关于原核基因表达调控

gratuitous inducer 安慰诱导物 义务诱导物
• 可诱导半乳糖苷酶产生， 但不是其底物
• IPTG，异丙基半乳糖苷 • TMG ，巯甲基半乳糖苷 • ONPG, O-硝基半乳糖苷
在研究诱导作用时，很少使用乳糖
6.1.4 阻遏蛋白的作用机制
1 阻遏蛋白结构
• 38KD，4 聚体， 一个亚基结合一个IPTG分子 • lacI 组成型转录
3 阻遏蛋白对RNA pol功能的影响
• 阻遏蛋白和RNA pol可同时与DNA结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9X107
有阻遏蛋白时, 2.5X109 • 结合着的RNA pol不能转录. 但加入诱导物后, 释
放出阻遏蛋白, 变为开放型启动子复合物. • 阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。
• 原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境 因素(environmental factor)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(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。
6.1 乳糖操纵元
6.1.1 Discovery of Operon
Francis Jacob Jacques Monod
• 1961年, F. Jacob & J.Monod提出, 此后不断完善。获 1965年诺贝尔生理学和医学奖
• 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”。
• 基因表达调控主要表现在以下几个方面： ① 转录水平上的调控(transcriptional regulation)； ② mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript)； ③ 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).
2. 阻遏状态
体外结合竞争实验: 阻遏物＋RNA pol, off RNA pol＋阻遏物， on
3 诱导状态
诱导物
诱导作用：在可诱导的操纵元中， 加入对基因表达有调节作用的小分 子后，开启基因的转录活性
乳糖代谢
4 诱导物 不是乳糖
生成lac诱导物
细胞内β-半乳糖苷酶来源?
Allolctose 异构乳糖 别乳糖
这一模式是否存在于其它操纵元系统中？
6.1.5 lac operon的正调 控
- glucose
Units of -galactosidase
1 代谢物阻遏效应 实验，在lac＋Glu培养基上 E.coli只利用G，只有G 耗尽时，才会利用lac
Glucose added
+ glucose
Time (hr)
• 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶 • 1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意
义”
• 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。
乳糖能激发β-gal mRNA的合成
• 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶 合成？ 培养基（35S-aa, 无乳糖）→ E.coli繁殖→ 培养基（无35S -aa, 加入乳糖） → β-gal(无35S)
分解底物的酶只有在底物wenku.baidu.com在时才出现！
6.1.3 调控机理
1 调控区结构 • lacI, 1045bp，独立Pi • P, 82bp，－82～＋1 • O, 35bp，－7～＋28 • lacZYA
+ lactose
• 葡萄糖抑制lac mRNA的转录： 可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达,有其它因 素参与
Pi 弱启动子， 5－10个／cell • 具有二重性 阻止转录（与lacO结合） 开始转录（与诱导物结合）
阻遏蛋白的 结构域
头段，-NH2端，lacO结 合区
绞链区 核心段，-COOH，
诱导物结合区
4个亚基的核心片段接触形成四聚体
2. 阻遏蛋白的结合位点－－lacO的结构
对称轴，+11 对称序列，6bp
关于原核基因表达 调控
引言
• 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这 种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建 立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。 当我们说一个系统处于“off”状态时，也有本底水 平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或 2个mRNA分子。所谓“关”实际的意思是基因表 达量特别低，很难甚至无法检测。
• 科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表 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)。 要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征 和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时 间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我 们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
• 结构基因：产生mRNA,合成蛋白质 • 操纵位点 promotor,operator：启动子结合位点 • 调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）
→结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合
→结构基因转录
6.1.2 酶的诱导现象
β-半乳糖苷酶
• 无乳糖时，几个β-gal/cell 加入乳糖时，5000个 再去掉乳糖，β-gal mRNA下降
• Jacob：结构基因旁有开关基因（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。
乳糖操纵元结构
调节基因
操作位点
ß -半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 乙酰基转移酶
Control element Structural genes
• 操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表 达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结 构基因，组成一个控制单元