【生物化学】原核生物的基因表达调控
原核基因表达调控特点
原核基因表达调控特点原核生物是生物界中最原始的一类生物，其特点是细胞内没有真核细胞核和细胞器。
原核生物的基因表达调控机制相对简单，但也具有一些独特的特点。
原核生物的转录和翻译是同时进行的。
在真核生物中，转录发生在细胞核内，然后mRNA进入细胞质进行翻译。
而在原核生物中，由于没有细胞核，转录和翻译可以同时进行，转录的mRNA可以立即被核糖体翻译成蛋白质。
这种同时进行的特点使得原核生物的基因表达速度相对较快。
原核生物基因的调控主要通过转录水平的调控。
原核生物的基因组相对较小，基因之间的距离较短，不存在真核生物中的染色质结构和组蛋白修饰等复杂机制。
因此，原核生物的基因调控主要通过转录因子和RNA聚合酶的相互作用来实现。
转录因子可以结合到DNA上的特定位点，促进或抑制RNA聚合酶的结合和转录启动。
这种转录因子和RNA聚合酶的相互作用是原核生物基因表达调控的核心机制。
原核生物的基因调控还涉及到环境信号的感知和响应。
由于原核生物生活在复杂多变的环境中，需要根据外界环境的变化来调整基因的表达。
原核生物通过感知环境中的化学物质、温度、光照等信号，并通过转录因子的活性调控基因的表达。
例如，大肠杆菌中的Lac操作子就是一个典型的例子，其转录因子LacI可以结合到Lac启动子上，当环境中存在乳糖时，乳糖和LacI结合形成复合物，使得LacI无法结合到Lac启动子上，从而促进Lac基因的表达。
原核生物基因的调控还包括转录因子的共同作用和互作。
原核生物的基因组中存在一些共同调控的元件，这些元件可以结合到多个转录因子上，实现基因的协同调控。
例如，细菌中的两个转录因子Crp和Fis可以共同作用于某些基因的调控，通过它们的相互作用来调整基因的表达水平。
原核生物的基因表达调控具有以下特点：转录和翻译同时进行、主要通过转录水平的调控、受环境信号的调控、转录因子的共同作用和互作。
这些特点使得原核生物能够快速响应环境变化，并调整基因的表达水平，适应不同的生存条件。
生物化学——基因表达调控
CCAAPP CAP CAP CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
.
9
(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白)
高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
葡萄糖浓度低 cAMP 浓度高
(有CAP)
葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低
(无CAP)
RNA-pol
O
O
mRN
A
O
O
.
10
三、真核基因基因表达的调节
阻遏基因
DNA mRNA
I C Ppo O l
Z YA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
.
7
有乳糖存在时
DNA mRNA
I C pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
.
8
(2)CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA I C P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
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2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区
信息区
DNA I C P O Z Y A
调控 序列
启动 序列
操纵 序列
CAP结合位点
编码基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
A：乙酰基转移酶 代谢产物基因激活蛋白(cataboli.te gene activator protie6n,CA
(1)阻遏蛋白的负性调节
第十四章 基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制， 提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表 达调控研究的新纪元。
原核生物基因表达调控分析
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。
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
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）
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。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
分子生物学 ch7原核生物基因表达调控
调节蛋白
由调节基因lacI编码，单顺反子，有自身弱启 动子，能独立地组成型表达 阻遏蛋白一个结合位点是诱导物结合位点， 可被小分子诱导物结合，改变其构型，从而 影响与操纵基因结合的活性 阻遏蛋白一个结合位点是操纵基因结合位点， 分 调节蛋白以四聚体形式与操纵基因Olac结合， 子 阻遏结构基因的表达 生
物 学
CAP（降解物活化蛋白）或CRP（环腺苷酸受体 蛋白）是分子量为22.5kd的二聚体，CRP单体具有 DNA结合区和转录激活区，二聚体被单个cAMP活化， cAMP－CAP复合物与启动子结合，促进基因表达
葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代
谢受阻
CAP
RNA聚合酶结合
-35 cAMP
——阻遏蛋白(repressor)的结合操纵序列 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶
不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的
DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增
无效应物（辅阻遏物）——基因表达
操纵子分类
四类： 可诱导的正调控型：（ara O）： 可阻遏的正调控型 可诱导的负调控型（lac O)、 可阻遏的负调控型（trp O）
有 效 应 物 ＊ 基 因 表 达 无 效 应 物 ＊ 基 因 表 达
调节蛋白结合－阻遏基因表达 （阻遏蛋白）
负调控
调节蛋白结合－基因表达 （激活蛋白）
酶和转乙酰酶，结构基因由位于上游的一个lac启动子（lacP）起始
转录；lac操纵基因（lacO）位于lacP启和lacZ之间，并且和lacP有 部分重叠，其上可结合位于上游具有独立转录单位的lac调节基因
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，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，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
第七、八章 原核生物、真核生物基因的表达调控
阿拉伯糖操纵子的基因结构图 注:操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和 启动子构成。AraC基因编码调节蛋白AraC。
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阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)
• 结构基因为：B、A、D，分别编码异构酶、 激酶、表位酶 • 功能：催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮 糖，进入磷酸戊糖途径。 • 特点：调节基因为C基因，编码调控蛋白 C蛋白。
色氨酸操纵子的转录衰减作用
色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合 成完整的引导肽。UGA位于1区和2区之间，核蛋白体占据2区，使3区不能与2区互 补而与4区互补，形成终止子发夹结构，RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时，核蛋白体因原料缺乏终止在1区Trp密码子部位，2区无法与1 区配对且在4区被转录出来之前与3区互补，4区处于单链状态，不能形成终止发 夹，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。
（1）阻遏蛋白的负性调节—酶合成的诱导： • 无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态 (repression)，即这类基因平时都是处于关闭状 态； • 有乳糖(presence of lactose)：lac操纵子即可 被诱导(derepression,induction)，即这类基因 由平时的关闭状态转变为工作状态。
止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子
中的结构基因RNATrp很多， 这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速 度就会很快，在4区被转录之前，核糖体就达 到2区，这时的前导区结构2-3不能配对，3-4 可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以 转录停止， RNA聚合酶脱落，转录终止，trp 操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨 酸。 原核生物基因表达特点—转录与翻译偶联。
医学生物化学(第十五章)
(2) 锌指 （zinc finger） 约30氨基酸残基，4个氨基酸残基（两个cys,两个 his, 或4个cys)以配位键与Zn2+相互作用
（3）亮氨酸拉链 （leucine zippers） 一段肽链中每隔7个氨基酸即有一个亮氨酸，该肽段所 形成的螺旋可出现疏水及亲水二个面，疏水面即亮氨 酸拉链。
3.反应元件
概念： 特点：协同作用。
4. 沉默子（Silencer）
概念： 特点：负性调节元件。
2 反式作用因子
两个必需结构域： 与顺式元件结合的结构域 与反式元件或RNA聚合酶结合的激活结构域
3 反式作用因子的结构模式
（1） α螺旋—β转角—α螺旋 （helix- turn- helix）
其中一个为识别螺旋，含有较多能与DNA相互 作用的AA残基
一、具有转录活性的染色质结构的变化
—便于RNA聚合酶及转录因子附着
1.DNase I 超敏感位点 （ DNase I hypersensitive site） 一般100-200 bp，转录基因5‘端 1000bp 内，一般不存 在核小体结构 2.DNA拓扑结构变化； 3.组蛋白变化：H1蛋白减少；其他组蛋白发生乙酰化、 甲基化等修饰 4.DNA甲基化修饰发生变化：去甲基化 m5CpG→CpG
二、参与基因调控的顺式作用元件和反式 作用因子
1 顺式作用元件
和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列 1. 启动子和启动子上游近侧序列 TATA box CAAT box GC box CpG岛 （MeCP1、 MeCP2）
2. 增强子（enhancer）
概念： 特点：不受与启动子距离、序列及方向的制约； 有组织特异性 。
第一节 原核生物基因表达的调控
第九章：原核生物基因表达调控
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
第五章原核生物基因表达调控
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基因调控的指挥系统nal status) 环境因素( environmental factors) 激素水平（ hormone level) 发育阶段（ developmental stage)
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一、原核基因调控机制的类型与特点
第五章 原核基因表达调控模式
蛋白质合成的类型：
永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代 谢状态的影响，始终维持在恒定水平。 适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显 地受环境的影响。
第一节 原核生物基因表达调控的概述 第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统 第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 第四节 其它操纵子 第五节 转录后的调控
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根据作用特征：
诱导（induction ）：调节因子与效应物结合后，开 启基因的转录活性称为 诱导（induction ）；
阻遏（repression ）：调节因子与效应物结合后， 关闭基因的转录活性称为 阻遏（repression ）。
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调节基因产物 阻遏蛋白
调节基因产物与效应物结合
基因 表达
基因不表达
负控诱导系统 负控阻遏系统
激活蛋白
正控诱导系统 正控阻遏系统
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σ 因子是参与大肠杆菌基因表达调控最常见 的蛋白质。
6 种σ 因子： σ70、 σ54、 σ38、 σ32、 σ28、 σ24。
Trp-
转录继续
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前导区的转录
临床医学考研 生物化学 基因表达必看------基因表达调控
原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制 实现 启动子 编码序列 (promoter)
其他调节基因 操纵元件 (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
目录
操纵子模型的普遍性
多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链
的编码信息。
合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转
录活性，是一种正调控（positive regulation）。
目录
第二节 原核生物的基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
目录
原核生物基因组结构特点
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子 ① 基因组中很少有重复序列； ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷 贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因 ； ③ 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远 远大于真核基因组； ④ 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
（二） 翻译起始的调节
RBS（核糖体结合位点）：
mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译
区。 RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起 始密码子AUG之间的距离。 SD- 4-10（9）-AUG SD序列与16S rRNA3´端配对碱基越多，亲和 力越高，核糖体与mRNA结合的效率就越高。 mRNA的二级结构也是翻译起始调控的重要因素。
图8-5 lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节
目录
乳糖
（2）CAP的正性调节
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制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、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
第七章：原核生物基因表达调控
负转录调控
• 负控诱导 阻遏蛋白不与效应物
结合时基因不转录。
• 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物 结合时，基因不转录。
正转录调控
• 正控诱导 有效应物时，激活蛋白 处于活性状态基因转录。
• 正控阻遏 有效应物时，激活蛋 白处于无活性状态基 因不转录。
负控诱导
正控诱导
负控阻遏
正控阻遏
1、原核生物基因调控机制的类型
6、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及 D
(A) 转录水平调节 (B) 转录激活调节
(C) 翻译水平调节
(D) 转录／翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CRP-cAMP 7、与O序列结合
A
8、与P序列结合 B 9、 与CRP结合 C 10、与CAP位点结合 D
境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后而活化，
能够与O结合，阻遏结构基因的转录，开 关。
(二) 弱化子及其作用
当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化 R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶 类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸 浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特
殊的结构有关。
乳糖存在诱导基因转录
乳糖(lac)操纵子的表达调控
1、阻遏蛋白的负性调控
没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。i 基因在自身的 启动子Pi 控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与 操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。
当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成
单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。
(D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达
2、一个操纵子（元）通常含有
生物化学代谢调控基因表达的调控
一、原核生物：主要是转录水平调控（一）操纵子模型：包括结构基因和控制部位。
大肠杆菌的乳糖操纵子包括三个结构基因：b半乳糖苷酶、半乳糖苷透性酶和b半乳糖苷转乙酰酶。
操纵基因可与调节基因编码的阻遏蛋白结合，抑制转录。
乳糖等诱导物可使阻遏蛋白变构，解除抑制。
（二）降解物阻遏：有些调节基因起正调节作用，如腺苷酸受体蛋白，可被环腺苷酸活化，作用于启动子，促进转录。
分解葡萄糖的酶是组成酶，葡萄糖的降解物对乳糖、阿拉伯糖等操纵子有阻遏作用，称为降解物阻遏。
降解物可抑制腺苷酸环化酶，活化磷酸二酯酶，降低环腺苷酸浓度，抑制转录。
（三）衰减子：可终止和减弱转录。
色氨酸操纵子的转录需要使核糖体结合在转录产物的特定部位，才能产生合适的构象以继续转录。
前导RNA可合成前导肽，当只缺少色氨酸时，核糖体停留在色氨酸密码子处，破坏衰减子的终止作用，转录可继续。
（四）生长速度的调节：生长速度由蛋白质合成速度控制，快速生长时核糖体数量增加。
缺乏氨基酸时核糖体RNA和转运RNA的合成显著下降，关闭大部分代谢活性，称为严紧控制。
未负载转运RNA与核糖体结合后引起鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的合成，抑制核糖体RNA的转录起始，并增加RNA聚合酶在转录中的暂停，减缓转录。
（五）基因表达的时序控制：λ噬菌体的发育阶段由几个调节蛋白作用于不同的启动子和终止子而调控，早期基因的表达可打开后期基因，在后期又可关闭早期基因，使遗传信息按时序表达。
（六）翻译水平的调控：1.翻译能力的差异：由5’端的核糖体结合部位(SD序列)决定，而且用常见密码子的信使RNA翻译较快。
多顺反子RNA各个编码区的翻译频率和速度可以不同。
2.翻译阻遏：核糖体游离蛋白对自身的翻译有阻遏作用，可以使其蛋白与RNA相适应。
3.反义RNA：与信使RNA序列互补，结合后抑制其翻译。
可用于抑制有害基因的表达。
二、真核生物多级调节，特有长期调控。
（一）转录前调节：通过改变DNA序列和染色质结构而影响基因表达。
第六章 原核生物基因表达调控
图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。
第11章 原核生物基因表达的调控
Ø 葡萄糖代谢导致cAMP浓度下降； Ø cAMP可以活化乳糖操纵子的激活蛋白：
CRP: cAMP receptor protein（cAMP受体蛋白） CAP: catabolite gene activator protein
（代谢降解物活化蛋白）
Ø cAMP-CRP/CAP
乳糖操纵子的正调控
Ø 每个阻遏蛋白四聚体与两个 operator 结合； Ø 阻遏蛋白与Operator结合导 致DNA弯折，干扰mRNA的 合成。
p.286 图11-7
乳糖操纵子的正调控
当细菌在含有葡萄糖和乳 糖的培养基中生长时，通常 总是优先利用葡萄糖，而不 利用乳糖；只有当葡萄糖耗 尽后，细菌经过一段停滞期， 才能在乳糖的诱导下，合成 β-半乳糖苷酶等分解利用 乳糖的酶类，细菌才能利用 乳糖。
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
色氨酸操纵子的衰减作用
trpR
OP trpL trpE trpD trpC trpB trpA
5’
(1) 新合成的正链 RNA可以翻译A蛋白；
3’ (-) A
5’(+)
5’
但是很快形成二级结构，阻止A蛋白 的继续合成；
所以 A蛋白与C蛋白的量为1:180
Ø Rep的合成依赖于C蛋白的表达， 证据：C基因的codon6发生无义突 变：核糖体停留在该处，导致rep基 因RBS附近的二级结构无法打开， 则rep基因无法表达。
AraC既是阻遏蛋白， 又是激活蛋白；
分子生物学课件第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
⑴ 乳糖操纵子的结构与功能 操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、 操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、启动子 (promoter,P 和操纵子(operator, (operator,O (promoter,P)和操纵子(operator,O)。阻遏物基因 (inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。 产生阻遏物(repressor) (inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。
第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
⑵ 乳糖操纵子调控方式 阻遏蛋白的负调节 ① 阻遏蛋白的负调节 ☆ 无乳糖：lac操纵子处于阻遏状态。 无乳糖：lac操纵子处于阻遏状态。 操纵子处于阻遏状态
1 概述 1.6 原核基因表达调控的几个基本概念 顺式作用元件 (cis-acting element ) :真核生物结构基因 (cis:真核生物结构基因 上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列， DNA序列 上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列，如 动子、增强子等。 动子、增强子等。 反式作用因子（trs-acting factor）:直接或间接辨认、结合 反式作用因子（trsfactor） 直接或间接辨认、
第十章 原核生物基因表达的调控
1 概述 1.1 基因表达的时空特异性 时间特异性(temporal specificity)： 时间特异性(temporal specificity)： 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。 ☆ Hb (hemoglobin) α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、α 珠蛋白基因簇： 胚胎型）、α ）、 β珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、 珠蛋白基因簇： 胚胎型）、γ 胎儿型）、 ）、 β、δ（成人型） 成人型） 血红蛋白： 胚胎型） 胎儿型） 血红蛋白：ζ2ε2 （胚胎型）→α2γ2（胎儿型） 成人型） →α2β2 （成人型） 第十章 原核生物基因表达的调控
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• 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。
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
• 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。
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
• 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。
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。
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
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。
• 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；