第七章 基因的表达调控(上)

阻遏蛋白
激活蛋白
转录激活
转录抑制
负控诱导
负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
• 大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子，基 因组序列分析后发现存在6种σ因子，并根据其相对分子质 量的大小或编码基因进行命名，其中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。
1.2 原核基因调控的主要特点：
2.2.2 大肠杆菌对乳糖的反应
• 在以甘油为碳源的培养基中 • 加乳糖以前， lac 操纵子本底水 平表达 • 加乳糖后，阻遏物失活， mRNA大量表达 • 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大 于异构乳糖，阻遏状态重新形 成，mRNA水平下降。 • β- 半乳糖苷酶半衰期长，其活 性下降滞后。
2.2.3 阻遏物lacI基因产物及功能
2.2.4 葡萄糖对lac操纵子影响
• β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及 半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌 在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。
• 某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步 代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合 成 。 所 以 ， 不 是 葡 萄 糖 而 是 它 的 某 些 降 解 产 物 抑 制 lac mRNA 的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物
转运酶的合成又需要诱导。 – 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是异构乳糖，而后 者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
• 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和 β-半乳糖苷酶仍有 本底水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密，偶尔会掉下， 使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。
丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸
操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧
啶合成操纵子等等。
1.4 降解物对基因活性的调节
• 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、 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，不会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。 • 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的， 是一种积极的调节方式。
影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个β-半乳糖苷酶，
但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的 量可高达几万个分子。
细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下
规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这 种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建立的， 也就是说mRNA的合成是可以被调节的。实际上，当我 们说一个系统处于“off ”状态时，也可能有本底水平
• 基因表达调控主要表现在以下二方面：
– 转录水平上的调控 – 转录后水平上的调控： • mRNA加工成熟水平调控 • 翻译水平调控
• 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控
– 原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。 – 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表 达调控的最主要手段，营养和环境2 个
mRNA分子和极少量的蛋白质分子。为了方便，我们常 常使用“off ”这一术语，但必须明白所谓“关”实际 的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。
• 本章主要内容：
1、原核基因表达调控总论
2、乳糖操纵子与负控诱导系统
3、色氨酸操纵子与负控阻遏系统 4、其他操纵子 5、转录水平上其它调控 6、转录后调控
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培 养基中加入乳糖 1 ～ 2 分钟后，编码 β- 半乳糖苷酶和透过酶 的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
• 实 验 室 常 用 两 种 乳 糖 类 似 物 —— 异 丙 基 巯 基 半 乳 糖 苷
（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常
• 在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、
RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的
相互作用。 • 转录与翻译的特点：
– 细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转 录与翻译相耦联。 – 真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被 核糖体翻译成蛋白质。
1.1 原核基因调控分类
2、乳糖操纵子
• 1961 年， Jacob 和 Monod 提出了操纵子模型，这是与特殊 代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。 • 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
– 结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的 生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。 – 调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。 – 调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调 控操纵基因序列。
2.1
酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 一般情况下， lac+ 基因型大肠杆菌细胞内 β- 半乳糖苷酶和
透过酶的浓度很低，每个细胞只有1～2个酶分子。但是，
在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的 6% 或 7%，超过105个酶分子lac mRNA/细胞。 • 在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+ 细菌中将同时合成 β半乳糖苷酶和透过酶。
• 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机 制的不同可分为负转录调控和正转录调控。
– 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。根 据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。
– 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也 可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。
1.3 弱化子对基因活性的影响
• 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰 tRNA 的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰 -tRNA 的浓度。 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DNA序列被称为弱化子。
• 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯
• lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的， 该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸 残基，并能与1分子IPTG 结合 , 每个细胞中有 5 ～ 10 个阻遏物分子。 lacI 基因由弱启动子变为 强启动子，细胞内将不可 能产生足够的诱导物来克 服阻遏状态，整个lac操纵 子在这些突变体中将不可 诱导。
• 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导 和可阻遏两大类:
– 可诱导调节。是指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。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。 – 可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工 作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏 了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。
1、原核基因表达调控总论
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所 承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成 蛋白质，执行各种生理生化功能。
科学家把从 DNA 到蛋白质的过程称为基因表达
（gene expression），对这个过程的调节就称为基因
表达调控（gene regulation，gene control）。 基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
• 大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由 Crp 基因编码，能与 cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lac mRNA所必 需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而 lac 操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下 实现的。
• 半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转
化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢 中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为降解物敏 感型操纵子，由cAMP-CRP调控。
• cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始
所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使 DNA 双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子 -RNA聚 合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结 构，从而抑制RNA聚合酶的功能。
– 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 葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。 – 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上的乙酰基转移到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
– 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空 载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。 – ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。 ppGpp 影 响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。 – ppGpp 与 pppGpp 的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而 被称为超级调控因子。
的机制。
每个大肠杆菌细胞有约15000个核糖体，50种核糖体蛋 白、糖酵解体系的酶、 DNA 聚合酶、 RNA 聚合酶等都是代 谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影 响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白
质。
另 一 类 则 被 称 为 适 应 型 或 调 节 型 （ adaptive or regulated ），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的
第七章
基因的表达与调控（上）
——原核基因表达调控模式
自然选择倾向于保留高效率的生命过程。
原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫 测的环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件 的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环