原核基因表达调控资料讲解
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➢ 与cAMP有关：
➢ 解除阻遏蛋白的作用
➢ CAP-cAMP复合物的激活作 用
CAP+cAMP
葡萄糖
乳糖操纵子
cAMP
导致结构基因转录(正调控)
Lac操纵子（-）
❖ cAMP 在原核生物中的作用
（饥饿信号）
❖ CAP(分解物基因激活物蛋白):
• 有二个相同亚基的蛋白质
• 一个与DNA结合的domain
源自文库
DNA
β
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
酶
RNA聚合酶
半乙
乳酰
糖 苷 透 过 酶
基 转 移 酶
结合位点
12
（二）Lac阻遏物的作用---负调控
Lac阻遏物 由基因I编码生成的蛋白质 结构特点 具有四级结构的蛋白质
具有4个相同亚基 每个亚基中都有一与诱导剂结合的
位点 Lac阻遏物与O基因结合： 调控机制 结构基因关闭 （负调控） Lac阻遏物与诱导剂结合：
串联排列组成的一个基因表达的协同单位 （DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6） +启动序列+操纵序列+(其他调节序列)
9
乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时：
与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭
4
基因表达的调控方式: 阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)
6
第一节 原核生物基因表达的调控
7
8
一、乳糖操纵子(lactose operon)
操纵子（operon）：
原核生物中几个功能相关的结构基因成簇
10
细菌对乳糖的利用及其相关的酶:
β
乳糖 (在透过酶作用下进入细菌）
半 乳
β半乳糖苷酶
糖 苷
（细菌中少量存在）
酶
异构乳糖
（ 细
β半乳糖苷酶
菌 中
（细菌中少量存在）
少
葡萄糖+半乳糖
量
存
在 ）
转乙酰基酶
11
（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Ya
产生“衰减子转录产物”（mRNA) ，
转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。
24
转录终止结构 前导肽
图15-6
25
The leader RNA and leader peptide of the
trp operon
26
High Trp Low Trp
Complementary 3:4 termination of transcription
不与O基因结合，结构基因开放 RNA聚合酶结合，转录开始
13
Lac操纵子诱导剂
生理性诱导剂 实验常用诱导剂
别位乳糖
异丙基硫代半乳糖 （IPTG）
14
乳糖操纵子的负调控
I
O
O
ρ
图15-4
诱导剂
15
可诱导调节
一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状 态，即在某些物质的诱导下使基因活化
条件2:
Lac 阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用
条件1: 低葡萄糖
高cAMP 高乳糖
Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。
OO 低乳糖
条件3: OO
低乳糖
图15-5
条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖
O
Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。
一个与cAMP结合的domain
18
乳糖操纵子（lactose opron） 结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Ya
DNA
β
阻 遏 蛋 白
cAMPCAP结合
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
RNA聚合酶 酶
结合位点
通乙 透酰 酶基
转 移 酶
位点
19
CAP- cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用---正调控
28
低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应
核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子）
片段2，3 形成发夹结构
Complementary 2:3 Elongation of transcription
27
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列
RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物
转录、翻译偶联,产生前导肽
调控基因
结构基因
trpR
催化分支酸转变为色氨酸 的酶
22
阻遏物对色氨酸操纵子的负调控
➢ 阻遏物 + Trp 结合操纵基因 相同二个 共阻遏物 亚基组成 的蛋白质 ➢ 高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因 ➢ 低Trp时：阻遏物 不结合操纵基因
23
2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控
➢ 衰减子 （attenuator）---DNA ❖ 位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp。 ❖ 通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。 ❖ 高Trp 时：衰减子起作用，终止转录。
基因表达的调控
基因表达 是指贮存在DNA序列中的遗传信息经过一
系列步骤表现出其生物学功能的过程 永久型和调节型表达
2
基因表达=基因转录+翻译
3
基因表达调控（regulation of gene expression）： 对基因表达过程各层次的调节
转录水平（transcriptional level） 转录后水平（post-transcriptional level ） 翻译水平（translation level） 翻译后水平（post-translation level）
20
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子）
环境条件的变化是相关 ➢ 葡萄糖、乳糖浓度的
基因表达的外界信号
变化
基因表达 的负调控 ➢ Lac阻遏物与操纵基因
基因表达 的正调控 正、负调控协同表达
➢ cAMP+CAP与相应的 DNA序列
21
二、色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控
16
（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表 达中
的作用----乳糖操纵子的正调控
低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时： ❖ Lac 阻遏蛋白不封闭转录, ❖ CAP+ cAMP 加强转录。
17
葡萄糖存在时：
只有乳糖存在时：
➢ 优先利用葡萄糖作为能源。 ➢ 只能利用乳糖
➢ 与阻遏蛋白的存在有关 --乳糖操纵子的负调控
➢ 解除阻遏蛋白的作用
➢ CAP-cAMP复合物的激活作 用
CAP+cAMP
葡萄糖
乳糖操纵子
cAMP
导致结构基因转录(正调控)
Lac操纵子（-）
❖ cAMP 在原核生物中的作用
（饥饿信号）
❖ CAP(分解物基因激活物蛋白):
• 有二个相同亚基的蛋白质
• 一个与DNA结合的domain
源自文库
DNA
β
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
酶
RNA聚合酶
半乙
乳酰
糖 苷 透 过 酶
基 转 移 酶
结合位点
12
（二）Lac阻遏物的作用---负调控
Lac阻遏物 由基因I编码生成的蛋白质 结构特点 具有四级结构的蛋白质
具有4个相同亚基 每个亚基中都有一与诱导剂结合的
位点 Lac阻遏物与O基因结合： 调控机制 结构基因关闭 （负调控） Lac阻遏物与诱导剂结合：
串联排列组成的一个基因表达的协同单位 （DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6） +启动序列+操纵序列+(其他调节序列)
9
乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时：
与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭
4
基因表达的调控方式: 阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)
6
第一节 原核生物基因表达的调控
7
8
一、乳糖操纵子(lactose operon)
操纵子（operon）：
原核生物中几个功能相关的结构基因成簇
10
细菌对乳糖的利用及其相关的酶:
β
乳糖 (在透过酶作用下进入细菌）
半 乳
β半乳糖苷酶
糖 苷
（细菌中少量存在）
酶
异构乳糖
（ 细
β半乳糖苷酶
菌 中
（细菌中少量存在）
少
葡萄糖+半乳糖
量
存
在 ）
转乙酰基酶
11
（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Ya
产生“衰减子转录产物”（mRNA) ，
转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。
24
转录终止结构 前导肽
图15-6
25
The leader RNA and leader peptide of the
trp operon
26
High Trp Low Trp
Complementary 3:4 termination of transcription
不与O基因结合，结构基因开放 RNA聚合酶结合，转录开始
13
Lac操纵子诱导剂
生理性诱导剂 实验常用诱导剂
别位乳糖
异丙基硫代半乳糖 （IPTG）
14
乳糖操纵子的负调控
I
O
O
ρ
图15-4
诱导剂
15
可诱导调节
一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状 态，即在某些物质的诱导下使基因活化
条件2:
Lac 阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用
条件1: 低葡萄糖
高cAMP 高乳糖
Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。
OO 低乳糖
条件3: OO
低乳糖
图15-5
条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖
O
Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。
一个与cAMP结合的domain
18
乳糖操纵子（lactose opron） 结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Ya
DNA
β
阻 遏 蛋 白
cAMPCAP结合
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
RNA聚合酶 酶
结合位点
通乙 透酰 酶基
转 移 酶
位点
19
CAP- cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用---正调控
28
低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应
核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子）
片段2，3 形成发夹结构
Complementary 2:3 Elongation of transcription
27
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列
RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物
转录、翻译偶联,产生前导肽
调控基因
结构基因
trpR
催化分支酸转变为色氨酸 的酶
22
阻遏物对色氨酸操纵子的负调控
➢ 阻遏物 + Trp 结合操纵基因 相同二个 共阻遏物 亚基组成 的蛋白质 ➢ 高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因 ➢ 低Trp时：阻遏物 不结合操纵基因
23
2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控
➢ 衰减子 （attenuator）---DNA ❖ 位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp。 ❖ 通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。 ❖ 高Trp 时：衰减子起作用，终止转录。
基因表达的调控
基因表达 是指贮存在DNA序列中的遗传信息经过一
系列步骤表现出其生物学功能的过程 永久型和调节型表达
2
基因表达=基因转录+翻译
3
基因表达调控（regulation of gene expression）： 对基因表达过程各层次的调节
转录水平（transcriptional level） 转录后水平（post-transcriptional level ） 翻译水平（translation level） 翻译后水平（post-translation level）
20
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子）
环境条件的变化是相关 ➢ 葡萄糖、乳糖浓度的
基因表达的外界信号
变化
基因表达 的负调控 ➢ Lac阻遏物与操纵基因
基因表达 的正调控 正、负调控协同表达
➢ cAMP+CAP与相应的 DNA序列
21
二、色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控
16
（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表 达中
的作用----乳糖操纵子的正调控
低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时： ❖ Lac 阻遏蛋白不封闭转录, ❖ CAP+ cAMP 加强转录。
17
葡萄糖存在时：
只有乳糖存在时：
➢ 优先利用葡萄糖作为能源。 ➢ 只能利用乳糖
➢ 与阻遏蛋白的存在有关 --乳糖操纵子的负调控