第九章 微生物基因表达的调控

O
mRNA
乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与 操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的 DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳 糖代谢有关的酶类从而利用乳糖
所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放 有葡萄糖存在，操纵子关闭
乳糖操纵子的负调控
I
O
O
诱导剂
ρ
图15-4
CAP- cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作 用---正调控
总结：
1）无乳糖也无葡萄糖存在时：
O
阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因 结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构 基因不被转录 2）当无乳糖，有葡萄糖时：
O
由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子 关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低， CAP的正性调节不起作用 所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭

组成性基因表达(constitutive gene expression)：指不大受环境变动而变化的一类基
因表达。——管家基因与奢侈基因 产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而 必不可少的，这类基因也称为看家基因(housekeeping gene)；

管家基因--在一个生物个体的几乎所有细胞中持 续表达的基因。 奢侈基因（luxury gene）—只在特定的细胞类型 中表达的基因
操纵子（operon）： 原核生物中几个功能相关的结构基因成 簇串联排列组成的一个基因表达的协同 单位（DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6） +启动序列+操纵序列+(其他调节序列)

Discovery of Operon
1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖 和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用 葡萄糖，葡萄糖用完后，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”。 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与 适应酶（诱导酶）。 1947年，报告：“酶的适应现象及其在 细胞分化中的意义”。

基因表达的方式-3
协调表达
协调表达 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因， 无论其为何种表达方式，均需协调一致、 共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达 (coordinate expression)

基因表达的调控方式:
阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)

mRNA干扰性互补RNA（micRNA)或反义 RNA (antisense RNA） 调整基因表达产物的类型 低水平表达基因的控制
原核生物的共有序列
原核生物的启动序列，在距离转录起始点－10区和－35区往
往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 －10区：含TATAAT序列，又称Pribnow盒。 －35区：含TTGACA序列。
RNA聚合酶结合部位
决定转录起始点
共有序列(consensus sequence) 决定启动 序列的转录活性大小。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶 对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能
第九章 微生物基因表 达的调控
概述 (Introduction)
中心法则(the central dogma)：
RNA 复制 复制 转录 逆转录 翻译
DNA
RNA
蛋白质
–基因表达(gene expression)--基因转 录及翻译的过程。
–生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过 转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学 功能和生物学效应的蛋白质的全过程
Lac 阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用 条件2: O O 低乳糖 条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖 O O 低乳糖 O Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。 条件1: 低葡萄糖 高cAMP 高乳糖 Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。
条件3:
图15-5

协调调节(coordinate regulation)

负性调节与正性调节协调合作 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P上解 聚仍无转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用 葡萄糖 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP 结合从而抑制转录 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又 需缺乏葡萄糖
基因表达＝转录＋翻译Βιβλιοθήκη Baidu
但是
不是所有的基因表达都产生蛋白质，
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产
生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的 基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白 质翻译方面的功能。
基因表达是受调控的
生物基因组的遗传信息 并不是同时全部都表达出来的
大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只 有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较 低水平的表达，或者暂时不表达。 人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细 胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状 态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个 上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高 的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状 态。

IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)

极强的诱导剂
转录后水平的调控
1．RNA编辑（RNA editing）
2．mRNA 前体的选择性拼接 3．反义RNA的调控 反义RNA的调控是指真核生物基因组中，某些调 节 基 因 转 录 所 产 生 的 RNA 可 与 基 因 组 DNA 或 RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转 录或翻译的调控机制。这些调节基因所产生的 RNA称之为反义RNA。
调控基因 控制位点
I P O
结构基因
Z Y a DNA
阻 遏 蛋 白 cAMP-CAP 结合位点
β
启 动 序 列
操 纵 序 列
RNA聚合酶 结合位点
半 乳 糖 苷 酶
通 透 酶
乙 酰 基 转 移 酶
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因 DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
DNA
I
pol P

乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时： 与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭

乳糖操纵子（lactose opron）结构
mRNA的加工
原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的 修饰加工，真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活 性，必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，它 们需从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。 真核生物mRNA的加工主要包括在 mRNA的5’末端加“帽 子”，在3’端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行RNA的剪接。
基因表达的时间性及空间性
(temporal and spatial 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 Hb (hemoglobin)
α珠蛋白基因簇：δ（胚胎型）
、α β珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、 γ（胎儿型）、 β、δ δ2ε2 →α2γ2 →α2β2
真核生物RNA的剪接有三类：第一类是依靠内含子的特殊 结构而能自发地进行剪接；第二类是蛋白质（酶）促剪切； 第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式， 真核生物mRNA的剪接就是这种方式。
翻译水平的调控
mRNA的稳定性：mRNA的降解速度受 细菌的生理状态、环境因素及mRNA结 构的影响。 翻译产物对翻译的影响 小分子RNA的调控作用


因为细菌mRNA在形成过 程中与核糖体混合在一起，所 以，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（coupled transcription and translation）。

真核生物中，转录产物 （primary transcript）只有 从核内运转到核外，才能被 核糖体翻译成蛋白质。
合酶活性。
激活蛋白
pol 启动序列
操纵序列
编码序列
有些基因在没有激活蛋白存在时， RNA
聚合酶很少或完全不能结合启动序列。
激活蛋白
启动序列 pol
操纵序列
编码序列
第一节
转录水平的调控(control of transcription)
操纵子模型的提出
—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖

基因表达的方式-2
适应性表达(adaptive expression)：指环境 的变化容易使其表达水平变动的一类基因 表达。 诱导和阻遏表达

诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信 号刺激下表达增强的过程。 DNA损伤 →修复酶基因激活 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达 阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平 降低的过程 色氨酸 —色氨酸合成酶系
空间特异性(spatial specificity)

在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现
同形异位现象(homeosis):


果蝇头部长触角部位长出脚来 同形异位盒基因(homeobox) :高度保守的一段 核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因
基因表达的方式-1

1951年，Monod与Jacob合作。 发现两对基因：

Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关； I基因：决定细胞对诱导物的反应。

Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻 遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导 物存在，才能去掉该阻遏物。 Jacob：结构基因旁有开关基因（即操 纵基因），阻遏物通过与开关基因的结 合，控制结构基因的表达。
3）既有乳糖，又有葡萄糖时：
乳糖与阻遏蛋白结合， 使阻遏蛋白变构，失去与操 纵基因结合的能力而脱落
O
由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性 调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细 菌只能利用葡萄糖
。
4）有乳糖，无葡萄糖时：
由于不含葡萄糖，细胞 内cAMP含量高，cAMP与 CAP结合成复合物，与 DNA结合，并推动DDRP 向前移动，促进转录。 RNA-pol
五、基因表达调控的基本原理

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
基因表达的多级调控
转录水平的调控transcriptional level: 转录激活、转录起始; 转录后水平的调控post-transcriptional level： 转录后加工、运输、mRNA降解; 翻译水平的调控translation level： 翻译的起始; 翻译后水平的调控post-translation level 翻译后的加工、转运、多肽链的分解.

原核生物中，营养状况（nutritional status）和 环境因素（environmental factor）对基因表达 起着举足轻重的影响。
原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是 翻译水平。

真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平 （ hormone level ） 和 发 育 阶 段 （developmental stage）是基因表达调控的最 主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。 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。
力。
操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 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 阻遏蛋白 编码序列
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，增强 RNA 聚
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
CAP的正性调节 + + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP:分解物基因激活物蛋白—可促进乳糖利用，但须与cAMP结 合才有活性