第四十二章 原核生物的基因表达调控

大肠杆菌半乳糖操纵子模型
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
乳糖操纵子的正调控
葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环 境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵 子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能 解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说 明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但 还不是充要条件。 同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正 常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为 cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在 负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵 子才能开放。
σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控
σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系
操纵子模型


第一个被阐明的基因表达调控系统是由法国巴斯德 研究所的Francois Jacob和Jacques Monod于1962年提 出来的大肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实证明， 大多数原核生物的基因表达调控都采取这种方式， 尽管真核细胞没有操纵子的结构，但模型中的一些 基本原理也适用于真核生物。 操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存 在，构成所谓的多顺反子，它们的表达作为一个整 体受到控制元件的调节。控制元件由启动子、操纵 基因）和调节基因组成。调节基因编码调节蛋白， 与操作子结合而调节结构基因的表达。
色氨酸操纵子模型
RNA开关
在许多细菌（包括某些真核生物）内，发现一 些特殊的双功能mRNA在非编码区含有特定代 谢物的特异性结合位点，充当基因表达的开关， 代谢物的结合改变了mRNA的构象，结果要么 提高转录的终止效率，要么降低翻译的效率， 要么影响到mRNA的后加工，从而改变一个基 因的表达。RNA 开关或核开关就是指这一类 特殊的mRNA。核开关能直接检测到细胞内一 些重要的小分子代谢物的水平，并根据细胞的 生理需要打开或关闭相关基因的表达。
CAP的正调控作用
乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列
CAP-cAMP在CAP位点上与RNA pol的相互作用
CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲
为什么乳糖操纵子既要受到 负调控，又要受到正调控？
一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄 糖对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基 因均是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解， 为细胞提供能量； 二是lac启动子序列与启动子的一致序列相差较大， 是一个弱启动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启 动子活性的“先天不足”。
第四十二章 原核生物 的基因表达调控
提纲
一．在DNA水平上的调控
1. 在转录水平上的调控 2. 转录起始水平上的调控 3. 转录终止水平上的调控 二．在翻译水平上的调控 三．环境信号诱发的基因表达调控 四．在基因组水平上的全局调控
基因表达调控的两种方式
基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负 调控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一 般都涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相 互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为 顺式作用元件，而对于原核生物来说，这样的顺式作 用元件经常被称为操纵基因。 如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活 的情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调 节蛋白被激活，基因则不能表达。因此，负调控中的 调节蛋白被称为阻遏蛋白； 如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活 的情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节 蛋白或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表 达。因此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。
色氨酸的衰减子模型
其他氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列
分解代谢操纵子和合成代谢操纵子比较
大肠杆菌色氨酸操纵子的结构与功能
由一个启动子、一个操纵基因、一个前导肽编码基 因（trpL）和5个结构基因（trpE、trpD、trpC、 trpB、trpA）以及一个调节基因（trpR）组成。结构 基因编码将莽草酸转化为色氨酸的关键酶。trpR编 码阻遏蛋白，它距结构基因的距离较远。 当色氨酸含量低时，阻遏蛋白没有结合DNA的活性。 这时，操纵基因区域便可以同RNA pol结合，转录 得以进行，表达参与色氨酸合成的基因，补充细胞 内色氨酸的含量；当色氨酸充足时，它作为辅阻遏 物同阻遏蛋白结合后，会引起阻遏蛋白构象变化， 使其能够同操纵基因结合，阻遏色氨酸合成基因的 转录。色氨酸合成途径的终产物会通过阻遏转录的 进行抑制该途径酶的合成。
阿拉伯糖操纵子结构
阿拉伯糖操纵子的阻遏和激活
大肠杆菌的色氨酸操纵子
的色氨酸操纵子是一种阻遏型的操纵子，它 控制5种参与色氨酸合成酶基因的表达。色 氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合而阻止色 氨酸操纵子的表达。 除了色氨酸操纵子是阻遏型以外，其它与合 成代谢有关的操纵子，如组氨酸操纵子，也 都属于阻遏型操纵子。一般说来，控制分解 代谢的操纵子为诱导型，控制合成代谢的操 纵子属于阻遏型。操纵子发生这样的分化使 得细胞能够迅速对环境或细胞内部的代谢变 化做出反应。
原核生物的CRISPR 系统
双组分调节系统


此系统存在于所有的细菌或许多低等的真核生物，通 过使用一对调节蛋白检测来自环境中的特定信号，并 对信号作出反应。这一对蛋白质一个是感应器激酶， 一个是反应调节蛋白。每一个蛋白质都是由两个结构 域组成。感应器激酶含有1个检测环境信号的结构域和 1个激酶活性结构域。一旦检测到特定的环境信号，感 应器激酶结构域的一个保守的His残基发生自我磷酸化 （磷酸基团来自ATP的γ-磷酸）。然后这个磷酸根被 转移到位于反应调节蛋白的第一个结构域上的一个保 守的Asp残基上。反应调节蛋白的第二个结构域负责将 信号转导到细胞内部。 由于反应调节蛋白的磷酸化通常激活其潜在的转录调 节的活性，于是来自环境中特定的信号最终诱发了特 定基因表达的变化。
乳糖操纵子
乳糖操纵子属于诱导型操纵子，其天然的 诱导物是乳糖的异构体——别乳糖，它既 受到负调控，又受到正调控。 乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的正调控
β-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应
葡萄糖效应和乳糖诱导
乳糖对乳糖代谢酶的诱导
如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞 内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳 糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞 的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5～5个。可是一旦在 培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟 内，每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高 达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 5％～10 ％。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。由 此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶 由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关 类似物被称为诱导物。
鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
在转录水平的调控

1. 2. 3.
转录起始阶段的调控
不同σ因子的选择性使用 操纵子调控模型 几种重要的操纵子

1. 2.
转录终止阶段的调控
抗终止作用 弱化
不同σ因子的选择性使用
细菌识别启动子序列的是σ因子。不同的σ因子
可识别不同的启动子序列，E. coli主要使用σ70。 在特殊的条件下，其它类型的σ因子被表达或 被激活。这些新的σ因子识别的是其它类型的 启动子，其一致序列不同于σ70所识别的启动子， 从而指导RNA pol启动一些新基因的表达。这 样的调控系统使有机体能对在特定条件下才表 达的多个基因进行统一的调控。
大肠杆菌乳糖操纵子的结构
1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的 启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相 反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白 1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间， 为阻遏蛋白结合的位点 1个启动子（Plac） 3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-半 乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝 大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半 乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过 细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基 酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向 右，按lacZ→lacY→lacA方向进行转录，每次转录出来 的一条mRNA上都带有这3个基因。
双组分调节系统的作用图解
Trp弱化子的模型
1. 2. 3. 4. 5. RNA pol启动trp操纵子的转录； 在转录约90nt以后，RNA pol暂停在第一个二级结构之处； 核糖体开始与新生的mRNA结合，启动前导肽的合成； RNA pol从暂停状态解除，继续转录； RNA pol当到达潜在的终止子区域的时候，是继续转录还是 停止转录取决于紧随其后的核糖体的位置； 6. 如果细胞缺乏Trp，核糖体就会停留在两个连续的Trp密码子 位置，等待有Trp-tRNATrp进入A部位，那么1区被隔离在核糖 体内，无法与2区配对，于是2区和3区在4区被转录之间发生 配对，迫使后来转录的4区处于单链状态，这就阻止了3区和 4区形成终止子结构，转录即可以继续； 7. 如果细胞里的Trp含量充足，核糖体能够连续地翻译前导肽， 它就会覆盖了2区，阻止了2区与3区配对。于是，当4区被转 录以后，就自发地与3区形成终止子结构，导致转录提前结 束，产生约140bp的转录物。
部分核开关的结构
枯草杆菌控制TPP 合成和运输的核开关的结构及其作用机制
原核生物的CRISPR 系统
CRISPR 意思是“成簇有规律间隔短回文重复序列（Clustered




Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats） CRISPR 区域实际上是一种存储外来病毒序列的记忆库。它由许 多不同的病毒序列和相同的重复序列交替排列组成。CRISPR 系 统提供了对任何含有相同和相近序列的病毒的防护。 CRISPR 系统中的蛋白质，即CRISPR 相关蛋白（CAS 蛋白）具 有两个功能：一是利用存储的序列信息，去识别入侵的病毒基因 组并摧毁它们；二是参与获得和储存病毒的序列片段，这一过程 还不清楚。 CAS 蛋白由位于CRISPR 序列上游的基因编码。CRISPR 区作为 一个整体先被转录，然后被CAS 蛋白在每一个重复序列的中间切 开，产生单个病毒特异性片段。如果其中的某一个片段可以和外 来入侵的病毒DNA 或RNA 互补配对，CAS 蛋白就可以将病毒的 DNA 或RNA 降解。 CRISPR 系统广泛分布在古菌和细菌之中，大约90% 基因组序列 已测过的古菌和70% 基因组序列已测过的细菌都带有这个系统。
Biblioteka Baidu 正调控与负调控模式的比较
在DNA水平的调控


基因的拷贝数
启动子序列对基因表达的调控 DNA重组对DNA表达的调控：重组可 以改变控制基因表达的元件与受控基 因之间的距离和方向，因而可以成为 控制基因表达的一种手段。
不同类型启动子与基因表达之间的关系
组成型启动子 一般与一致序列相同 或相近 恒定的转录速率 可能不受其它形式的 调控 弱启动子 缺乏一个或多个一致 序列元件 低转录速率 经常需要激活蛋白 强启动子 与一致序列相同或 接近 高转录速率 经常受到阻遏
大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子
阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的 酶：阿拉伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核 酮糖，由araA基因编码；核酮糖激酶，催化核 酮糖的磷酸化，由araB基因编码；核酮糖-5-磷 酸差向异构酶，由araD基因编码，催化核酮糖5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷酸戊 糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、 araA和araD的顺序排列，简称为araBAD，共同 受araC基因的产物AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子的调 节蛋白既是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。