原核生物基因表达

图11-2 鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
11.3 转录水平的调控
11.3.1 转录起始阶段的调控
11.3.1 不同 因子的选择性使用
原核生物识别启动子序列的是 因子，不同的 因子
可识别不同的启动子序列。大肠杆菌主要使用 70 。在特 殊条件下其他类型的 因子被表达或激活，启动其他基因
的表达。
热激条件使 70失活，同时增强rpoH基因的表达； rpoH基因的产物—— 32 与RNA聚合酶核心酶组装成全
图11-1 正调控与负调控模式的比较
许多调节蛋白属于别构蛋白，细胞中某些特定的物 质能与它们结合，使调节蛋白的构象发生变化，从而改 变它们与操纵基因的结合活性，影响到基因转录的活性， 这些特定物质统称为别构效应物。不论是激活蛋白，还 是阻遏蛋白，其活性都可能受到别构效应物的影响。
原核生物更倾向于使用负调控，真核生物更倾向于 使用正调控。
指能被调节蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子 相邻或重叠，当调节蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游 基因的转录。
(4) 调节基因 调节基因编码能与操纵基因结合的调节蛋白。
11.3.1.2.2 操纵子的类型
诱导型操纵子：一般控制与分解代谢有关酶的表达，需要 诱导物与阻遏蛋白结合或诱导物与激活蛋白结合，如乳糖操纵 子、麦芽糖操纵子。
酶，与热激基因的启动子结合，启动Hsp的表达。
ຫໍສະໝຸດ Baidu 图11-3 σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控
图11-4 σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系
11.3.1.2 操纵子调控模型
操纵子(operon)是原核生物基因表达和调控最重要的形式。
11.3.1.2.1 操纵子的基本结构
(1) 启动子 (2) 结构基因 (3) 操纵区(operator)
原核生物的DNA基本上是裸露的，它们的基因表达默 认状态是开放的，调节基因表达的主要方式是改变默认 状态——即负调控。
真核生物的DNA与大量蛋白结合形成复合物，是基因 表达的一种天然障碍，它们的基因表达默认状态是关闭 的，调节基因表达的主要方式是激活——即正调控。
11.2 DNA水平的调控
11.2.1 启动子序列对基因表达的调控
原核生物基因表达的调控主要是在转录水平，以便 能更加便捷和有效地调节细胞内一种蛋白质的水平。
11.1 基因表达调控的两种方式
基因表达的调控可分为两种： 正调控(positive regulation):调控蛋白使靶基因的表达水 平上升。正调控中的调控蛋白称为激活蛋白(activator)。 负调控(negative regulation):调控蛋白使靶基因的表达水 平下降，甚至关闭。负调控中的调控蛋白称为阻遏蛋白 (repressor)。
诱导物-阻遏 蛋白复合物
安慰诱导物 (gratuitous inducer)：能高效诱导酶的 合成但不被所诱导的酶分解的分子。 如：IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)
图11-5 β-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应
启动子(lac P)
操纵基因
（lac O）
结构基因
调控基因
P Lac I
PO Z
Y
A
阻遏 蛋白
β半乳糖苷酶
催化β-半乳 糖苷水解
β半乳糖苷 透性酶 β半乳糖苷 乙酰转移酶
将β-半乳糖苷转 入细胞
将乙酰CoA的乙 酰基转移到β-半
乳糖苷上
乳糖操纵子的负调控
可诱导的负调控
RNA pol 操纵基因
（lac O）
结构基因
调控基因
P Lac I
PO Z
Y
A
阻遏 蛋白
阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录。 阻遏蛋白缺乏或无活性时， Lac操纵子的基因 开启。
调控基因
P Lac I
操纵基因
（lac O）
结构基因
PO Z
Y
A
阻遏 蛋白
mRNA
诱导物
诱 导 物 ( 如 乳 糖 、 IPTG) 存 在 时 ， 与 阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使 其不能与LacO结合，基因开始转录。
管家基因：始终或经常性开启的基因,是维持细胞基 本生命活动所必须的，如编码组成型蛋白的基因。
奢侈基因：指编码组织特异性蛋白的基因，对细胞 分化有重要影响，如大肠杆菌被乳糖诱导的基因等。
原核生物是单细胞生物，需要随时根据环境条件变 化调整自身基因的表达。原核生物细胞中没有形成细胞 器，基因转录与翻译同时发生，mRNA半衰期极短，在几 分钟内就被降解，因此一种mRNA必须持续转录才能维持 蛋白质的合成。
阻遏型操纵子：通常控制与合成代谢有关的基因表达，需 要辅阻遏物与阻遏蛋白解离或辅阻遏物与激活蛋白的解离，如 色氨酸操纵子、组氨酸操纵子。
11.3.1.2.3 乳糖操纵子
1940年， Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上 生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在 糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲 线”。 Jacob和Monod提出操纵子学说，获诺贝尔奖。 (1) 乳糖操纵子的负调控
第11章 原核生物基因表达的调控
每一种生物基因组都含有一定数目的基因，但这些 基因在一个细胞里并不同时表达，表达强度也不一定相 同。以大肠杆菌为例，其基因组总共能编码几千种蛋白 质，但在正常的生长条件下，一个细胞仅合成600~800种 不同的蛋白质。
生物体内的基因根据表达的状况可分为管家基因 (house-keeping genes)、奢侈基因(luxury genes)。
lacZ基因编码 -半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化 为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。
lacY基因编码半乳糖透过酶，使 -半乳糖苷透过细胞壁和
细胞膜进入细胞内。 lacA基因编码乙酰转移酶，催化半乳糖的乙酰化。
乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。 葡萄糖对－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。
不同基因的启动子序列与一致序列可能不同，与RNA 聚合酶的亲和力就不同，从而造成转录起始效率的差别。 具有强启动子的管家基因的转录水平要高于具有弱启动 子的管家基因。
11.2.2 DNA重组对基因表达的调控
鼠伤寒沙门氏菌是一种带有鞭毛的细菌。构成其鞭 毛的蛋白质有H1和H2两种。任何一个沙门氏细菌只表达 这两种鞭毛蛋白中的一种，在同一个细胞内从不同时表 达。随着一群细胞的生长和分裂，某些子代细胞会发生 相变，即自发地改变其鞭毛蛋白的表达样式，以逃避宿 主免疫系统的攻击。