原核生物基因表达调控

• ④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合 成。
• 2）lac体系受调控的证据
• 在不含乳糖的培养基中，每个大肠杆菌细胞内大约只有1-2个利用乳糖的酶分子。如果在培养基中加入 乳糖，利用乳糖的酶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。
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶 对转录起始位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量不同,功能不同的其他σ因 子。
在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异编码基因的转录激活， 也决定不同RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的转录。σ亚基在转录延长时脱落。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导
Ｐ
Ｏ
• 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：
•
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。
② 这个mRNA分子的启动子紧接着操纵基因（O区），而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独
启动下游mRNA分子的转录。
③ 操纵基因（Ｏ区）是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。
在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合 位点（CAP binding site）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高 50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵元的结构基因 表达下降。
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
不转录，基因封闭
4）激活蛋白和阻遏蛋白
激活蛋白（activator)，在正调控系统中，调节蛋白称诱导蛋白或激活蛋白。和操纵基因 结合后引起基因表达开放。
阻遏蛋白（repressor), 是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白。和操纵基因结合后引 起基因表达关闭。
二、DNA水平调控 1. 细菌DNA重排对基因表达的影响
➢ 细胞内cAMP与CRP/CAP（环腺苷酸受体蛋白/代谢物激活蛋白，由Ｃrp基因编码）形成的复合物 是启动lac转录的必要条件。
➢葡萄糖的存在降低了细胞内cAMP的含量，所以葡萄糖存在时，不能形成复合物，从而抑制乳糖代 谢操纵子的表达。
➢lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利 用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖
原核生物基因表达调控
1.基因表达调控的生物学意义
– 适应环境、维持生长和增殖 – 维持个体发育与分化
2.原核基因表达调控的特点
1）原核生物基因表达调控包括在DNA水平、转录水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平的调节 是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式。 2）原核生物基因的表达调控多以操纵子为单位进行，即：将功能相关的基因组织在一起，同时开启或 关闭基因表达。 3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调控，原核生物以负调控为主。
2. 操纵子：是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，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。
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功能 加以研究。
Ｐ
Ｏ
3.乳糖操纵子 1) 乳糖操纵子的结构
启动子
操纵基因
• CAP是cAMP受体蛋白（ cAMP receptor protein, CRP),其分子内有DNA结合区及cAMP结合位 点，是一个正调控因子，生化和遗传学实验证明，CAP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子 的转录。
• 在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。cAMP下降，CAP无活性不能与控制区结合， RNA聚合酶就不能启动转录。
X CAP
The Lac Operon: II. 乳糖存在，葡萄糖不存在
Repressor
CAP Bindin
CAgP
cAMP
PRroNmAoter Pol.
Operator X
Repressor mRNA
LacZ Repressor
Repressor
LacY
LacARPNolA.
CAP cAMP
DNA
h i n P 2 H 2 阻 遏 基 因 P 1 H 1
H2鞭毛素
Hin重组酶
阻遏蛋白
i h n 2 P
H 2 阻 遏 基 因 P 1 H 1
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基因的调节
H1鞭毛素
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
2. σ 因子对原核生物转录起始的调控
• 协调调节(coordinate regulation) 负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
cAMP
PrRoPmNoloA.ter
Operator Repressor
LacZ
LacY
LacA
CAP cAMP
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖不存在，阻遏蛋白与操纵基因结合， cAMP+CAP与CAP位点结合，基因不转 录
cAMP参与的正调节作用机制
➢ Plac是弱启动子，仅由乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖， 必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
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 控负转录调控。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，可以用实验方法 进行研究，因此选为突破口，终于通过大量实验及分析，于1961年建立了该操纵子的控制模型。
酶的诱导
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、经济地利用有限资源的本能。 • 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
3.原核基因表达调控的几个概念
1）顺式作用元件和反式作用因子
➢基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作 用（trans-acting），此基因表达产物被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。反式 作用因子通常为的蛋白质或RNA。 ➢顺式作用（cis-acting）:任一不转变为任何其他形式的DNA序列在原位发挥作用，影响与其 相连的其它DNA序列的活性。
• 顺式作用元件（cis-acting factor）：指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只 影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白质，多位于 基因旁侧或内含子中。如：位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子，都是典 型的顺式作用元件。
• 基因活性的调控主要通过反式作用因子和顺式作用元件相互作用而实现。
调节蛋白 （阻遏蛋白）
结构基因
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能将乳糖转变为异构乳糖 • 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。
Repressor
Repressor
LacY
LacA
X CAP
Repressor 葡萄糖存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活， cAMP缺乏，不与CAP结合，基因不转录
The Lac Operon: IV. 乳糖不存在，葡萄糖也不存在
Repressor
Repressor mRNA
CAP Bindin
CAgP
• 由底物诱导合成利用该底物的酶，这种现象称为酶的诱导。
同位素示踪实验 把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后
再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中随着培养基中诱导物的加 入，β-半乳糖苷酶便开始合成。分离β-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记说明酶的合成不是 由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。
The Lac Operon: I. 葡萄糖存在，乳糖不存在
Repressor
CAP Bindin
PrRomNoAter
Operator
g
Pol. Repressor
LacZ
Repressor mRNA
Fra Baidu bibliotek
LacY
LacA
Repressor 葡萄糖存在，乳糖不存在，阻遏蛋白与操纵基因结合，基因不转录
• 在E.coli，不同类型的启动子需要不同类型的σ因子
σ32 调控热休克基因 （heat shock genes） σ54/60 调控氮代谢基因 σF 调控鞭毛基因 σ43 调控噬菌体基因枯草杆菌 (B.subtilis)
三.操纵子对基因表达的调控
1.操纵子学说 （theory of operon) 1961年，法国巴斯德研究院的 Francois Jacob（雅各布） 与Jacques Monod（莫洛）提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor mRNA
物由于能在细胞内保持原型不变，因此很有用处。 IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒 载体的细菌中的重组蛋白的表达。
4）乳糖操纵子的正调控
➢ 当大肠杆菌以乳糖为唯一碳原时，lac操纵子可被乳糖诱导而表达，可是在培养基中同时加入葡萄糖时， 细菌优先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗尽时，乳糖才能诱导基因的表达，这种现象称为分解物阻遏/代谢 物阻遏（catabolite repression);
3）乳糖操纵子可诱导的负调节机制
• 无乳糖: lac操纵子处于阻遏状态(repression) • 有乳糖: lac操纵子即可被诱导
诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG （异丙基硫代半乳糖苷）
当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。
• 经诱导后，RNA聚合酶首先与启动区(P)结合，通过操纵区(O)向右转录。 转录从O区的中间开始， 按Z→Y→A方向进行，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。
2）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
➢ 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。
原因：
• 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时，葡萄糖可降低细菌体内cAMP的水平。
• 在细菌中，cAMP与CAP（catabolite activator protein）结合形成二元复合物共同发挥作用。只 有cAMP存在时，CAP才有活性。