【生物化学】原核生物的基因表达调控

大肠杆菌半乳糖操纵子模型
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
CAP的正调控作用
• CRP也称为分解代谢物激活蛋白（CAP），它也是很多其它与分解 代谢有关的操纵子的激活蛋白，包括乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、 半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子等近100个以上的启动子受到它的激 活。这种由同一种调控蛋白调节多个操纵子基因表达活性的调控方 式被称为调谐子。在这些操纵子的附近，都含有CAP结合位点。以 乳 CA糖P位操点纵序子列为与例操，纵它基的因CA的P结序列合一位样点，位含于有Pla两c上段游反。向序重列复分序析列表明， （GTGAG），而每一段即是CAP的半个结合位点。这样的性质特别 适合二聚体的CAP-cAMP与其结合，因为一个单体与其中的一段反 向重复序列结合。与阻遏蛋白一样，CAP也是通过螺旋-转角-螺旋 这种DNA结合模体在大沟与结合位点结合。
• 1个启动子（Plac）
• 3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-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，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过细胞壁和 细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶。转录时， RlaNcZA→聚la合cY酶→首la先cA与方P向lac进结行合转，录通，过每lac次O转向录右出，来按的一条 mRNA上都带有这3个基因。
糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、araA和araD
的顺序排列，简称为araBAD，共同受araC基因的产物 AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 • 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子的调节蛋白既 是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。
阿拉伯糖操纵子结构
阿拉伯糖操纵子的阻遏和激活
Hale Waihona Puke Baidu
β-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应
葡萄糖效应和乳糖诱导
• 1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的启 动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相反， 呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白
• 1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间，为 阻遏蛋白结合的位点
原核生物的基因表达调控
• 每一种生物的基因组都含有一定数目的基因，但这些基因在一个细 胞里并不都会表达，那些表达的基因表达的强度也不一定相同。以 E. coli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。显然，多数基 因并没有表达。之所以出现这样的情形，是因为细胞内的基因表达 受到严格的调控。实际上，生物体内的基因根据表达的状况可分为 两类，一类是管家基因，另一类是奢侈基因。管家基因始终表达， 表达的量也相对恒定，因此又称为组成型基因，奢侈基因只是在特 定的时段里或者在需要的时候才表达。不管是管家基因还是奢侈基 因，表达都受到调控，只是调控的方式不一样。
乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列
CAP-cAMP在CAP位点上与RNA pol的相互作用
CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲
为什么乳糖操纵子既要受到 负调控，又要受到正调控？
• 阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的酶：阿拉 伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核酮糖，由araA基因 编码；核酮糖激酶，催化核酮糖的磷酸化，由araB基因 编码；核酮糖-5-磷酸差向异构酶，由araD基因编码，催 化核酮糖-5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷酸戊
• 基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负调 控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一般都 涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相互作用。 一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为顺式作用元 件，而对于原核生物来说，这样的顺式作用元件经常被 称为操纵基因。
• 如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的 情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调节蛋 白被激活，基因则不能表达。因此，负调控中的调节蛋 白被称为阻遏蛋白；
• 如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的 情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节蛋白 或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表达。因 此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。
正调控与负调控模式的比较
•
启动子序列对基因表达的调控
•
DNA重组对DNA表达的调控
DNA重组可以改变控制基因表达的元件与受控基因之间的 距离和方向，因而可以成为控制基因表达的一种手段。
• 理论上，一种基因表达的调控可以在多种水平上展开，包括DNA水 平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平、翻译后加工水平等。 但在所有调控方式中，从节省能量的角度来看，对基因表达关闭的 越早越好，这样不至于将能量浪费在mRNA和蛋白质的合成上。就 这一点而言，转录的起始阶段是最佳调控位点。
• 原核生物是单细胞生物，一般生活在多变的环境中，需要随时根据 环境条件的变化调整自身基因的表达，以使代谢过程能够适应环境 的变化，从而更好地生存和繁衍。
• CAP-cAMP同DNA结合后，可以引起DNA的弯曲，增强RNA pol与DNA 的结合能力，并协助DNA双螺旋的解链，使RNA pol的转录活性提高 20~50倍。在CAP未与cAMP结合时，它是没有活性的。当cAMP浓度 升高时，CAP与cAMP结合并发生构象的变化而被活化，能以二聚体 的方式与特定的DNA序列结合。相反，当有葡萄糖可供分解利用时， cAMP浓度降低，CAP不能被活化，乳糖操纵子的结构基因表达下降。
不同类型启动子与基因表达之间的关系
组成型启动子
弱启动子
强启动子
一般与一致序列相同或相 缺乏一个或多个一致序列元 与一致序列相同或接近
近
件
恒定的转录速率
低转录速率
高转录速率
可能不受其它形式的调控
经常需要激活蛋白
经常受到阻遏
鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控
σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系