原核生物基因表达调控分析
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Prok. operon stringent response应急反应 attenuator 衰减子
1、Operon control
(1961 Jacob. & Monod.)
1）、 operon concept
●定义：是基因表达的协调单位，由启动子、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。 操纵基因受调节基因产物的控制。 • 例如：
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是
在β -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因 此，需要有β -半乳糖甘酶的预先存在。
解释：
本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量 的lac mRNA合成。
2、葡萄糖对lac操纵子的影响
如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操
纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡
遗传信息的两大类别
I类；DNA seq. RNA seq. (codonBiblioteka Baidu aa seq. protein phenotype（性状）
II类；特定DNA seq. + 特定蛋白质/ 核酸结合
基因表达的指令
gene on / off
7、调控的关键是调控基因编码蛋白质与与DNA 上的特 异位点（顺式反应位点）的结合来调控靶基因的转录。 调控基因在DNA上的位点一般位于所调控基因的上游。 这种相互作用可以通过两种方式进行： 正(Positive) 转录调控：如果在没有调节蛋白质存在 时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因被转录表 达，这样的调控是正转录调控。该调节蛋白称为激活蛋 白。
组成型突变： iC
不可诱导突变（超阻遏）：
两个问题： 1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： ①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运 诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖（β1，4糖苷键）水
解成葡萄糖和半乳糖
Y编码β-半乳糖苷透过酶：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。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：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。
O gene (operator) cis-action factor
I
例 (分解酶类 lactose operon)
例如：在Lactose operon中
I gene active repressor
38 kd / monomer
tetramer 152 kd
binding on Operator
大肠杆菌乳糖操纵子的结构：
Lac. Operon structure
5、原核生物和真核生物的基因的组织形式差异很 大，细菌的功能相关的结构基因一般成簇(Cluster) 排列，而真核生物的基因则是独立存在。
原核成簇排列的结构基因能受单一启动子共同控 制：结果使整套基因或者表达或者都不表达。
6、 生物遗传信息的概念
10%; 结构基因的编码序列 triplet codon Genome DNA 90%; 重复，间隔，调节序列… 作用：基因选择性表达指令； 重要的遗传信息。
负(Negative) 转录调控：在没有调节蛋白质存在时基 因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被 关闭，这样的调控称为负转录调控。该调节蛋白称为阻 遏蛋白。
8、 遗传信息表达的方式
• 组成型表达（constitutive expression） Housekeeping gene
• 适应性表达(adaptive expression）
• Co-repressor ( tryptophan )
●
Signal molecular be needed for both types Add signal mol. Operon on (inducible operon)
Inducer （诱导物）
Add signal mol. Operon off (repressible operon)
在细菌中，一个mRNA的合成和它的翻译基本上是 同时进行的。翻译通常在其起始和终止阶段进行调控。 3、为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因， 又使用结构基因(Structural gene)和调控基因 (Regulator gene) 的概念。 结构基因是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因 编码大量结构和功能各异的蛋白质，包括结构蛋白、 具有催化活性的酶和调控蛋白。 调控基因：是编码调控蛋白的结构基因，该蛋白可 以调控其它基因的表达。
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基 因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
Luxury gene
1）、组成性表达：
指其表达几乎不受环境变动而变化的一类基因。该 类型基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。
2）、适应性表达：
指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 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(inducible gene)。 如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它，这种 物质就是诱导物。（分解代谢）
激活蛋白
●
激活转录启动
Operon off
意味转录效率极低
Negative control 一般是原核生物利用的调控方式，是 一种广泛保险的机制，使原核生物更好的适应外界营养 条件的变化。
●
Positive control 一般是真核生物喜欢利用的调控 方式。是一种灵活，严格，经济的调控机制
●
3）、Model
作用于 O 位点上的repressor 变构 脱离O位
作用于游离的repressor 变构 失去结合于O位的能力
调控机理
调控机理
w.t. (I+ O+ P+) 诱导型
add inducer operon on
no inducer operon off OC mut. (I+ OC P+) constitutive mut. （组成型） OC失去与repressor特异结合的能力
在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的
空间特异性。
空间特异性实际上是由细胞在器官的分布 决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异 性(cell or tissue specificity)。
二、 基因表达调控的理论与模式
一）、 transcriptional level control
O & P overlap repressor & RNA polymerase bind mRNA startpoint
at sites that overlap around the start point of Lac operon unwinding
RNA polymerase binding Repressor binding
8、基因表达的规律
——时间性和空间性
1）、时间特异性（temporal specificity）
按功能需要，某一特定基因的表达严格按
特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间
特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶
段特异性(stage specificity)。
2、空间特异性(spatial specificity)
2、 基因表达的调控的方式：
transcriptional level（转录水平）； post—transcriptional level（转录后水平）； translational level（翻译水平）； post—translational level （翻译后水平）。
转录水平的调控主要发生在起始时期。通常不在转 录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控。
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的
三种酶。
该现象称为葡萄糖效应
其原因是代谢物阻遏效应。
B、 Negative—repressible operon (合成酶类)
• tryptophan synthease operon
• 色氨酸是一系列酶促反应的终产物
• R gene inactive repressor
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
iC gene产物repressor丧失与O位点结合的能力 iS mut. (iS O+P+) super-repression mut. (超阻型) iS gene 产物repessor 不能与inducer结合
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
2）、 operon control type
Negative & Positive
（阻遏蛋白）
• I gene
repressor expressor (apoinducer)
（激活蛋白）无辅基诱导物
Negative Positive
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（阻遏蛋白）
Lac operon I p o Z Y A
• 特点：
● ● ●
各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) P & O基因(cis)紧密连锁 或 彼此重叠
I 基因(trans) 位点不固定，编码一种反式作用因子，可以 调控Z、Y、A结构基因的表达。含自己的启动子和终止子。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
负控阻遏调节
正控诱导调节
正控转录 调控系统
调节基因的产物是 激活蛋白 （activator）。
效应物分子（诱导物） 的存在使失去活性的激 活蛋白处于活性状态；
正控阻遏调节
效应物分子（辅阻遏物） 的存在使有活性的激活 蛋白处于非活性状态。
Operon control model
A、 Negative—inducible operon
repressor & RNA polymerase 对重叠位点竞争
---调控机理
无诱导剂时：repessor tetramer与operator发生特异结合 当培养基中有诱导剂时： Inducer (lactose) 与repressor 特异结合 tetramer 变构 特异结合力下降1000X operon on operon off
4、顺式作用(cis-acting)元件：指不转变为其它任 何形式，只在原位发挥调控作用，仅影响与其在物理 上相连的基因表达的一段DNA序列。 顺式作用元件通常和启动子并列或散布在其周围。 经常与启动子相邻的一个顺式作用位点称为操纵基 因(Operator)，它是调控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白 的靶位点。 当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就 会阻止（或激活）RNA 聚合酶启动转录，操纵基因下 游的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。
1、Operon control
(1961 Jacob. & Monod.)
1）、 operon concept
●定义：是基因表达的协调单位，由启动子、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。 操纵基因受调节基因产物的控制。 • 例如：
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是
在β -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因 此，需要有β -半乳糖甘酶的预先存在。
解释：
本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量 的lac mRNA合成。
2、葡萄糖对lac操纵子的影响
如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操
纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡
遗传信息的两大类别
I类；DNA seq. RNA seq. (codonBiblioteka Baidu aa seq. protein phenotype（性状）
II类；特定DNA seq. + 特定蛋白质/ 核酸结合
基因表达的指令
gene on / off
7、调控的关键是调控基因编码蛋白质与与DNA 上的特 异位点（顺式反应位点）的结合来调控靶基因的转录。 调控基因在DNA上的位点一般位于所调控基因的上游。 这种相互作用可以通过两种方式进行： 正(Positive) 转录调控：如果在没有调节蛋白质存在 时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因被转录表 达，这样的调控是正转录调控。该调节蛋白称为激活蛋 白。
组成型突变： iC
不可诱导突变（超阻遏）：
两个问题： 1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： ①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运 诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖（β1，4糖苷键）水
解成葡萄糖和半乳糖
Y编码β-半乳糖苷透过酶：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。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：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。
O gene (operator) cis-action factor
I
例 (分解酶类 lactose operon)
例如：在Lactose operon中
I gene active repressor
38 kd / monomer
tetramer 152 kd
binding on Operator
大肠杆菌乳糖操纵子的结构：
Lac. Operon structure
5、原核生物和真核生物的基因的组织形式差异很 大，细菌的功能相关的结构基因一般成簇(Cluster) 排列，而真核生物的基因则是独立存在。
原核成簇排列的结构基因能受单一启动子共同控 制：结果使整套基因或者表达或者都不表达。
6、 生物遗传信息的概念
10%; 结构基因的编码序列 triplet codon Genome DNA 90%; 重复，间隔，调节序列… 作用：基因选择性表达指令； 重要的遗传信息。
负(Negative) 转录调控：在没有调节蛋白质存在时基 因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被 关闭，这样的调控称为负转录调控。该调节蛋白称为阻 遏蛋白。
8、 遗传信息表达的方式
• 组成型表达（constitutive expression） Housekeeping gene
• 适应性表达(adaptive expression）
• Co-repressor ( tryptophan )
●
Signal molecular be needed for both types Add signal mol. Operon on (inducible operon)
Inducer （诱导物）
Add signal mol. Operon off (repressible operon)
在细菌中，一个mRNA的合成和它的翻译基本上是 同时进行的。翻译通常在其起始和终止阶段进行调控。 3、为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因， 又使用结构基因(Structural gene)和调控基因 (Regulator gene) 的概念。 结构基因是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因 编码大量结构和功能各异的蛋白质，包括结构蛋白、 具有催化活性的酶和调控蛋白。 调控基因：是编码调控蛋白的结构基因，该蛋白可 以调控其它基因的表达。
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基 因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
Luxury gene
1）、组成性表达：
指其表达几乎不受环境变动而变化的一类基因。该 类型基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。
2）、适应性表达：
指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 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(inducible gene)。 如果某种物质能够促使细菌产生某种酶来分解它，这种 物质就是诱导物。（分解代谢）
激活蛋白
●
激活转录启动
Operon off
意味转录效率极低
Negative control 一般是原核生物利用的调控方式，是 一种广泛保险的机制，使原核生物更好的适应外界营养 条件的变化。
●
Positive control 一般是真核生物喜欢利用的调控 方式。是一种灵活，严格，经济的调控机制
●
3）、Model
作用于 O 位点上的repressor 变构 脱离O位
作用于游离的repressor 变构 失去结合于O位的能力
调控机理
调控机理
w.t. (I+ O+ P+) 诱导型
add inducer operon on
no inducer operon off OC mut. (I+ OC P+) constitutive mut. （组成型） OC失去与repressor特异结合的能力
在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的
空间特异性。
空间特异性实际上是由细胞在器官的分布 决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异 性(cell or tissue specificity)。
二、 基因表达调控的理论与模式
一）、 transcriptional level control
O & P overlap repressor & RNA polymerase bind mRNA startpoint
at sites that overlap around the start point of Lac operon unwinding
RNA polymerase binding Repressor binding
8、基因表达的规律
——时间性和空间性
1）、时间特异性（temporal specificity）
按功能需要，某一特定基因的表达严格按
特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间
特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶
段特异性(stage specificity)。
2、空间特异性(spatial specificity)
2、 基因表达的调控的方式：
transcriptional level（转录水平）； post—transcriptional level（转录后水平）； translational level（翻译水平）； post—translational level （翻译后水平）。
转录水平的调控主要发生在起始时期。通常不在转 录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控。
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的
三种酶。
该现象称为葡萄糖效应
其原因是代谢物阻遏效应。
B、 Negative—repressible operon (合成酶类)
• tryptophan synthease operon
• 色氨酸是一系列酶促反应的终产物
• R gene inactive repressor
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
iC gene产物repressor丧失与O位点结合的能力 iS mut. (iS O+P+) super-repression mut. (超阻型) iS gene 产物repessor 不能与inducer结合
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
2）、 operon control type
Negative & Positive
（阻遏蛋白）
• I gene
repressor expressor (apoinducer)
（激活蛋白）无辅基诱导物
Negative Positive
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（阻遏蛋白）
Lac operon I p o Z Y A
• 特点：
● ● ●
各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) P & O基因(cis)紧密连锁 或 彼此重叠
I 基因(trans) 位点不固定，编码一种反式作用因子，可以 调控Z、Y、A结构基因的表达。含自己的启动子和终止子。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
负控阻遏调节
正控诱导调节
正控转录 调控系统
调节基因的产物是 激活蛋白 （activator）。
效应物分子（诱导物） 的存在使失去活性的激 活蛋白处于活性状态；
正控阻遏调节
效应物分子（辅阻遏物） 的存在使有活性的激活 蛋白处于非活性状态。
Operon control model
A、 Negative—inducible operon
repressor & RNA polymerase 对重叠位点竞争
---调控机理
无诱导剂时：repessor tetramer与operator发生特异结合 当培养基中有诱导剂时： Inducer (lactose) 与repressor 特异结合 tetramer 变构 特异结合力下降1000X operon on operon off
4、顺式作用(cis-acting)元件：指不转变为其它任 何形式，只在原位发挥调控作用，仅影响与其在物理 上相连的基因表达的一段DNA序列。 顺式作用元件通常和启动子并列或散布在其周围。 经常与启动子相邻的一个顺式作用位点称为操纵基 因(Operator)，它是调控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白 的靶位点。 当阻遏蛋白（或激活蛋白）和操纵基因结合时，就 会阻止（或激活）RNA 聚合酶启动转录，操纵基因下 游的结构基因表达会因此被关闭（或开放）。