分子生物学-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。
分子生物学课件 第9章 原核生物基因调控
结合araI时，araI作为正控制的元件，促进araBAD 基 因的表达 。
34
9.7 翻译水平的调控
9.7.1反义RNA的调控
聂理
35
反义RNA
反义RNA有多种符号 = antisense RNA = -RNA = stRNA(small temporal RNA) = micRNA（ mRNA-interfering complementary RNA） 即 干扰和抑制mRNA翻译的互补RNA片段
为诱导物开启lac操纵子结构基因……。
17
9.4.2乳糖操纵子正控制机理
CRP：cyclic AMP receptor protein， =“cAMP受体蛋白”， =“降解物基因活化蛋白（CAP）” ①当环境中有葡糖时： 抑制cAMP 产生，纯CAP是失活态蛋白。 ②当环境中无葡糖时： 有利于 cAMP 产生和cAMP-CAP形成。
22
9.5.2 衰减子
衰减子也叫弱化子
attenuator
聂理
23
9.5.2.1衰减子组成
trp操纵子前导区L，转录出RNA前导序列161nt。
1~26nt翻译的 SD序列区
27~71nt含14个氨基酸 密码的前导肽区
115~159nt衰减子区
具有终止子 结构特征
24
9.5.2.2衰减子调控机制
41
9.7.3 核开关 riboswitch
核开关也叫核糖开关。 是mRNA所形成的调节基因表达的结构。 在mRNA的非翻译区（5’-UTR,3’-UTR）， 与小分子效应物可逆结合而改变其结构， 根据构象特征信号来影响mRNA的表达， （如影响转录、翻译等） 从而达到调控基因开关的目的。
分子生物学：第5章原核生物基因表达调控习题
第五章原核生物基因表达调控一、名词解释：1. 操纵子2. 基因表达3. 看家基因4. 正调控和负调控5. 安慰诱导物6. 衰减子（弱化子）7. 魔斑8. 结构基因和调节基因9. 本底水平表达二、填空1. 操纵子的基因表达调节系统属于水平的调节,乳糖操纵子模型由和1961年提出的。
色氨酸操纵子包括和两方面的调控。
2. 能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物称为诱导物。
能够诱导乳糖操纵子的化合物就是其中一例。
这种化合物同蛋白质结合，并使之与分离。
乳糖操纵子的体内功能性诱导物是。
3. 色氨酸是一种调节分子，被视为。
它与一种蛋白质结合形成。
通过控制起作用。
色氨酸操纵子受另一种系统------ 的调控，它涉及到第一个结构基因被转录前的转录。
4. 大肠杆菌乳糖操纵子调节基因编码的与结合，对Lac结合，对Lac表达实施负调控；与复合物结合于上游部分，对Lac表达实施正调控。
5. 操纵子中没有基因产物的是和三、选择题1. 下面哪些真正是乳糖操纵子的诱导物？（BDE）A. 乳糖B. 蜜二糖C. O- 硝基苯酚-β-半乳糖苷（ONPG）D. 异丙基-β-巯基-半乳糖苷E. 异乳糖2. 色氨酸操纵子的调控作用是受两个相互独立的系统控制的，其中一个需要前导肽的翻译，下面哪一种调控这个系统？（B）A. 色氨酸B. 色氨酰-tRNA TrpC. 色氨酰-tRNAD. cAMPE. 以上都不正确3. 阻遏蛋白(阻抑蛋白)识别操纵子中的（ C ）A. 启动基因B. 结构基因C. 操纵基因D. 内含子E. 外显子4. 乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A. 与启动子结合B. 与DNA结合影响模板活性C. 与RNA聚合酶结合影响其活性D. 与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNAE. 与操纵基因结合5. 下面那项不属于原核生物操纵元的结构A. 启动子B. 终止子C. 操纵子D. 内含子6. 下列有关操纵子的论述哪个是错误的（）A. 操纵子是由启动基因、操纵基因与其所控制的一组功能上相关的结构基因组成的基因表达调控单位B. 操纵子不包括调节基因C. 代谢底物往往是该途径的可诱导酶的诱导物，代谢终产物往往是可阻遏酶的辅阻遏物D. 真核细胞的酶合成也存在诱导和阻遏现象，因此也是由操纵子进行调控的7. 操纵子调节系统属于哪一种水平的调节？A 复制水平的调控B 转录水平调控C 转录后加工的调控D 翻译水平的调控8. 对调节基因下述哪些论述哪些是对的（）A 是编码阻遏蛋白的结构基因B 各种操纵子的调节基因都与启动基因相毗邻C 调节基因是操纵子的组成部分D 调节基因的表达另有转移的调控区9. 以下有关阻遏蛋白的哪些是对的（）A 阻遏蛋白是调节基因表的的产物B 可诱导操纵子的阻遏蛋白具有直接与操纵子基因结合的活性，与诱导物相互作用后丧失活性C 可阻遏操纵子的阻遏蛋白没有直接与操纵子基因结合的活性，与辅阻遏物结合后才有此活性D 阻遏蛋白可与RNA聚合酶竞争同一结合部位10. 关于启动基因的下述论点哪些是错误的（）A 启动基因是RNA聚合酶识别并最县结合的一段DNA序列B 启动基因是最先被RNA聚合酶转录的DNA 序列C 启动基因是DNA上富含A-T碱基对的部分D 启动基因是引发DNA复制的特殊序列11. 下列有关降解物基因活化蛋白（CAP）的哪些论点是正确的（）A CAP-cAMP可专一地与启动基因结合，促进结构基因的转录B CAP可单独与启动子相互作用，促进转录C CAP-cAMP可与调节基因结合，控制阻遏蛋白的合成D CAP-cAMP可与RNA聚合酶竞争地结合于启动基因，从而阻碍结构基因的转录12. 与乳糖操纵子操纵基因结合的物质是（）A RNA聚合酶B DNA聚合酶C 阻遏蛋白D 反密码子四、是非题1. 葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖并启动乳糖操纵子（）2. 小分子物质如ITPG诱导乳糖操纵子表达时起负调控作用与操纵基因相结合阻抑结构基因的表达（）3. 色氨酸操纵子中含有衰减子区，其调控作用主要受Trp浓度高低影响（）4. 色氨酸操纵子（trpoperon）中含有衰减子序列（）5. cAMP在laz操纵子中起正调控作用，其浓度受环境中的葡萄糖影响，与其浓度成正比（）6. 大肠杆菌乳糖操纵子真正的诱导物不是乳糖，而是它的异构体别乳糖（）7. 操纵基因又称操纵子，如同启动基因又称启动子一样（）8. 可诱导操纵子是负责调节糖分解代谢的，可阻遏操纵子是负责调节氨基酸代谢的（）五、问答题：1. 试述乳糖操纵子的结构及负控诱导的调控机理2. 如何区别可诱导和可阻遏的基因调控。
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。
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)。
分子生物学原理：第十二章 基因表达调控1
基本方式。
二、乳糖操纵子调节机制
结构基因：lacZ（β－半乳糖苷酶） lacY（通透酶） lacA （乙酰基转移酶）
操纵序列：O1、 O2、O3 启动子：P
CAP结合位点
调节基因：I
Lac操纵子结构及其负性调节
Lac操纵子的调节
1、阻遏蛋白的负调节
阻遏基因
DNA
I
真核基因组结构庞大
真核基因组含有大量重复序列
多拷贝序列
高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列
真核生物以染色质的形式储存遗传信息
真核生物转录与翻译分割进行
真核基因转录产物为单顺反子
真核基因具有不连续性
真核生物线粒体DNA也储存遗传信息
二、染色质的活化
反式作用因子（trans-acting factor） ——由某一基因表达产生的蛋白质因子，与被
调节的DNA调节序列相互作用而发挥作用，这些蛋 白质分子称为反式作用因子。
反式作用因子直接作用： •直接结合DNA序列
反式作用因子间接作用： •通过蛋白质－蛋白质相 互作用发挥功能
基因表达调控的生理意义
基因表达的时间特异性和空间特异性
基因表达的持续性
管家基因
基因表达的可诱导性
诱导与阻遏
二、基因表达调控
1
多层次
DNA 基因激活 、拷贝数重排 、DNA 甲基化 RNA 转录起始、转录后加工、mRNA降解
蛋白质 蛋白质翻译、翻译后加工修饰、蛋白质降解
2
在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为
II. 增强子(enhancer)
增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。
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 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
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
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-13-原核基因表达调控-2-lac and trp
腺甘酸环化酶
ATP
cAMP（环腺甘酸）
大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高； 有葡萄糖，cAMP浓度低
CAP的正调控
DNA
+ + + + 转录
cAMP
CAP P O 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
RNA聚合酶就不能与-35序列结合，后面
的基因就不能启动。
乳糖操纵子上游还存在有一种正控制。
LacZ
Page259图7-16中错误：“操纵子区”应为“操作子区”
操作子的序列特征
-10
+1
+10
+20
+30
.
.
.
.
.
5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′
CAP Lactose only Neither Both
Lac I
operon status
off
RNA polymerase
on
mRNA
off
off
CAP site promoter operator Lac Z
动画版
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
-20
-10
操+1
LacI结合在操作子上，阻遏LacZ的表达， LacI La作cI
cAMP-CAP
CAP
因为阻碍了RNA聚合酶的结合。而乳糖可
子
位点
-60 以诱导它。诱导之后RNA聚合酶才能够结
分子生物学第11.5章原核基因转录水平的调控
4.细菌的应急反应
上述3个方面是细菌处于正常生活条件下的基 因表达调节方式，这种正常也包括生活环境中缺 少某一种或两种物质，但能找到代用物。可是， 细菌有时会遇到十分恶劣的环境，比如氨基酸饥 饿时，就不是缺少一两种氨基酸，而是氨基酸全 面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生 应急反应，包括合成各种 RNA、糖、脂肪和蛋白 质在内的几乎全部生化反应过程均被停止。
Ⅲ，它们催化合成的RNA种类不同。
大肠杆菌RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶通常认为由 5个亚基组 成，即α2、β、β＇及σ，这5个亚基组成的酶叫全 酶，而只由 α2 、 β 、 β ＇ 4 个亚基组成的酶叫做核
心酶。此外，还可以看到一个相对分子量在
10000 左右的 ω 亚基，其功能尚不清楚；后来又
原核基因启动子的一般结构
原核生物基因的启动子有两个保守的区域，一 个位于－10处，称为Pribnow box，另一个位于－35 处，称为Sextama box。它们的保守性为 Sextama box T82T84G78A65C54A45 Pribnow box T80A95T45A60A50T96
结合的作用。
RNA的转录过程
转录起始
原核RNA聚合酶通过σ亚基发现启动子－
35 区识别位点后，首先与－ 35 区序列结合成 一个封闭的启动子复合体，几乎与此同时， 全酶向－ 10 序列转移并与之紧密结合，使－ 10 区及转录起始区发生局部解链而形成开放 型复合体。
RNA的转录过程
转录起始
在开放型复合体中， RNA 聚合酶上的起始
调节基因表达的作用。
2.衰减子对基因表达的调节
在这种调节方式中，起信号作用的是特定氨 酰－ tRNA的浓度，如对色氨酸操纵子来说，高 浓度的色氨酰－ tRNA抑制色氨酸操纵子的表达。
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：原核基因表达调控模式
添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到 满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开动一些不 常用的基因去利用这些稀有的糖类。
葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少
环腺苷酸（cAMP）的合成，与它相结合的蛋白质，
即 环 腺 苷 酸 受 体 蛋 白 CRP 又 称 分 解 代 谢 物 激 活 蛋 白 CAP，因找不到配体而不能形成复合物。
负控诱导 阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结 构基因不转录；与之结合则转录。
负控阻遏 阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。 阻遏蛋白作用的部位是操纵区。
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。
正控诱导系统 效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白 处于活性状态；
葡萄糖 cAMP Lac操纵子被抑制
DNA
+ + + + 转录
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
协调调节
负性调节与正性调节协调合作
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P上解聚仍无转录活性
23
• 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。 ② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P）， 不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 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。 ④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结 合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻 遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。
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
2022/10/18
16
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
2022/10/18
17
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）。
2022/10/18
35
（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。
2022/10/18
22
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
《分子生物学》第五章期末习题
《分子生物学》第五章期末习题第5章原核生物基因表达调控-习题答案一、名词解释基因表达调控：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
组成性基因表达：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
管家基因：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
诱导表达：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
阻遏表达：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
反式作用因子：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
操纵子：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
SD序列：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
阻遏蛋白：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
分子生物学：第5章原核生物基因表达调控习题
分子生物学：第5章原核生物基因表达调控习题第五章原核生物基因表达调控一、名词解释：1. 操纵子2. 基因表达3. 看家基因4. 正调控和负调控5. 安慰诱导物6. 衰减子（弱化子）7. 魔斑8. 结构基因和调节基因9. 本底水平表达二、填空1. 操纵子的基因表达调节系统属于水平的调节,乳糖操纵子模型由和1961年提出的。
色氨酸操纵子包括和两方面的调控。
2. 能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物称为诱导物。
能够诱导乳糖操纵子的化合物就是其中一例。
这种化合物同蛋白质结合，并使之与分离。
乳糖操纵子的体内功能性诱导物是。
3. 色氨酸是一种调节分子，被视为。
它与一种蛋白质结合形成。
通过控制起作用。
色氨酸操纵子受另一种系统------ 的调控，它涉及到第一个结构基因被转录前的转录。
4. 大肠杆菌乳糖操纵子调节基因编码的与结合，对Lac结合，对Lac表达实施负调控；与复合物结合于上游部分，对Lac表达实施正调控。
5. 操纵子中没有基因产物的是和三、选择题1. 下面哪些真正是乳糖操纵子的诱导物？（BDE）A. 乳糖B. 蜜二糖C. O- 硝基苯酚-β-半乳糖苷（ONPG）D. 异丙基-β-巯基-半乳糖苷E. 异乳糖2. 色氨酸操纵子的调控作用是受两个相互独立的系统控制的，其中一个需要前导肽的翻译，下面哪一种调控这个系统？（B）A. 色氨酸B. 色氨酰-tRNA TrpC. 色氨酰-tRNAD. cAMPE. 以上都不正确3. 阻遏蛋白(阻抑蛋白)识别操纵子中的（ C ）A. 启动基因B. 结构基因C. 操纵基因D. 内含子E. 外显子4. 乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A. 与启动子结合B. 与DNA结合影响模板活性C. 与RNA聚合酶结合影响其活性D. 与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNAE. 与操纵基因结合5. 下面那项不属于原核生物操纵元的结构A. 启动子B. 终止子C. 操纵子D. 内含子6. 下列有关操纵子的论述哪个是错误的（）A. 操纵子是由启动基因、操纵基因与其所控制的一组功能上相关的结构基因组成的基因表达调控单位B. 操纵子不包括调节基因C. 代谢底物往往是该途径的可诱导酶的诱导物，代谢终产物往往是可阻遏酶的辅阻遏物D. 真核细胞的酶合成也存在诱导和阻遏现象，因此也是由操纵子进行调控的7. 操纵子调节系统属于哪一种水平的调节？A 复制水平的调控B 转录水平调控C 转录后加工的调控D 翻译水平的调控8. 对调节基因下述哪些论述哪些是对的（）A 是编码阻遏蛋白的结构基因B 各种操纵子的调节基因都与启动基因相毗邻C 调节基因是操纵子的组成部分D 调节基因的表达另有转移的调控区9. 以下有关阻遏蛋白的哪些是对的（）A 阻遏蛋白是调节基因表的的产物B 可诱导操纵子的阻遏蛋白具有直接与操纵子基因结合的活性，与诱导物相互作用后丧失活性C 可阻遏操纵子的阻遏蛋白没有直接与操纵子基因结合的活性，与辅阻遏物结合后才有此活性D 阻遏蛋白可与RNA聚合酶竞争同一结合部位10. 关于启动基因的下述论点哪些是错误的（）A 启动基因是RNA聚合酶识别并最县结合的一段DNA序列B 启动基因是最先被RNA聚合酶转录的DNA 序列C 启动基因是DNA上富含A-T碱基对的部分D 启动基因是引发DNA复制的特殊序列11. 下列有关降解物基因活化蛋白（CAP）的哪些论点是正确的（）A CAP-cAMP可专一地与启动基因结合，促进结构基因的转录B CAP可单独与启动子相互作用，促进转录C CAP-cAMP可与调节基因结合，控制阻遏蛋白的合成D CAP-cAMP可与RNA聚合酶竞争地结合于启动基因，从而阻碍结构基因的转录12. 与乳糖操纵子操纵基因结合的物质是（）A RNA聚合酶B DNA聚合酶C 阻遏蛋白D 反密码子四、是非题1. 葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖并启动乳糖操纵子（）2. 小分子物质如ITPG诱导乳糖操纵子表达时起负调控作用与操纵基因相结合阻抑结构基因的表达（）3. 色氨酸操纵子中含有衰减子区，其调控作用主要受Trp浓度高低影响（）4. 色氨酸操纵子（trpoperon）中含有衰减子序列（）5. cAMP在laz操纵子中起正调控作用，其浓度受环境中的葡萄糖影响，与其浓度成正比（）6. 大肠杆菌乳糖操纵子真正的诱导物不是乳糖，而是它的异构体别乳糖（）7. 操纵基因又称操纵子，如同启动基因又称启动子一样（）8. 可诱导操纵子是负责调节糖分解代谢的，可阻遏操纵子是负责调节氨基酸代谢的（）五、问答题：1. 试述乳糖操纵子的结构及负控诱导的调控机理2. 如何区别可诱导和可阻遏的基因调控。
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二、基因表达的方式 组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）
1、组成性表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
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(housekeeping gene)。
2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响
Contents
基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子
其他操纵子
转录后水平上的调控
第三节 乳糖操纵子(lac
内容提要：
operon)
乳糖操纵子的结构
酶的诱导——lac体系受调控的证据
乳糖操纵子调控模型
影响因子 Lac操纵子中的其他问题
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 ② 翻译水平上的调控
regulation ）
① mRNA加工成熟水平上的调控
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
2、适应性表达
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的现象称为诱
导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因 (inducible gene)；
•
相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现 象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的 基因(repressible gene)。
N7
N7
A
A
lac recA
Ara BAD
TTTACA TTGATA
CTGACG TTGACA
N17
N16 N16
TATGTT
TATAAT TACTGT TATAAT
N6
N7 N6
A
A A
共有序列
•操纵序列是阻遏蛋白的结合位点 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
成。操纵基因受调节基因产物的控制。
启动子 (promoter) 阻遏蛋白基因 操纵序列 (operator)
结构基因
特异DNA序列
蛋白质因子
• 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。 -35区 trp
tRNATyr
-10区
N17
N16
RNA转录起始
TTGACA
TTTACA
TTAACT
TATGAT
在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的
空间特异。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性 (cell or tissue specificity)。
四、基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序列
操纵序列 阻遏蛋白
编码序列
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。
基因的表达与调控 ——原核基因表达调控模式
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
Contents
基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子
其他操纵子
转录后水平上的调控
第一节 基因表达调控的基本概念 一、基因表达的概念
gene expression ：基因转录及翻译的过程。 对这个过程的调节就称为gene regulation 。
rpoD rpoN rpoH
σ32
σ28
rpoS
rpoF
热休克基因的表达调控
鞭毛趋化相关基因的表达调控
σ24
rpoE
过度热休克基因的表达调控
• 温度较高,诱导产生各种热休克蛋白
由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答
基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋
白,适应环境需要 • 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因 的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达
• 维持个体发育与分化（真核）
Contents
基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子
其他操纵子
转录后水平上的调控
第二节 原核基因调控机制
内容提要： 原核基因表达调控环节 操纵子学说
原核基因调控机制的类型与特点
转录水平上调控的其他形式
原核生物基因组结构特点
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子 ① 基因组中很少有重复序列； ② 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单 拷贝基因，但编码 rRNA 的基因仍然是多拷贝 基因； ③ 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%） 远远大于真核基因组； ④ 许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
最常见的DNA结合域：
1. 锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
2
3
1
stand for zinc ion
2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
usually binds to CAAT box
三、原核基因调控机制的类型与特点
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
结构基因
调节基因
操纵基因
激活蛋白 正转录调控
阻遏蛋白
负转录调控
正转录调控 如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入 这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控
正转录调控。
结构基因
调节基因
操纵基因
激活蛋白 正转录调控
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在
β -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，
需要有β -半乳糖甘酶的预先存在。
操纵位点的回文序列
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI
P O
lacZ
lacY
lacA
图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上
⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象， 使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被 阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的 合成。
一、乳糖操纵子的结构
• 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。
二、酶的诱导——lac体系受调控的证据
根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：
• 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）
结合时，结构基因转录；
• 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）
结合时，结构基因不转录。
4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在 使激活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存 在使激活蛋白处于非活性状态。
诱导：基因被打开
β -半乳糖苷酶
透性酶
乙酰转移酶
图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关
组成型突变： lacOc
组成型突变： lacI-
不可诱导突变（超阻遏）：
Repressor has lost Iducer-binding site lacI S genesythesizes defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA
分子所编码
② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于 I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合 成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。
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。
RNA聚合酶结合部位 阻遏物结合部位
阻遏蛋白
负转录调控
负转录调控 在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种 调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控
负转录调控。
2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，
可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类： • 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合
物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，
（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征
基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因 表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的 蛋白质 阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质