆，能够达到充分发挥学生求知主动性的目的和教学效果。
(D) 透酶 (E)异构乳糖
3、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的
(A) CAP结合位点 (B) O序列 (C) P序列
(D) Z基因 (E) I基因
4、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在
(A) 葡萄糖及cAMP浓度极高时
(B) 没有葡萄糖及cAMP较低时
(C) 没有葡萄糖及cAMP较高时
•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。
问题：可诱导的调节：上升?下降？
•可阻遏的调节：下降？上升？
•正调控：开放！上升！
•负调控：关闭！下降！
第8章基因表达调控课程教案
授课题目：8.2 原核基因表达调控--乳糖操纵子模型
教学时数：
1
授课类型：
理论课 □ 实践课
教学目的、要求：
基因表达调控的基本概念（理解）
原核基因调控机制（掌握）
乳糖操纵子（重点掌握）
教学重点：
重点阐明：乳糖操纵子的结构、机制、功能、意义
重点指出：原核生物基因表达调控的经济原则
(D) 有葡萄糖及cAMP较低时
(E) 有葡萄糖及CAMP较高时
5、Lac阻遏蛋白由
(A) Z基因编码 (B) Y基因编码
(C) A基因编码 (D) I基因编码 、
(E) 以上都不是
课后小结：
该内容的教学设计上，本教案采用了强化知识点之间的联系，多种媒体结合，难点问题采用不同形式多次分解的方式，提高学生的认识，采用了联系、引导、提问、尤其是问题引导式教学和俗语话类比的教学方式，非常有助于学生理解和记忆，能够达到充分发挥学生求知主动性的目的和教学效果。
(D) 透酶 (E)异构乳糖
3、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的
(A) CAP结合位点 (B) O序列 (C) P序列
(D) Z基因 (E) I基因
4、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在
(A) 葡萄糖及cAMP浓度极高时
(B) 没有葡萄糖及cAMP较低时
(C) 没有葡萄糖及cAMP较高时
•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。
问题：可诱导的调节：上升?下降？
•可阻遏的调节：下降？上升？
•正调控：开放！上升！
•负调控：关闭！下降！
大学生物遗传学原核生物基因表达调控2PPT课件
6
顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转 变为任何其他形式的DNA序列，它只在原 位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理 上相连的DNA序列的活性。
基因活性的调控主要通过反式作用因子 （通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常 在DNA上）相互作用而实现。
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2. 结构基因和调节基因
转录因子通常识别位于基因上游启动子附 近的顺式作用元件。
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第二节 转录水平的调控－操纵子
原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。
原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。
基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场 所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为 反式作用（trans-acting），此基因表达产物 被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。
反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其 特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥 作用。
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5
顺式作用元件（cis-acting factor）是指 对基因表达有调节活性的DNA序列， 其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因。顺式作用元件通 常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或 内含子中。
结构基因（structural gene）是编码蛋白质或 RNA的任何基因。结构基因编码大量的功 能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结 构蛋白和酶等。
调节基因（regulator gene）仅指参与其他基 因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特 定位点结合而控制受调节基因的转录是基 因表达调控的关键。
顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转 变为任何其他形式的DNA序列，它只在原 位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理 上相连的DNA序列的活性。
基因活性的调控主要通过反式作用因子 （通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常 在DNA上）相互作用而实现。
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8
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2. 结构基因和调节基因
转录因子通常识别位于基因上游启动子附 近的顺式作用元件。
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第二节 转录水平的调控－操纵子
原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。
原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。
基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场 所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为 反式作用（trans-acting），此基因表达产物 被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。
反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其 特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥 作用。
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5
顺式作用元件（cis-acting factor）是指 对基因表达有调节活性的DNA序列， 其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因。顺式作用元件通 常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或 内含子中。
结构基因（structural gene）是编码蛋白质或 RNA的任何基因。结构基因编码大量的功 能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结 构蛋白和酶等。
调节基因（regulator gene）仅指参与其他基 因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特 定位点结合而控制受调节基因的转录是基 因表达调控的关键。
第七章-原核基因表达调控-张铁军
1.当色氨酸浓度高时
（二）前导肽
前导DNA
前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
调控区
结构基因
DNA
I P OZ YA
操纵基因 启动子 阻遏基因
lacZ： β-半乳糖苷酶
lacY： β-半乳糖苷透过酶
lacA： β-半乳糖苷乙酰基 转移酶
蓝白显色筛选法
二、酶的诱导--lac体系受调控的证据
1、实验证据
在不含乳糖的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内 大约只有1～2个酶分子。
仍无葡转萄录糖活性降。低cAMP-CAP
操控正调节
• 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；
• 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。
低乳糖时
高乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
cAMP-CAP
葡萄糖高 cAMP浓度低
阻遏蛋白
O
RNA-pol
O
cAMP-CAP
mRNA
阻遏蛋白
O
O
(二) 乳糖操纵子的影响因子
mRNA 阻遏蛋白
弱启动子控制的 组成型合成
4、葡萄糖对lac操纵子的影响
•代谢物阻遏效应（葡萄糖效应） • 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时 葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它 糖类的利用的现象。研究认为葡萄糖的某些代谢产 物抑制lac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物 阻遏效应.
5、lac基因产物数量上的不同
I
PO Z Y A
•Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2
原因：在翻译水平上的调节
•1、lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离， 从而终止蛋白质链的翻译。
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概述
概 述
基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基因 所携带的遗传信息表现为表型的过程，包 括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白 质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链， 并装配加工成最终的蛋白质产物。
基因表达的时间性及空间性
1. 时间特异性 按功能需要某一特定基因表达严 格按特定的时间顺序发生。如病毒感 染；胚胎发育。
（1）阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
启动转录
lac mRNA β-半乳糖苷酶
阻遏蛋白
异构乳糖 有乳糖存在时
lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节
乳糖
3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节
（2）CAP的正性调节
1. cAMP 由ATP合成。
I P O Z Y A
•Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2
原因：在翻译水平上的调节
•1、lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离， 从而终止蛋白质链的翻译。
原因：在翻译水平上的调节
•2、lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受 内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比 A基因多。
1、组成性基因表达
某些基因在一个生物个体的几乎所
有细胞中持续表达，通常被称为管家基因
(house-keeping gene)。
管家基因的表达水平受环境因素影响较小，
是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎
全部组织中持续表达。这类基因表达被视为
组成性（或基本）基因表达(constitutive gene expression)。
1
bcl-2
2
β-actin
琼脂糖凝胶电泳图 1. 对照组 2. 实验组
常用的管家基因
中文名称
beta－肌动蛋白 甘油醛3-磷酸脱氢酶 TATA Box结合蛋白 18s 核糖体核糖核酸 微管蛋白α
英文缩写
β-actin GAPDH TBP 18s rRNA α-tubulin
2、诱导和阻遏表达
多顺反子：一个mRNA分子编码多个多肽链。这些多肽链对应的DNA片段则 位于同一转录单位内，享用同一对起点和终点。
2、P区位于I与O之间，O为阻遏蛋白结合位点
调节基因
I
启动子（P） RNA聚合酶结合位点 CAP结合位点 操 纵 基 因（O） 结构基因 阻遏蛋白结合位点
3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
（二）前导肽
前导DNA Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子
序列3、4不能形成弱化子结构 当色氨酸浓度低时
蓝白显色筛选法
二、酶的诱导--lac体系受调控的证c+基因型每个大肠杆菌细胞内
大约只有1～2个酶分子。
如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋 白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。
2、实验用诱导物 •乳糖 •IPTG(异丙基巯基半乳糖苷) •TMG(巯甲基半乳糖苷) •ONPG(O-硝基半乳糖苷)
正控诱导系统
正控阻遏系统
失活的激活蛋白
1. 激活蛋白；2. 加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启
阻遏蛋白
失活的激活蛋白
失活的阻遏蛋白
（二）原核生物基因表达调控的特点
调节的主要环节在转录水平上进行 σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 主要通过操纵子模式进行调节
1、原核基因转录调节特点
(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺
激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上
做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如 何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什 么组织表达，什么时候表达，表达多少等。
基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
•组成性基因表达
•适应性表达（诱导和阻遏表达）
同表达，即为协同表达(coordinate
expression)。
基因表达调控的生物学意义
1.适应环境、维持生长和增殖； 2.维持个体发育和分化。
基因转录调控的基本要素
1、特异DNA序列 •原核生物的操纵子（operon）
•真核生物的顺式作用元件 （cis-acting element） 2、调节蛋白
第一节 原核基因表达调控总论
基因表达的调控水平
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
基因组 转录 转录后 翻译 翻译后
原核基因表达调控
转录水平上的调控 翻译水平上的调控 （较少）
一、原核基因调控机制的类型与特点
（一）原核基因调控机制的类型
阻遏蛋白
•负调控 •正调控
阻遏蛋白
4、葡萄糖对lac操纵子的影响
•代谢物阻遏效应（葡萄糖效应）
• 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时 葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它 糖类的利用的现象。研究认为葡萄糖的某些代谢产 物抑制lac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物 阻遏效应.
5、lac基因产物数量上的不同
操控正调节
• 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；
• 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
阻遏蛋白
高乳糖时
RNA-pol
O
cAMP-CAP cAMP-CAP
O
mRNA
葡萄糖高 cAMP浓度低
阻遏蛋白
O
O
(二) 乳糖操纵子的影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
gene ON →OFF gene OFF → ON
基因表达量 特别低
激活蛋白
1、负调控 negative regulation
•在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控
制系统就叫做负控系统。
•其调节蛋白质叫做阻遏蛋白
•两种类型：负控诱导和负控阻遏
负控诱导系统
三、lac操纵子模型及其影响因子
（一）Lac操纵子模型
调控区 结构基因
乳糖操纵子模型
1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA
lacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和 葡萄糖； lacY：编码β-半乳糖苷透过酶，它能将乳糖运送透过细菌
的细胞壁；
lacA：编码β-半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。
基因表达的时间特异性又称阶段特异性。
孕三天 桑椹胚
孕五周
基因表达的时间性及空间性
2. 空间特异性
指在个体生长全过程，某种基因产 物在个体不同组织器官表达存在差异。
空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。
组织特异性转基因爪蛙品系
基因表达的方式存在多样性
基因表达调控（regulation of gene expression）
调节区
trpR RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
结构基因
Trp浓度低时
mRNA
Trp 浓度高时 Trp
色氨酸操纵子 －阻遏调节
二、 弱化子与前导肽
（一）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，当操纵子被阻遏时，RNA合成被 终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.
调节区
有葡萄糖， cAMP 浓度低时
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
4、 协同调节
• 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； • 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子 乳糖 作为阻遏蛋白的诱导物 操控负调节
仍无转录活性。 葡萄糖 降低cAMP-CAP
•诱导表达（induction）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。这类基因
称为可诱导基因。
•阻遏表达（repression）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。这
类基因称为可阻遏基因。
3、协同表达
在一定机制下，功能上相关的一组基因， 无论其为何种表达方式，均需协调一致、共
酶阻遏的操纵子模型
调节基因
.. .
操纵基因
.. ..
结构基因
..
mRNA 辅阻遏蛋白 酶蛋白
辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构 基因表达.
（三） trp操纵子的阻遏调控机制
色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸
合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏 色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的 色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似， 但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻 遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。 而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物 与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操 纵基因结合而使基因转录关闭。
核心酶
全酶
σ因子
大肠杆菌中的各种σ 因子比较
σ因子 σ70 σ54 σ38 σ32 编码基因 主要功能 识别一般启动子 参与多数氮源利用基因的调控 分裂间期特异基因的表达调控 热休克基因的表达调控