第七章 原核基因表达调控_张铁军

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)。
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）
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
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
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
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
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
rpoD rpoN rpoH rpoS
σ28
σ24
rpoF
rpoE
鞭毛趋化相关基因的表达调控
过度热休克基因的表达调控
第 七 章
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
张铁军
内 容 提 要
一、概 述 二、原核生物基因表达的调控
（一）原核生物基因表达的特点 （二）原核生物基因表达的调控机制
(1) 转录起始的调控 (2) 转录终止的调控
(3) 翻译水平的调控
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
（一） trp操纵子的研究背景
酶合成阻遏的现象—Jacob and Monod的工作
（二） trp操纵子的结构
a
trpE
阻遏型操纵子
trpR
Ptrp Otrp
RNA
激活
前导序列
trpD trpD
trpC trpB trpC trpB
trpA trpA
trpE
色氨酸合成所需的酶 Trp 阻抑物 色氨酸
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。
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
负控阻遏系统
失活的阻遏蛋白
阻遏蛋白
1. 阻遏蛋白；2. 加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭
2、正调控 positive regulation
•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。 •其调节蛋白质叫做激活蛋白 •两种类型:正控诱导和正控阻遏系统
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。
I P pol RNA O Z Y A
降解
CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
特殊代谢物调节基因活性的类型
可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同
时受cAMP-CAP的活性调节 可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子（色氨酸）
一、 trp操纵子的阻遏系统
第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod, 1961)
Jacquces Monod
Francois Jacob
------ 操纵子(operon)
操纵子：是基因表达的调控单位，由调节基 因、启动子、操纵基因及其所控制的一组功
能上相关的结构基因所组成。
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
（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。
------ 操纵子(operon)
启动子 (promoter) 结构基因
调节基因
操纵基因 (operator)
阻遏蛋白
一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成
调控区 DNA
结构基因
I
P
O
操纵基因
Z
Y
A
lacZ： β-半乳糖苷酶 lacY： β-半乳糖苷透过酶
启动子 阻遏基因
lacA： β-半乳糖苷乙酰基 转移酶
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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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
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
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
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
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。
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)
•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
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。
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）
乳 糖
lac操纵子的本底水平表达
因为诱导物需要穿过细 胞壁才能与阻遏蛋白结 合，而运转诱导物需要 透过酶。 在非诱导状态下有少量 （1-5个mRNA分子） lac mRNA合成--本底 水平组成型合成。
3、阻遏物lacI基因产物及功能
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
弱启动子控制的 组成型合成
trpR
结构基因
P
O 前导序列 弱化子区域
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
UUUU…… RNA聚合酶
•起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
弱化子结构 就是终止子 可使转录 终止
5’
1
核糖体
2
3
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
2. 代谢物激活蛋白（catabolite activator protein，CAP）又称为环腺苷 酸受体（cAMP receptor protein，CRP）。 3. 每个CAP可结合一个cAMP。 4. 在含葡萄糖的培养基中，cAMP的浓度很低。 5. RNA聚合酶ɑ亚基可以和结合有cAMP的CAP结合， 从而起始转录。