分子生物学 第七章 原核生物基因表达调控

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一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物： 异丙基巯基半乳糖苷 （IPTG） 巯甲基半乳糖苷（TMG） E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极 低；当加入乳糖或半乳糖后， 则迅速升高。
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诱导物（inducer）：如果某物质能促使细胞产生 一特定的酶，该物质就叫做诱导物； 辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产
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乳糖操纵子中调节基因的作用过程： 调节基因
产生
阻遏蛋白
结合
操纵区
相邻
RNA聚合酶与启动子区的正常结合 抑制 阻碍
启动区
结构基因转录成 mRNA并合成蛋白质 乳糖操纵子中诱导物的作用机理：
诱导物作用的对象是阻遏蛋白。
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（一）、lac 操纵子的本底水平表达 诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在；
不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上
的调节。 方式有二:
核糖体脱离: 多顺反子的差别性翻译;
内切酶作用: 在lac mRNA分子内部，a基
因比z基因更易受内切酶作用.
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Summary of lac operon regulation
Glucose
High
第七章
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
CTGGNA
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6-8 bp
TTGCA
7 - 9 bp
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二、原核基因调节的主要特点
1 、 特殊代谢物对基因活性的调节
可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导
下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。 如：大肠杆菌的乳糖操纵子 可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积
累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。
苷酸序列。
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调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变 氨酰 – tRNA的浓度变化 核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
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3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
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代谢物活化蛋白：
CAP（ Catabolite gene
activator protein ；
cAMP receptor
protein ）是一些启动 子起始转录必需的正调
控因子。 CAP 只有与 cAMP 结合后才能与 其结合区域结合。
cAMP
Low
Lactose
Present
Transcription of lac mRNA low rate of expression
High
Low Low
Low
High High
Absent
Absent Present
essentially none
essentially none high rate of expression
根据调控机制的不同：
正转录调控（positive transcription regulation）：
调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高
结构基因转录水平的作用。 负转录调控（negative transcription regulation）： 调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着 阻止结构基因转录的作用。
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外，其余5种σ 因子在结构上均具有同源
70 家族。
性，统称为σ
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σ
70 因子识别并结合在所调控基因上游的区域
Startpoint
- 35 - 10
TTGACA
σ
16-19 bp
TATAAT
5-9 bp
54 因子识别并结合在所调控基因上游的区域
Startpoint
- 24 - 12
阻遏物
β-半乳糖苷酶
透过酶 转乙酰酶 32
调节基因 lacI 的突变也可导致乳糖操 纵子基因的组成型表达。
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操纵区 lacO 的突变（lacO c）可导致乳 糖操纵子基因的组成型表达。
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（四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响 在葡萄糖存在时，E. coli 优先利用葡萄糖；此 时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含
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第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
阻遏物
β-半乳糖苷酶
透过酶
转乙酰酶
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阻遏蛋白基因（I） 启动区（P） lac 操纵子的结构 操纵区（O） Z Y A
三个结构基因
CAP-cAMP 结合部位

阻遏蛋白基因（I）属于组成型的调控，是经常表
达的，因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。
如：色氨酸操纵子
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可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白
的基因；
无诱导物时， 基因关闭
诱导物开启 基因来自百度文库
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可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所
必须的小分子物质。
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2、弱化子对基因活性的调节
弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核
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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); P247-248 2、mRNA加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription); 3、翻译水平上的调控（differential translation of mRNA)
CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复合 物取决于cAMP含量;
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腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄
糖运输的酶有关，因此cAMP－CAP调控乳
糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶; 降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在， 这些操纵元就不表达。
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2. A基因及其生理功能
立阻遏状态，导致 lac mRNA 的合成被抑制。
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（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能 Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组
成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚
基均含347个氨基酸残基。 lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
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阻遏物
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β-半乳糖苷酶
透过酶
转乙酰酶
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操纵区位于启动子与结构基因之间，与启 动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻 止RNA 聚合酶起始转录。
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乳糖操纵子控制模型的主要内容：
①一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因； ②操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始 结构基因的表达； ③操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点； ④操纵与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时， 即阻止RNA 聚合酶起始转录； ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之 不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。
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第一节 原核生物基因表达调控的概述
基因表达（gene expression)：是指DNA分子所承
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分子的过程，称为基因表达。 基因表达调控（gene regulation or gene control): 是指对基因表达过程的调节。
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CAP的结合部位
半乳糖操纵子
CAP结合部位
不太固定，方向也 可以不同。
阿拉伯糖操纵子 乳糖操纵子
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三、lac operon 的其它问题
lac operon的功能是在正负两个调控体系 的协调作用下实现的。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operator上解聚仍无转录活性；
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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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生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。
安慰诱导物（gratuitous inducers）：可诱导酶的合 成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。
IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac 基因的安慰诱
导物。
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二、乳糖操纵子的模型及其影响因子 操纵子模型： 一个或几个结构基因与一个调 节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单 元称为操纵子（operon）。
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基因调控的指挥系统：
营养水平（nutritional status) 原核生物 环境因素( environmental factors) 激素水平（hormone level) 真核生物 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
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调节基因产物与效应物结合 调节基因产物
基因表达
阻遏蛋白 激活蛋白 负控诱导系统 正控诱导系统
基因不表达
负控阻遏系统 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： σ 70、 σ 54、 σ 38、 σ 32、 σ 28、 σ 24。 除σ
编码β -半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖 苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！ 生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖 苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能 进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷 乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解 中起作用，但可抑制有害物质的积累。
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3. lac基因产物数量， 1：0.5：0.2
（二）、大肠杆菌对乳糖的反应
乳糖 本底水平透过酶 进入细菌细胞 本底水平β-半乳糖苷酶 葡萄糖-1,6-半乳糖 诱导物
阻遏蛋白
结合
阻遏蛋白失活， β -半乳糖苷酶和透过酶表达
细胞吸收大量乳糖 去向 葡萄糖 半乳糖 异构乳糖
结合
阻遏蛋白
当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建
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诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现
象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。 葡萄糖 抑制 腺苷酸环化酶的活 性 复合物 导致 环腺苷酸的合成 减少
环腺苷酸 代谢物激活蛋白
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复合物结合在启动子区域是乳 糖、半乳糖等糖类mRNA转录
所必需的。
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4、细菌的应急反应 是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找 到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。 应急反应的机理： 激活 空载的 tRNA
透过酶的产生又需要诱导物的存在；
诱导物的形成需要有β-半乳糖苷酶的存在；
β-半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；
在非诱导的状态下仍有少量的 lac mRNA合成，
这种合成被称为本底水平的组成型合成
（background level constitutive synthesis)。
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焦磷酸转移酶
鸟苷四磷酸 ppGpp 鸟苷五磷酸 pppGpp
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关闭一些基因 打开一些基因
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小
结
1、原核基因调控机制的类型与特点 正转录调控 负转录调控 诱导 阻遏
2、原核基因调节的主要特点
a 、特殊代谢物对基因表达的调节
b、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应
量很低。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
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（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 甘油 某些代谢产物抑制活性 腺苷酸环化酶 ATP cAMP Crp基因 编码 代谢物激活蛋白 CAP
cAMP-CAP