《现代分子生物学》第七章原核生物基因表达调控

诱导作用和阻抑作用都能对细菌的代谢能力 进行调控。前者调节细菌使用某种物质的能 力，后者调节合成特定代谢中间产物的能力。 每种调节的诱发剂都是小分子物质，或为酶 的底物，或为酶所催化合成的产物。
诱导物或辅阻抑物的作用是高度特异的，仅 有特定的或密切相关的分子能发挥作用。但 这些小分子并不直接与其调控的目标酶分子 相互作用而实现其调控功能。
4.操纵基因和阻抑蛋白
操纵基因（operator）是与启动子相邻的顺式 作用位点，是阻抑蛋白的靶点。阻抑蛋白 （repressor）是调节基因的产物，与操纵基 因的结合可以阻止受调节基因的表达。
当阻抑蛋白与操纵基因结合时，就会阻止 RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关闭。 在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识别受调 节基因的启动子，使这种基因得到表达。
调节基因（regulator gene）仅指参与其他基 因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特 定位点结合而控制受调节基因的转录是基 因表达调控的关键。
3. 启动子和终止子
位于转录单位开始和结束位置上的DNA序 列，称为启动子（promoter）和终止子 （terminator）。两者都是典型的顺式作用 元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合 酶的识别。
正调控和负调控
正调控 负调控 诱导(induction) 阻遏(repression) 诱导物(inductor) 阻遏物(repressor) 辅阻遏物(corepressor) 使阻遏蛋白具有活性
或使活性蛋白失去活性的物质称～。
负调控
Lac O
诱
正调控 Ara O
乳糖操纵子同样存在正调控。
在没有诱导物存在的情况下，存在lac操纵 子的本底水平的表达。
2 cAMP对乳糖操纵子转录的激活作用
细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候， 葡萄糖可以抑制β-半乳糖苷酶表达的一个很 重要的因素是葡萄糖降低了细菌体内cAMP 的水平。
生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合到 启动子的某个部位而激活操纵子的转录。
顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转变为 任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥 DNA序列的作用，仅影响与其物理上相连的 DNA序列的活性。
基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是 蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互 作用而实现。
2. 结构基因和调节基因
结构基因（structural gene）是编码蛋白质或 RNA的任何基因。结构基因编码大量的功 能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结 构蛋白和酶等。
异丙基硫代-β-D-糖苷（IPTG）虽然不能被 β-半乳糖苷酶分解，但它是乳糖操纵子非常 有效的诱导物。
这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分 子称为义务诱导物（gratutious inducer）。 义务诱导物由于能在细胞内保持原型不变， 因此很有用处，而真正的诱导物会被代谢 分解掉。
阻抑蛋白的作用机制
1. 阻抑蛋白及其靶DNA序列的对称性 阻抑蛋白识别位点的共有特点就是具有对
称性。靠近对称轴的一对反向重复序列在 阻抑蛋白结合过程中起主要作用。阻抑蛋 白的结构也具有对称性。
阻遏蛋白的结构：
N端1～59aa－头部片段：为HTH，与操纵 基因DNA的大沟结合；
核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两 个核心区之间的裂缝中；
5. 转录因子
转录因子（transcription factor ）是转录起始 过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录 因子是参与正调控的反式作用因子，在无转 录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。
转录因子通常识别位于基因上游启动子附近 的顺式作用元件。
操纵子（operon) 顺式作用元件（cis-acting element） 结构基因（ structural genes） 调节基因（regulator genes）。 反式作用因子（trans-acting factor）。 诱导物（inducer）和效应物（effectors） 可诱导的基因和组成型基因
a
a
a
a 图 16-14 在细胞中所有的阻遏蛋白都结合在 DNA 上 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.18)
gal aroH trp trpR lac
Startpoint
Promoter Operator location
图 16-13 操纵基因可位于启动子不同的相对位点
诱导物 和阻遏
蛋白结 合的模
型
维持阻遏
阻遏物结合在 操纵基因上 aaaa aaa a a 诱导物 a
过量的阻遏物可结
合在 DNA 的其它位点
诱导
所有的阻遏物都结合
aa
在 DNA 的随机位点上
a
a
a
aa 诱导物解离
a 建立阻遏
阻遏物恢复
活性状态
a
a
a
阻遏蛋白通过直接取代
a
从随机位点移向
a
操纵基因
a
a
C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。
Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2
1
51
80
360
DNA binding Hinge
Inducer binding Oligomerization
图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能
2. 阻抑蛋白结构与 功能的关系
控制位点（controlling site） 诱导（induction）
第二节 转录水平的调控
原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。
原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。
在细菌中，cAMP与CAP（catabolite activator protein，CAP）二聚体结合形成二 元复合物共同发挥作用。只有cAMP存在时， CAP才有活性。
CAP是一个正调控因子，在依赖CAP的启动 子上起始转录必须有CAP参与。cAMP下降， CAP就不能与控制区结合，RNA聚合酶就 不能启动转录。
反式作用因 子通常为蛋 白质或RNA， 其特征为可 以从合成地 扩散到目标 场所发挥作 用。
顺式作用元件（cis-acting factor）是指对基因表 达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自 身同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件 通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。
1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达调 控的模型——操纵子学说，解释了原核生物的 基因表达在转录水平上是如何调控的。
操纵子（operon）就是由操纵基因（operator） 以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位。 操纵子还包括一个结合RNA聚合酶的启动子。
操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控制 元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构基因 的转录。阻抑蛋白是调节基因的表达产物， 是参与操纵子调节的反式作用因子。
第七章 原核生物基因表达调控
机体可以在基因 表达过程（DNA 到蛋白质）的任 何阶段进行调控， 一般以转录水平 上的调控为主。
第一节 基因表达调控的基本概念
1. 反式作用因子与顺式作用元件
基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场 所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为 反式作用（trans-acting），此基因表达产物 被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。
CAP激活转录有两种方式：
lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于 结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何 地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达 产物属于反式作用因子。
lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻抑蛋 白（lac repressor）。它的功能是阻止结构 基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属 于负调控。
细菌快速应答环境营养成分的变化的能 力不仅表现在分解新底物方面，而且也 用来关闭突然在培养基中的化合物的内 源性合成，这种效应就是所谓的阻抑作 用（repression）。大肠杆菌色氨酸操纵 子即是阻抑作用的例子。
如果某种小分子物质能够阻止细菌产生 合成其自身的酶，这种小分子物质叫做 辅阻抑物（corepressor）。
阻抑蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基因 （O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动子的 转录起始而发挥作用。实际是一个抗解链 蛋白，阻止形成开放结构。
Operator mutations are constitutive because the operator is unable to bind repressor protein；this allows RNA polymerase to have unrestrained access to the promoter .The Oc mutations are cis-acting ，because they affect only the contiguous set of structural
原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个 启动子开始转录成单个mRNA分子。
一、诱导作用和阻抑作用
细菌应答某种特定物质出现而合成特定酶 的过程，称为诱导作用（induction）。大肠 杆菌乳糖操纵子是这种机制最好的范例。
如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶 将其自身分解，这种小分子物质就叫做诱 导物（inducer）。
加入诱导物以后，释放出阻抑蛋白，被关闭的 复合物转变为开放的复合物，起始转录。
(a)
(b)
诱导 物的
结合
解离 模型
图 16－10 诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与 结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.13)
二、乳糖操纵子
1 乳糖操纵子与负控诱导系统
乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个结 构基因成簇排列，编码参与β-半乳糖苷（如 乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质：lacZ编 码β-半乳糖苷酶，lacY编码β-半乳糖苷透性酶， lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶。
lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻， 但它不与结构基因属于同一转录单位，它 有自己独立的转录单位，含有自己的启动 子和终止子。
乳糖操纵子的阻抑 蛋白为两个二聚体 结合在一起形成的 四聚体结构。四个 亚基的螺旋连在一 起，ຫໍສະໝຸດ Baidu持四聚体结 构。
每个二聚体都 有两个头段， 两个头段在一 起结合一个操 纵基因序列。 这使整个阻抑 蛋白能够同时 结合操纵基因 的两个位点。
完整的四聚 体阻抑蛋白 能够同时与 操纵基因结 合，亲和力 较不完整的 阻抑蛋白高 很多。
genes.
Mutations that inactivate the lacI gene operon to be constitutively expressed,because the mutant repressor protein cannot bind to the operator.
导 阻遏物 阻遏
阻
诱导物 诱导
失活的阻遏物 Trp O
失活的活性蛋白 阻遏
活化的激活蛋白 诱导物
诱导
未发现
遏 失活的活性蛋白
诱导
辅-阻遏物 阻遏
活化的激活蛋白 诱导
辅-阻遏物 失活的活性蛋白 阻遏
图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.21)
与诱导物结合可直 接引起阻抑蛋白构 象发生改变，使两 个二聚体的头段不 再同时与DNA结合， 使多亚基阻抑蛋白 失去优势，降低了 与操纵基因结合的 亲和力。
3. 阻抑蛋白对RNA聚合酶功能的影响
阻抑蛋白和RNA聚合酶可同时与DNA结合， 而且阻抑蛋白与DNA的结合能够增强RNA聚 合酶结合DNA的能力，但是结合着的RNA聚 合酶不能起始转录。