07-1 原核生物基因表达调控及乳糖操纵子

原因：CAP位点的正调控
葡萄糖缺少时，腺苷酸环化酶将ATP→cAMP， cAMP与CAP位点结合,此时启动子的进入位点才 能被RNApol结合
葡萄糖存在时，cAMP不能形成，没有CAP－ cAMP,与CAP位点结合，启动子的进入位点不能 被RNApol结合
（1）CAP位点的组成 （－70 ～－40）
转录前调控 转录调控 转录后调控 翻译调控 翻译后调控
一、基因表达调控是生命的必需
基因表达具有时空性
阶段特异性（stage specificity)：细胞分化发育的 不同时期，基因表达不相同。
组织特异性 (tissue specificity)：不仅不同组织、 细胞中基因表达的数量不相同，而且基因表达的 强度和种类也各不相同。
The Lac Operon:
Glucose is Present without Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
① mRNA加工成熟水平上的调控； ②翻译水平上的调控
二、转录水平上调控是主要的调控形式
特征 经济+灵活 重要+复杂 原因
1、在复杂基因组内，确定需要基因转录的起始位点；
2、精细调节基因表达水平,以保证生物体对环境的适应；
3、顺式作用元件和反式作用因子间严格而又灵活的互作 保证RNA polymerase的进行式转录(不中断，准确终止)。
RNA链的延长
(b)转录起始
RNA释放
聚合酶 脱离
(c)RNA链的延长
(d)转录终止
mRNA指导的蛋白质合成
核糖体
(a)起始复合物的形成 (b)肽键生成
tRNA
tRNA
mRNA
(c)移位作用 (d) tRNA脱离
遗传信息的传递
自我复制
转录
反转录
翻译 蛋白质 自我复制
中
心
法
则
既然从DNA到蛋白质的过程 称为基因表达，对这个过 程的调节就称为基因表达 调控(gene regulation）。
σ70因子
特别地，σ54因子识别并与DNA上的-24区和-12区相结合
σ70因子 σ54因子
二、弱化子对基因表达的影响 弱化子：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核苷酸。 起信号作用的是氨基酰-tRNA的浓度；
最典型调控模式：色氨酸操纵子，其中起 作用的是色氨酰-tRNA的浓度。
列的溶解温度降低→促进开放型启动子复合
物的形成 →促进转录
实验证明
如果没有CAP，尽管乳糖启动子上的-35序列 和-10序列存在并保持完整，但-35序列不能很 好地结合RNA pol，而-10序列确实能结合 RNA Pol，但得到的是一个闭合的启动子复合 物，也就是在这个区域内的DNA双螺旋结构 不发生熔解，开放型启动子复合物不能形成， 转录也就不能进行。
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第二节 原核生物基因表达调控总论
原核生物中 营养状况 环境因素 真 核 生 物 （特别是高 等真核生物） 中 激素水平 发育阶段 细菌mRNA转录与Protein翻译偶联; 真核生物转录产物需从核内运转 到核外才能被翻译成蛋白质。
一、主要表现
1、转录水平调控 2、转录后水平调控
E. Coli中
σ因子可能是参与基因表达调控最常见的蛋 白质； 6种σ因子。 σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生 物合成等基因的转录所必须的。 除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子 在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。
所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守 区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参 与双链DNA解开成单链的过程。
顺式作用元件（cis-acting element）:对基因 表达有调节活性的DNA序列，只影响与其同处 一个DNA分子的基因。 反式作用因子（trans-acting factor）:与顺式 作用元件相互作用影响基因表达的蛋白因子， 其编码基因与识别或结合的靶核苷酸序列不 一定在同一个DNA分子上。
基因表达翻译水平的调节
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第四节 乳糖操纵子
操纵子学说(theory of operon)是法国巴斯德研究院的Francois
Jacob与Jacques Monod于1960年发现的，首次从分子水平认识
基因表达的调控，是一个划时代的突破，于1965年荣获诺贝 尔生理学奖。
调控机制
空转反应：aa饥饿时，无负载的tRNA进入核糖体的A位后，新 肽键不能形成，但GTP不断消耗 空转反应导致信号分子的产生 ppGpp pppGpp 从而抑制 tRNA、 rRNA转录
ppGpp可与RNApol作用，使其不易变构
pppGpp与转录I位点作用，阻止RNApol结合
放慢转录起始、延伸过程，放慢蛋白质合成过程，启动aa 合成基因，通过紧缩开支，渡过难关
一、lac 操纵子模型的负调控
IPTG也有诱导功能
无转录产物
翻译 转录
归纳起来
二、lac 操纵子模型的正调控
转录调控中，lac I → 阻遏蛋白 → 负调控
许多基因的表达还存在正调控机制
CAP-cAMP 结合位点→正调控
例如: E.coli 培养基中乳糖和葡萄糖共存时 只有葡萄糖被利用
根据其作用特征又可分为：
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结
合时，结构基因开始转录；
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，结构
基因不转录。
2、正转录调控系统 在正调控中，调节基因的产物是激活蛋白。 根据激活蛋白的作用性质分为： 正控诱导：效应物分子（诱导物）的存 在使激活蛋白处于活性状态； 正控阻遏：效应物分子的存在使激活蛋 白处于非活性状态。
机理 aa饥饿→不带aa的tRNA大量存在→激活焦磷 酸转移酶→ppGpp大量合成（浓度增加10倍以 上）。 ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开 一些合成aa的基因，以应付aa饥饿。 关于ppGpp的作用原理还不大清。ppGpp与 pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响 一个或几个操纵子，而是影响一大批操纵子， 所以它们是超级调控因子。
转录过程 翻译过程
基因的概念
孟德尔遗传因子
基因位于染色体上
染色体与DNA的关系
DNA
前体RNA mRNA 从DNA到蛋白质
多肽链
DNA与性状
5’-末端
氢键
遗传信息的载体—DNA
糖基 碱基
磷酸基
3’-末端
DNA复制
DNA指导的mRNA的合成
模板链 合成方向
(a)RNA聚合酶与 DNA模板链的结合
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
LacZ
LacY
La百度文库A
RNA Pol.
Repressor mRNA
Repressor
X
Repressor
This lactose has bent me out of shape
CAP
Repressor
Some transcription occurs, but at a slow rate
三、转录因子及其功能
转录因子
转录因子起着激活剂作用还是起着阻遏物的作用
取决于细胞的生理状态和不同启动子之间的DNA 序列差别。 功能 转录诱导：增加起始速率 转录阻遏：降低起始速率 诱导转录的转录因子称之激活剂（activators） 阻遏转录的转录因子称之为阻遏物（repressors）。
-5～+21 与启动子的右末端重叠
大肠杆菌能以乳糖为碳源生长，这是由于它能产生一
套利用乳糖的酶，这些酶受乳糖操纵子的控制。
乳糖操纵子是E Coli DNA的一个特定区段，由调节基
因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。 P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。 O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的 转录。
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，还能识别那些 不被分解的半乳糖化合物如IPTG（异丙基-β-D-硫 代半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷 （如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入 细胞内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上 的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
LacZ
No way Jose!
LacY
LacA
Repressor mRNA
Repressor
CAP
The Lac Operon:
Both Glucose and Lactose are Present
Hey man, I’m constitutive Great, I can transcribe!
三、降解物对基因表达的调节 操纵子—负调控 正调控是如何进行的？ 有葡萄糖存在的情况下，在细菌培养基中即 使加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等 诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动， 产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡 萄糖效应或称为降解物抑制作用。
四、细菌的应急反应
紧急状况如aa饥饿，不是缺少一两种氨基 酸，而是氨基酸的全面匮乏。 为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生 一个应急反应，停止几乎全部生物化学反 应过程包括各种RNA、糖、脂肪和蛋白质等 生产。 应急反应信号 鸟苷四磷酸（ppGpp） 鸟苷五磷酸（pppGpp）
一、调控类型
主要发生在转录水平上 根据调控机制的不同分： 负转录调控系统（negative
transcription regulation）
正转录调控系统（positive transcription regulation）
1、负转录调控系统 在负调控中，调节基因产物是阻遏蛋白，起着
阻止结构基因转录的作用。
举例
@ 胰岛β细胞合成胰岛素
二、基因表达是为了适应环境的变化
组成性表达(constitutive expression)：指不大受环境 变动而变化的一类基因表达。
如：看家基因(housekeeping gene)：某些基因表
达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需
要而必不可少的，这类基因可称为~~。
The Lac Operon:
Lactose is Present without Glucose
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! LacZ LacY RNA LacA Pol.

适应性表达(adaptive expression)：指环境的变化容 易使其表达水平变动的一类基因表达。 如：奢侈基因 (Luxury gene):仅在某种特定类型 的细胞中表达的基因。
应环境条件变化基因表达水平增高的现象 称为诱导(induction)，这类基因被称为可 诱导的基因； 反之称为阻遏(repression)，相应的基因 被称为可阻遏的基因。
原核生物基因表达调控
陈 于 和 河北科技师范学院 生命科技学院 chenyuhe65@126.com
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 基因表达调控概述 原核生物基因表达调控总论 原核生物基因表达调控机制 乳糖操纵子 翻译水平的调控 其它类型的调控
第一节 概 述
基因表达(gene expression) 是指储存遗 传信息的基因经过一系列步骤表现出生 物功能的整个过程。
位点Ⅰ：－70 ～－50 强结合位点
包括一个IR 序列
位点Ⅱ：－50 ～ －40 弱结合位点
位点Ⅰ对位点Ⅱ具有协同效应（co-operativity）
（2）位点Ⅱ结合CAP－cAMP复合物后，促使
RNApol进入-35序列，最终与－10序列结合起
始转录。原因：
CAP－cAMP复合物与位点Ⅱ结合 → -35序列 富含G· C区域（G· C岛）稳定性降低 →-10序
×
四、调节方式
诱导可以通过使阻遏物的失活来实现， 也可以通过活化其激活剂来实现。 同样地，阻遏可以通过使激活剂的失活 来实现，也可以通过活化其阻遏物来实现。
阻遏物的失活→诱导
活化其激活剂→诱导
活化其阻遏物→阻遏
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激活剂的失活→阻遏
第三节 原核生物基因表达调控机制