分子生物学 第七章 原核生物基因表达调控
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。
分子生物学-原核生物基因表达的调控
分子生物学-原核生物基因表达的调控(总分：531.00，做题时间：90分钟)一、名词解释(总题数：29，分数：58.00)1.基因表达(gene expression)（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(指生物的遗传信息(DNA或RNA分子)随着个体的生长发育，有序地将其所承载的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，执行各种生理生化功能完成生命的全过程。
并非所有基因的表达过程都产生蛋白质，rRNA和tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。
基因表达主要分为组成型和诱导型表达两种模式。
)解析：2.组成型表达(constitutive expression)（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(指在一个生物生命的全过程中以及一个个体的所有细胞类型中均持续表达，很少受环境因素影响的基因表达。
)解析：3.诱导型表达(inducible expression)（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(是指某些基因的表达极易受环境变化的影响，在特定环境信号的刺激下，有的基因表达开放或增强，有的基因表达关闭或下降。
根据诱导物的不同，诱导型表达又可分为可诱导的表达、可阻遏的表达和协调表达。
)解析：4.操纵子(operon)（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(原核生物基因表达和调控的单位，包括功能相关的几个结构基因和能被调控基因产物识别的DNA控制元件。
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
分子生物学复习总结题-第七章-基因表达调控
第七章基因表达调控一、选择单选：1. 关于“基因表达”的概念叙述错误的是A. 其过程总是经历基因转录及翻译的过程B. 某些基因表达产物是蛋白质分子C. 某些基因表达经历基因转录及翻译等过程D. 某些基因表达产物是RNA分子E. 某些基因表达产物不是蛋白质分子2. 关于管家基因叙述错误的是A. 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达B. 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达C. 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达D. 在生物个体的某一生长阶段持续表达E. 在一个物种的几乎所有个体中持续表达3. 目前认为基因表达调控的主要环节是A. 翻译后加工B. 转录起始C. 翻译起始D. 转录后加工E. 基因活化4. 顺式作用元件是指A. 基因的5’、3’侧翼序列B. 具有转录调节功能的特异DNA序列C. 基因的5’侧翼序列D. 基因5’、3’侧翼序列以外的序列E. 基因的3’侧翼序列5. 一个操纵子（元）通常含有A. 数个启动序列和一个编码基因B. 一个启动序列和数个编码基因C. 一个启动序列和一个编码基因D. 两个启动序列和数个编码基因E. 数个启动序列和数个编码基因6. 反式作用因子是指A. 对自身基因具有激活功能的调节蛋白B. 对另一基因具有激活功能的调节蛋白C. 具有激活功能的调节蛋白D. 具有抑制功能的调节蛋白E. 对另一基因具有功能的调节蛋白7. 乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是A. 葡萄糖B. 乳糖酶C. β一半乳糖苷酶D. 透酶E. 别乳糖8. Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的A. CAP结合位点B. O序列C. P序列D. Z基因E. I某因9. cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在A. 葡萄糖及cAMP浓度极高时B. 没有葡萄糖及cAMP较低时C. 没有葡萄糖及cAMP较高时D. 有葡萄糖及cAMP较低时E. 有葡萄糖及CAMP较高时10. Lac阻遏蛋白由A. Z基因编码B. Y基因编码C. A基因编码D. I互基因编码E. 以上都不是11. 色氨酸操纵子（元）调节过程涉及A. 转录水平调节B. 转录延长调节C. 转录激活调节D. 翻译水平调节E. 转录／翻译调节12.基因表达的产物不包括A.蛋白质B. mRNAC. rRNAD. SnRNAE. tRNA13.真核基因调控中最重要的环节是A. 基因重排B. 基因转录C. DNA的甲基化与去甲基化D. mRNA的衰减E. 翻译速度14.RNA聚合酶结合于操纵子的A. 结构基因起始区B. 阻遏物基因C. 诱导物D. 阻遏物E. 启动子15. cAMP对转录的调控作用是通过A. cAMP转变为CAPB. CAP转变为CampC. 形成cAMP-CAP复合物D. 葡萄糖分解活跃，使cAMP增加，促进乳糖利用来扩充能源E. cAMP是激素作用的第二信使，与转录无关16. 原核生物与DNA结合并阻止转录进行的蛋白质称为A. 正调控蛋白B. 阻遏物C. 诱导物D. 反式作用因子E. 分解代谢基因激活蛋白17.增强子A. 是特异性高的转录调控因子B. 是真核生物细胞内的组蛋白C. 原核生物的启动子在真核生物中就称为增强子D. 是增强启动子转录活性的DNA序列E. 是在结构基因的5'-端的DNA序列18.关于色氨酸操纵子的错误叙述是：A.trpR参与阻抑调控B.色氨酸阻抑结构基因转录C.前导序列参与色氨酸操纵子的衰减调控D.色氨酰tRNA参与色氨酸操纵子的衰减调控E.前导序列的序列3和序列4形成衰减子结构多选:1、基因表达调控环节包括A.DNA复制B.转录起始C.转录后加工D. mRNA降解E.翻译2、关于原核生物基因表达A.每个原核细胞的一切代谢活动都是为了适应环境而更好地生存和繁殖B.操纵子是原核生物绝大多数基因的表达单位C.原核生物基因表达的特异性由 因子决定D.原核生物基因表达既存在正调控，又存在负调控E.转录起始是原核生物基因表达主要的调控环节3、原核生物基因的调控序列包括A.启动子B.终止子C.操纵基因D.增强子E.衰减子4、原核生物基因的调控蛋白包括A.特异因子B.起始因子C.延长因子D.激活蛋白E.阻抑蛋白5、乳糖操纵子包含以下哪些结构？cZB. lacAC. lacOD. lacPE. lacI6、关于乳糖操纵子的错误叙述是：A.乳糖操纵子编码催化乳糖代谢的3种酶cI促进乳糖操纵子转录C.别乳糖促进乳糖操纵子转录D.CAP促进乳糖操纵子转录E.cAMP抑制CAP的激活效应7、色氨酸操纵子的结构A.含trpYB.含trpAC.含trpOD.含trpPE.含前导序列8、与RNA聚合酶活性调控有关的成分有A.tRNAB.核糖体C.严谨因子D.鸟苷五磷酸E.鸟苷四磷酸9、以下关于cAMP对原核基因转录的调控作用的叙述，正确的A. 葡萄糖与乳糖并存时，细菌优先利用乳糖B. cAMP-CAP复合物结合于启动子上游C. 葡萄糖充足时，cAMP水平不高D. cAMP可与CAP结合成复合物E. 葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖10、原核生物基因表达在翻译水平上的调控与那些因素有关？A.mRNA前体后加工B. mRNA稳定性C. SD序列D.翻译阻抑E.反义RNA11、以下哪些环节存在真核生物的基因表达调控A.DNA和染色质水平B.转录水平C. 转录后加工水平D. 翻译水平E. 翻译后加工水平12、与原核生物相比，真核生物的基因表达调控的特点是A.转录的激活与转录区染色质结构的变化有关B.转录和翻译分隔进行，具有时空差别C.转录后加工更复杂D.既有瞬时调控又有发育调控E.转录调控以正调控为主13、在真核生物基因表达调控过程中，DNA水平的调控包括哪些内容A.染色质结构改变B. DNA甲基化C. 基因重排D. 基因扩增E.染色质丢失14、关于真核生物基因表达转录水平的调控A.转录水平的调控实际上是对RNA聚合酶活性的调控B.RNA聚合酶Ⅱ是转录调控的核心C.转录水平的调控主要通过RNA聚合酶、调控序列和调控蛋白的相互作用来实现D.真核生物的调控序列又称顺式作用元件E.真核生物基因表达的调控蛋白即转录因子，又称为反式作用因子15、真核生物的调控序列有哪些？A.启动子B.终止子C.增强子D.沉默子E.衰减子16、哪些属于真核生物基因表达的调控蛋白A.转录因子B.反式作用因子C.通用转录因子D. 反式激活因子E.共激活因子17、哪些是真核生物调控蛋白所含的DNA结合域A.螺旋-转角-螺旋B.锌指C.富含脯氨酸域D.亮氨酸拉链E.螺旋-环-螺旋。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
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。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
分子生物学(朱玉贤第四版)复习提纲思维导图 7.原核生物基因表达调控
启动子 操纵子 操纵基因 结构基因 ←调节基因（调节蛋白） 阻遏蛋白 内因 基因表达 诱导物 外因（环境） 小分子效应物 阻遏物 正控阻遏 调节基因（调节蛋白） 激活蛋白 正转录调控 模型 正控诱导 负控阻遏 负转录调控 负控诱导
结构
乳糖操纵子
无乳糖 转录水平调控 负控诱导机制 有乳糖 无葡萄糖 正调控（葡萄糖效应） 有葡萄糖
《分子生物学》习题答案
《分子生物学》课后习题第1章绪论1.简述孟德尔、摩尔根和Waston等人对分子生物学发展的主要贡献。
孟德尔是遗传学的奠基人，被誉为现代遗传学之父。
他通过豌豆实验，发现了遗传学三大基本规律中的两个，分别为分离规律及自由组合规律。
摩尔根发现了染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论，是现代实验生物学奠基人。
于1933年由于发现染色体在遗传中的作用，赢得了诺贝尔生理学或医学奖。
Watson于1953年和克里克发现DNA双螺旋结构_（包括中心法则），获得诺贝尔生理学或医学奖，被誉为“DNA之父”。
2.写出DNA、RNA、mRNA和siRNA的英文全名。
DNA：deoxyribonucleic acid 脱氧核糖核酸RNA：ribonucleic acid 核糖核酸mRNA：messenger RNA 信使RNAtRNA：transfer RNA 转运RNArRNA：ribosomal RNA 核糖体RNAsiRNA：small interfering RNA 干扰小RNA3.试述“有其父必有其子”的生物学本质。
其生物学本质是基因遗传。
子代的性状由基因决定，而基因由于遗传的作用，其基因的一半来自于父方，一般来自于母方。
4.早期主要有哪些实验证实DNA是遗传物质？写出这些实验的主要步骤。
1)肺炎链球菌转化实验：外表光滑的S型肺炎链球菌（有荚膜多糖→致病性）；外表粗糙R型肺炎链球菌（无荚膜多糖）。
①活的S型→注射→实验小鼠→小鼠死亡②死的S型（经烧煮灭火）→注射→实验小鼠→小鼠存活③活的 R型→注射→实验小鼠→小鼠存活④死的S型+活的R型→实验注射→小鼠死亡⑤分离被杀死的S型菌体的各种组分+活的R型菌体→注射→实验小鼠→小鼠死亡（内只有死的S型菌体的DNA转化R型菌体导致致病菌）*DNA是遗传物质的载体2)噬菌体侵染细菌实验①细菌培养基35S标记的氨基酸+无标记噬菌体→培养1-2代→子代噬菌体几乎不含带有35S标记的蛋白质②细菌培养基32N标记的核苷酸+无标记噬菌体→培养1-2代→子代噬菌体含有30%以上32N标记的核苷酸*噬菌体传代过程中发挥作用的可能是DNA而不是蛋白质。
分子生物学-13-原核基因表达调控-1-概念分类
突触囊泡 召集
nd run
外吐
内吞
a: kiss and stay b: kiss and run c: clathrin-coated
Kiss and run
• Synaptotagmin-1 interacts with phospholipids in a calcium-dependent manner, as well as with syntaxin-1 and SNAREs, and Südhof established a role for synaptotagmin-1 as a calcium sensor for rapid synaptic fusion
基因转录激活调节“三要素”
1、特异DNA序列 原核生物的操纵子 真核生物的顺式作用元件
2、调节蛋白 是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏 蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、 真核生物的基本转录因子和特异转录因子等即反 式作用因子。
3、 RNA聚合酶
真核和原核细胞中的顺式作用元件
• 在原核生物中，大多数基因表达通过操 纵子模型进行调控，其顺式作用元件主 要由启动子、操纵子和调节基因组成。
7.0 基因表达调控相关的概念或观点
物种
遗传信息
DNA分子
生长
发育
分化 细胞
组织
规律
时空顺序
受精卵 关闭
基因表达 开启
活化状态
调控
功能基因组学
关闭状态
调控机制
• 人类基因组DNA中约含3.5万个基因，但 在某一特定时期，只有少数的基因处于 转录激活状态，其余大多数基因则处于 静息状态。
• 在大部分情况下，处于转录激活状态的 基因仅占5%。
第七章原核生物的基因调控
第七章原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称之基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称之基因表达调控(gene regulation或者gene control)。
要熟悉动、植物生长发育的规律、形态结构特征与生物学功能，就务必弄清晰基因表达调控的时间与空间概念，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。
基因表达调控要紧表现在下列几个方面：①转录水平上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)与环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物特别是高等真核生物中，激素水平(hormone level)与发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最要紧手段，营养与环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因的结构活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的操纵点。
可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。
其中转录起始是基因表达的基本操纵点。
四个基本的调控点：（1）基因结构的活化。
DNA暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
（2）转录起始。
最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。
（3）转录后加工及转运。
RNA编辑、剪接、转运。
（4）翻译及翻译后加工。
翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节。
分子生物学考试复习题及答案
分⼦⽣物学考试复习题及答案第⼀章绪论⼀．简述分⼦⽣物学的主要内容。
1.DNA重组技术（⼜称基因⼯程）2.基因表达调控研究3.⽣物⼤分⼦的结构功能的研究——结构分⼦⽣物学4.基因组、功能基因组与⽣物信息学研究⼆．什么是遗传学的中⼼法则和反中⼼法则？遗传学中⼼法则：描述从⼀个基因到相应蛋⽩质的信息流的途径。
遗传信息贮存在DNA中，DNA被复制传给⼦代细胞，信息被拷贝或由DNA转录成RNA，然后RNA翻译成多肽。
反中⼼法则：由RNA逆转录到DNA，再由DNA转录到RNA，然后RNA翻译成多肽、蛋⽩质。
第⼆章染⾊体与DNA⼀、名词解释半保留复制：DNA复制时，以亲代DNA的每⼀条链作为模版，合成完全相同的两个双链⾃带DNA分⼦，每个⼦代DNA分⼦中都含有⼀条亲代DNA链的复制⽅式。
冈崎⽚段：在DNA复制过程中，前导链能连续合成，⽽滞后链只能是断续的合成5 3 的多个短⽚段，这些不连续的⼩⽚段称为冈崎⽚段。
复制⼦：从复制原点到终点，组成⼀个复制单位，叫复制⼦。
插⼊序列：最简单的转座⼦，不含有任何宿主基因，它们是细菌染⾊体或质粒DNA的正常组成部分。
DNA的变性和复性：变性：指DNA双链的氢键断裂，完全变成单链。
复性：指热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。
双向复制：复制从⼀个固定的起始点开始，同时向两个⽅向等速进⾏。
引物酶：⼀种特殊的RNA聚合酶，在DNA模版上合成⼀段RNA链，这段RNA链是DNA复制起始时必需的引物。
转座⼦：存在与染⾊体DNA上可⾃主复制和位移的基本单位。
碱基切除修复：⾸先由糖苷⽔解酶识别特定受损核苷酸上的N-β糖苷键，在DNA上形成AP位点，由AP核酸内切酶把受损的核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去包括AP位点在内的⼩⽚段DNA，由聚合酶Ⅰ合成新⽚段，DNA连接酶最终把两者连接成新的DNA链。
DNA重组修复：即“复制后修复”。
机体细胞对在复制起始时尚未修复的DNA部位可先复制再修复。
在复制时，先跳过损伤部位，在和成链中留下⼀个缺⼝。
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
医学分子生物学参赛教案--乳糖操纵子
目 目标 （2）能够识别各种模式图中的分子互作。
标
情感 目标
（1）理解生命是个有序的有机系统； （2）生命之妙,在于调控； （3）生命活动的多样性以及统一性。
授 （1）乳糖操纵子的概念及其组成； 课 （2）乳糖操纵子负控诱导系统调控内容； 内 （3）lac 操纵子中的其他问题
个结构基因：Z、Y 和 A，以及启动子、控制 的特点联系乳糖操纵子的
子和阻遏子等，转录时 RNA 聚合酶首先与启 结构。 课堂互动内容： 动区（P）结合，通过操纵区（O）向右转录， 什么是安慰诱导物？
讲授法，图示法
转录从 O 区的中间开始，按 Z→Y→A，每次 为什么安慰诱导物可以诱
转录出来的一条 mRNA 上都带有这 3 个基因， 导乳糖操纵子表达，但又不
任课教师：
张武 讲师
所属学院：
农学与生物科学学院
课程管理部门（教研室）： 细胞与分子生物学教研室
学生所属学院：
药学与化学学院
大理大学教务处
课程名称
医学分子生物学
课程类型
Hale Waihona Puke 专业教育选修课授课内容
第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
所属章节 教材信息 任课教师
学历
第七章 原核基因表达调控 朱玉贤，李毅. 现代分子生物学（第四版）. 高等教育出版社， 2012.
大理大学课程教案
（理论教学）
课程名称：
医学分子生物学
课程类型：（ 2 ）1、必修；2、选修；3、其它
授课对象： 药学 专业（本科） 2016 级 1 班
药学 专业（本科） 2016 级 2 班
药学 专业（本科） 2016 级 3 班
分子生物学07
(2) DNA顺序重复
轻度、中度、高度重复序列三种：
轻度重复序列：单拷贝基因；一个基因组中有一个或几个拷贝 的序列；例如结构基因基本上属于不重复序列，如蛋清蛋白、 蚕的丝心蛋白等。
中度重复序列：l0个至几百个拷贝的序列;各种rRNA、tRNA及 某些结构蛋白基因（如组蛋白基因）。
高度重复序列：从几百到几百万个，通常说的卫星DNA就属于 高度重复序列。
顺式作用元件：是指那些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 的特异DNA序列。包括启动子、上游启动子元 件、增强子、加尾信号和一些反应元件等。
反式作用因子：是指真核细胞内含有的大量可 以通过直接或间接结合顺式作用元件而调节基 因转录活性的蛋白质因子。
增强子：位于真核基因中远离转录起始点，能 明显增强启动子转录效率的特殊DNA序列。它 可位于被增强的转录基因的上游或下游，也可 相距靶基因较远。
从不连续基因到成熟mRNA之间存在着一个基因转录的中间体,叫做初级 转录物，叫做不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA), 这个 基因的初级转录物既含有外显子又含有内合子序列，
从不均一核RNA到成熟mRNA要经过一转录后的加工拼接过程。
真核生物基因的不连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又 一重要特征。
5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的，基因的5' 端和3' 端往往富含甲 基化位点，而启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密 切相关。对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失去转录活性。 当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可以恢复其 转录活性。若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动子仍无转录活性。 因为甲基化对转录的抑制强度与MeCPl（methyl CpG-binding protein l）结 合DNA的能力成正相关，甲基化CpG的密度和启动子强度之间的平衡决定 了该启动子是否具有转录活性。
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。
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（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；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
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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 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。
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
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
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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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；
分子生物学-13-4-第七章原核基因表达调控-Arb
因此只有在没有葡萄糖的时候，同时又有半乳糖的时候，启动子1才是开放的为什么gal 操纵子需要两个转录起始位点？（涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能）半乳糖两个作用： 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal ）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。
而启动子也有两个： galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半乳糖时进行，以保证碳源的供应。
galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半乳糖时进行，以保证细胞壁的合成需要。
生理功能（可以理解为生物学意义？）无论从必要性和经济性考虑，都要有一个不依赖于cAMP-CAP 的启动子(s2) 进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMP-CAP 的启动子(s1),进行高水平的调节，这样既可以满足细胞最基本的需要（细胞壁），又可以满足在没有葡萄糖而有半乳糖时，细胞能够利用半乳糖进行生长。
进一步解释:gal P2是不依赖于cAMP-CRP 的，相反： cAMP-CRP 对gal P2还起到一种抑制作用，这是因为其与结合位点的结合，会影响到RNA 聚合酶对gal P2的利用。
因此教材上（page257）认为：只有S2活性完全被抑制时，（S1）的调控作用才是有效的。
7.4.2 阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)araB 基因、araA 基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD三个基因的表达受到ara 操纵子中araC 基因产物AraC 蛋白的调控。
C 蛋白有三个结合位点O2、O1和 I 。
I BADCRPO2O1C结构基因调节基因P BADaraC 基因是araBAD 的调节基因L核酮糖激酶L阿拉伯糖异构酶L核酮糖-5-磷酸-4-差相异构酶结合到ara I 的时候，由于araBAD的启动子本身与ara I有部分重叠，另外还可以引起上游序列回折弯曲，使得AraC同时与O2结合，从而使CRP 聚合酶也不能结合到启动子上，araBAD基因不转录。
分子生物学基础第七章真核基因表达的调控第三节真核基因表达转录水平的调控
第七章 真核基因表达的调控
第三节 真核基因表达转录水平的调控
一、真核基因转录与染色质结构变化的关系 DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质， 染色质的结构影响转录，至少有以下现象： 1．染色质结构影响基因转录 在真核细胞中以核小体为基本单位的染色质是真核基 因组DNA的主要存在方式。DNA盘绕组蛋白核心形成核小体， 妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠近和结合，使基因的 活性受到抑制。 2．组蛋白的作用 组蛋白H1及核心组蛋白共同参与核小体的组装与凝聚。 在特殊氨基酸残基上的乙酰化、甲基化或磷酸化等修饰， 可改变蛋白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，从而 调节基因的活性。
第三节 真核基因表达转录水平的调控
图7-6 碱性螺旋-环-螺旋结构图
第三节 真核基因表达转录水平的调控
螺旋-转角-螺旋结构域是最早发现于原核生物中的一个关键因子， 该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。 其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列 相识别的氨基酸。其结构如图7-3所示。
图7-3 螺旋-转角-螺旋结构及其与 DNA的结合
第三节 真核基因表达转录水平的调控
2．增强子 增强子是指能使基因转录频率明显增加的DNA序列。增强子的作 用有以下特点。 ①增强效应十分明显。一般能使基因转录频率增加10~200倍，有 的可以增加上千倍， ②增强效应与其位置和取向无关。 ③大多为重复序列。 ④增强效应有严密的组织和细胞特异性。说明只有特定的蛋白质 （转录因子）参与才能发挥其功能。 ⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。 ⑥许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区 上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。 ⑦增强子要有启动子才能控
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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
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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；
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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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。
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
（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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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
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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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11
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
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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。
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
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
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。
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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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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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。
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ห้องสมุดไป่ตู้功能
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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；
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
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
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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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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)
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