原核生物基因表达的调控
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
第十章原核生物基因表达的调控
表 16-4 E.coliσ 因子识别不同保守序列的启动子 基因 分子量 70KD 32KD 24KD 54KD 28KD 功能 普遍 热休克 热休克 氮饥饿 产生鞭毛 -35 序列 TTGACA CCCTTGAA ？ CTGGNA CTAAA 间隔(bp) 16～18 13～15 ？ 6 15 -10 序列 TATAAT CCCGATNT ？ TTGCA GCCGATAA
基本概念
1.操纵子（operon）
很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由 一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构 基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子(operon)。
一个完整的操纵子主要包括启动子、操纵基因、结构 基因和终止子。
2. 阻遏物和激活物（reperssor and activator）
2. 基因表达的极性效应
•在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随 即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体， ρ因子 无法接近mRNA，而RNA聚合酶早已越过前面的基因的 依赖ρ因子的终止子，所以转录实际上并不停止，而是继 续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之 前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻 译停止，于是ρ就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停 留在终止子上的RNA聚合酶，结果使RNA聚合酶释放， 不能再转录下游基因。
第十章 原核生物基因 表达的调控
生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细 胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体 的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转 录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种 生理生化功能，完成生命的全过程。从 DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达 (gene expression)，对这个过程的调节 就称为基因表达调控(gene regulation或 gene control)。
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
原核生物基因表达的调控
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。
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。
分子生物学 第十一章 原核基因表达的调控
被cAMP激活 结合位点～22bp I -70 ~ -50
II -50 ~ -40
结合位点序列保守 不同基因受cAMP激活的水平不同
3 CAP的结合对DNA构型的影响
DNA弯曲 弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心 弯曲使CAP能与启动子上的RNA pol 接触
Summary
CA
B A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
Summary of lac operon regulation
Glucose High High Low Low
cAMP Low Low High High
Lactose Absent Present Absent Present
• 加入CAP，转录
• lac UV-5突变， -10区 TATGTT → TATAAT 在无CAP时，转录
• DNA topI 突变，降低起始转录对CAP的依赖
cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC 区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降 低，促进开放型启动子复合物的形成
9 原核生物基因表达的调控
9.1 基因表达概述 9.2 操纵元控制理论 9.3 基因转录的时序调控 9.4 转录后加工的调控 9.5 翻译水平的调控
孙朱乃玉恩贤
9.1 基因表达概述
9.1.1 生物遗传信息
9.1.1.1 C值矛盾 C value paradox
Genome DNA
10%; 结构基因的编码序列
triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列…
基因选择性表达指令 重要的遗传信息
.9.1.1.2 遗传信息的两大类别
生物学原核生物基因表达的调控
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
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7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上，形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
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
原核生物基因表达调控的基本结构单元
原核生物基因表达调控的基本结构单元介绍
原核生物是一类单细胞生物，其基因表达调控的基本结构单元通常包括以下几个主要组成部分：
1. 启动子（Promoter）：启动子是基因的调控区域之一，位于基因的上游区域，通常包含一个TATA盒等核酸序列。
启动子的作用是吸引RNA聚合酶，这是一个关键的酶，用于合成RNA 的新链。
RNA聚合酶结合到启动子后，开始转录过程。
2. 运算子（Operator）：运算子是原核生物中的一段DNA序列，通常位于启动子和基因之间。
它是一种特定的序列，可以与调控蛋白质（如诱导子或抑制子）结合，以控制基因的转录。
当运算子结合到调控蛋白质时，可以影响RNA聚合酶的能力。
3. 基因（Gene）：基因包含了编码蛋白质的DNA序列，其转录和翻译会产生蛋白质。
基因的启动子和终止子之间的DNA序列被转录为RNA，然后通过翻译产生蛋白质。
4. 调控蛋白质：原核生物中，调控蛋白质是一类能够与运算子结合的蛋白质，可以在基因表达调控过程中起到关键作用。
有诱导子（inducers）和抑制子（repressors）两种类型的调控蛋白质。
诱导子能够激活基因的转录，而抑制子能够阻止或减慢基因的转录。
5. RNA聚合酶：RNA聚合酶是一种酶，它负责合成RNA链的新链。
RNA聚合酶在启动子的帮助下结合到DNA，并开始转录过程。
它在原核生物的基因表达调控中起到关键作用，因为它决定了是否会合成特定基因的RNA。
这些基本结构单元共同协同工作，以确保原核生物的基因表达调控能够适应环境的变化，使细胞能够在不同条件下产生所需的蛋白质。
这一过程是原核生物的适应性和生存的关键。
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；
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
原核生物基因表达调控的方式
原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控：基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。
2.转录水平调控（主要调控方式）：转录起始、延伸、终止均有影响。
原核生物借助于操纵子，真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。
3.转录后水平调控：主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA，包括加帽、加尾、甲基化修饰等。
4.翻译水平调控：对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。
5.翻译后水平调控：蛋白质的剪切、化学修饰（磷酸化、乙酰化、糖基化等）、转运等。
6.mRNA降解的调控。
分子生物学课件第十章-原核生物基因表达的调控
第十章 原核生物基因表达的调控
色氨酸操纵子的阻遏系统
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
TrpR(无 活 性 )
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激 活 后 可 阻 遏 trp 操 纵 子 的 转 录 (仿 B .L ew in:《 G E N E S 》 Ⅳ ， 1 9 9 0 , F ig .1 3 .1 6 )
操纵子学说：操纵子是原核生物在分子水平上基因表 达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结 构基因等序列组成。通过调节基因编码的调节蛋白或 与诱导物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操纵基因， 对操纵子结构基因的表达进行正、负调控。
莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。
I
PO
Z YA
结构基因
阻 遏 物 基 因启 动 子操 纵 基 因 产 生 阻 遏 蛋 RN白 A酶 结 结 合 合 阻 遏 物
第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
结构基因的功能：负责乳糖的降解。 Z 编码β-半乳糖苷酶； Y 编码β-半乳糖苷透过酶； A 编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
☆ 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）。
激活到蛋白质生物合成的各个 阶段，因此基因表达的调控可 分为转录水平（基因激活及转 录起始），转录后水平（加工 及转运），翻译水平及翻译后 水平，但以转录水平的基因表 达调控最重要。
第十章 原核生物基因表达的调控
第七章、原核生物基因表达调控
本章重点：操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点：弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
1
第一节、原核生物基因表达调控总论
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，食物供应毫无保障，只有根据 环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代 谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存 和繁衍。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，营养和环境因素 的影响力大为下降。
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3．调节基因（阻遏基因I）和操纵基因（操纵区O）的发现 （1）已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久（组成） 型突变体，为分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。 （2）I+→ I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达，所以I基因（阻遏基因I）被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac被抑制。 （3）遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间，所以，lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一 个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为 操纵基因。
原核生物基因表达调控概述
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。
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CRP的结合引起DNA 链发生90°的弯曲
附：葡萄糖水平CRP的关系 CRP只有与cAMP结合才有活性，而 cAMP 受葡萄糖水平的控制。
葡萄糖含量高------ cAMP水平低
葡萄糖含量低------ cAMP水平高
4、葡萄糖对乳糖操纵子影响的机制
葡萄糖对乳糖操纵子的影响机制（一） （1）培养基中含 葡萄糖、 乳糖-----cAMP水平低 （2）没有cAMP结合的CRP没有活性 （3）CRP不与Plac结合
调控蛋白和代谢物的共同作用
调控蛋白
正调控 负调控
结构基因表达
诱导 阻遏
特殊代谢物
3、原核生物基因转录调控的4种类型 （1）负控诱导系统
（2）正控诱导系统
（3）负控阻遏系统
（4）正控阻遏系统
三、乳糖操纵子
（一）组成：5种元件 由1个调节基因，3个结构基因、控制元件、
启动子和终止子组成。
PlacI
这种基因的组织形式称为操纵子。
（二）发现：
1961年
Jacob and Monod ---乳糖操纵子模型
细菌转录调控的最初概念
（三）操纵子(operon)的基本组成
结构基因、调节基因、操纵元件、 启动子、终止子
PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ lacY lacA
1、结构基因
可编码非调控RNA或蛋白质的一段DNA序列（除 调节基因以外的所有基因）。 特点：
（二）乳糖操纵子的负调控 培养基不含乳糖 —
mRNA PlacI
lacI
lacZ、 lacY 、 lacA低表达
Plac
lacZ lacY lacA
Olac
startpoint Plac / RNA polymerase
-50 -40 -30 -20 -10 1 10 20 30
Olac / repressor
附： IPTG
实验研究诱导作用时常使用异丙基-β-D-硫代半
乳糖苷（IPTG）代替乳糖
IPTG是高效诱导物，但不是半乳糖苷酶的底物 安慰性诱导物
（四）葡萄糖对乳糖操纵子的影响
PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ lacY lacA
现象： 培养基中含
葡萄糖、 乳糖 —— lacZ 等低表达
（3）调控蛋白： 类型：
a、阻遏蛋白（repressive protein）
与操纵元件结合后能减弱或阻止所调控
基因转录的调控蛋白
b、激活蛋白（activating protein） 与操纵元件结合后能增强或启动所调控基因 转录的调控蛋白
3、操纵元件（operator）
（1）与启动子邻近或与启动子部分序列重叠 （2）具有回文结构，能形成十字形结构。 （3）与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻 遏或激活基因表达的作用
transcription
CRP-binding site
AANTGTGANNTNNNTCANATTNN TTNACACTNNANNNAGTNAAANN
Highly conserved Less conserved
3、cAMP-CRP 的作用
CRP-cAMP 与cAMPCRP结合位点结合，增 强了RNA聚合酶与启动 子的结合力，使转录效 率提高50倍。
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
5、意义：
通过这机制，细菌可优先利用环境中的葡萄
糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去
充分利用乳糖。
四、色氨酸操纵子
（一）组成 1、结构基因 （1）基因E、D、C、B、A
（2）编码色氨酸合成所需要酶类
（3）头尾相接串连排列组成结构基因群
（4）组成一个转录单元
2、负性调控的、可阻遏的操纵子
3、色氨酸可以作为共阻抑物起作用，并通过终产
物抑制自身的合成（负反馈调节）。
4、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类 型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节 省的状态。
实验观察表明：
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。
（1）含有2个以上的基因
（2）各结构基因串连排列，组成结构基因群
PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ lacY lacA
（3）续的开放读框
（5）至少在第一个开放读框5’侧具有核糖体结合位点， 核糖体识别并结合RBS ，起始翻译。
2、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因、诱导酶 阻遏物、可阻遏基因、可阻遏酶
诱导: 在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态 诱导物：能引起诱导发生的分子 可诱导基因：诱导调节中被活化的基因
PlacI
lacI
Plac
lacZ lacY lacA
Olac
4、启动子(promoter)
是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转
录的一段DNA序列。
（1）-10序列--- Pribnow盒：TATAAT；
（2）-35bp序列：TTGACA
操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5’上游，控制整个结构基因群的转录
碱基之间重叠 （3）与Trp-R特异性结合，阻遏结构基因的转录
（二）色氨酸操纵子与转录调控
现象：
培养基中
Trp 浓度较低时--基因E、D、C、B、A高表达
Trp 浓度较高时--基因E、D、C、B、A低表达
Trp操纵元与 负控阻遏系统
1、Trp操纵子与负控阻遏系统（一）
（1）培养基中Trp 浓度较低 （2）调控蛋白R不能被活化 （3）未活化的调控蛋白R不能与操纵元件结合 （4）基因E、D、C、B、A高表达
（5）多顺反子mRNA
2、调节基因trpR
（1）位置:远离P-ｏ-结构基因群
（2）编码调控蛋白R
（3）R没有与操纵元件ｏ结合的活性
（4）当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与
色氨酸结合后构象变化而活化 （5）R与ｏ特异性结合，抑制结构基因的转录
3、操纵元件ｏ
（1）18bp的回文结构
（2）与色氨酸启动子Ptrp序列在–21 and +3
（二）乳糖操纵子的负调控
1、阻遏蛋白与操纵元件结合
2、阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合
3、转录不能进行
4、lacZ， lacY 、lacA低表达
（三）乳糖操纵子与负控诱导系统
分解lactose
mRNA PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ lacY lacA
lactose
Inducer （异构乳糖）
诱导酶：可诱导基因表达的酶
阻遏：在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态 阻遏物：能导致阻遏发生的分子 可阻遏基因：阻遏调节中被关闭的基因 可阻遏酶：可阻遏基因表达的酶
特殊代谢物调控的分子机理
特殊代谢物是调控蛋白的变构剂，与调控蛋白 结合可使调控蛋白的空间构像发生变化，从而 改变其对基因转录的影响
Plac：控制 lacZ, lacY, lacA；多顺反子的mRNA
3、终止子
4、调节基因
lacI：编码阻遏蛋白（repressive protein）亚基
四聚体存在时具有活性，与 Olac具有 很强的亲和力
PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ lacY lacA
5、控制元件 操纵元件Olac （1）28bp的回文结构，可形成十字形结构 （2）这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏 蛋白相匹配。
AUG
UAA
AUG
3’ UAA…...
2、调节基因（regulatory gene）
（1）概念：
其产物参与调控其他结构基因表达的基因
mRNA
PlacI
lacI
Plac
lacZ lacY lacA
Olac
（2）特点： a、可在结构基因群附近、也可远离结构基因 b、不仅对同一条DNA链上的结构基因起作用， 而且能对不同DNA链上的结构基因起作用
Chapter 9
原核生物基因表达的调控
第一节
概述
一、基因表达（gene expression）
DNA
1、转录水平的调控
RNA
蛋白质
二、基因表达的调控（gene regulation）
2、转录后水平的调控
三、基因表达调控的信号： 原核生物 营养状况、环境因素
真核生物
激素水平、发育阶段
基因表达 调控
反式作用因子
二、转录水平调控的类型
1、正调控和负调控
负调控（negative regulation）
inhibitor
gene
正调控（positive regulation）
activator
gene
调控蛋白
正调控
负调控
结构基因表达
负调控：抑制基因表达的调控方式 正调控：促进基因表达的调控方式
无葡萄糖、有乳糖 —— lacZ 等高表达 问题：是否有另外的调控途径？
1、cAMP-CRP结合位点（另一调控元件）
（1）位于启动子Plac上游，与Plac部分重叠 （2）能与cAMP-CRP特异结合 （3）cAMP-CRP与该位点的结合是lac mRNA合 成起始所必须的 Plac / RNA polymerase