原核基因表达调控
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分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要，是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
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。
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。
原核生物基因表达调控分析
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 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)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
原核生物基因表达调控
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
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）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。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基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导
第九章：原核生物基因表达调控
基因被转录成初级转录产物初级转录产物被加工成成熟的mrnamrna的稳定性mrna的翻译多肽链的加工和组装酶或者蛋白质活性控制蛋白质的降解91转录水平的调控正调控与负调控模式比较单顺反子与多顺反子mrna911转录起始调控一乳糖操纵子结构9111操纵子laca编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
第七章：原核生物基因表达调控
负转录调控
• 负控诱导 阻遏蛋白不与效应物
结合时基因不转录。
• 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物 结合时，基因不转录。
正转录调控
• 正控诱导 有效应物时，激活蛋白 处于活性状态基因转录。
• 正控阻遏 有效应物时，激活蛋 白处于无活性状态基 因不转录。
负控诱导
正控诱导
负控阻遏
正控阻遏
1、原核生物基因调控机制的类型
6、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及 D
(A) 转录水平调节 (B) 转录激活调节
(C) 翻译水平调节
(D) 转录／翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CRP-cAMP 7、与O序列结合
A
8、与P序列结合 B 9、 与CRP结合 C 10、与CAP位点结合 D
境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后而活化，
能够与O结合，阻遏结构基因的转录，开 关。
(二) 弱化子及其作用
当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化 R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶 类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸 浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特
殊的结构有关。
乳糖存在诱导基因转录
乳糖(lac)操纵子的表达调控
1、阻遏蛋白的负性调控
没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。i 基因在自身的 启动子Pi 控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与 操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。
当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成
单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。
(D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达
2、一个操纵子（元）通常含有
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
14
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
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
第六章 原核生物基因表达调控
图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。
原核生物基因表达调控的基本结构单元
原核生物基因表达调控的基本结构单元介绍
原核生物是一类单细胞生物，其基因表达调控的基本结构单元通常包括以下几个主要组成部分：
1. 启动子（Promoter）：启动子是基因的调控区域之一，位于基因的上游区域，通常包含一个TATA盒等核酸序列。
启动子的作用是吸引RNA聚合酶，这是一个关键的酶，用于合成RNA 的新链。
RNA聚合酶结合到启动子后，开始转录过程。
2. 运算子（Operator）：运算子是原核生物中的一段DNA序列，通常位于启动子和基因之间。
它是一种特定的序列，可以与调控蛋白质（如诱导子或抑制子）结合，以控制基因的转录。
当运算子结合到调控蛋白质时，可以影响RNA聚合酶的能力。
3. 基因（Gene）：基因包含了编码蛋白质的DNA序列，其转录和翻译会产生蛋白质。
基因的启动子和终止子之间的DNA序列被转录为RNA，然后通过翻译产生蛋白质。
4. 调控蛋白质：原核生物中，调控蛋白质是一类能够与运算子结合的蛋白质，可以在基因表达调控过程中起到关键作用。
有诱导子（inducers）和抑制子（repressors）两种类型的调控蛋白质。
诱导子能够激活基因的转录，而抑制子能够阻止或减慢基因的转录。
5. RNA聚合酶：RNA聚合酶是一种酶，它负责合成RNA链的新链。
RNA聚合酶在启动子的帮助下结合到DNA，并开始转录过程。
它在原核生物的基因表达调控中起到关键作用，因为它决定了是否会合成特定基因的RNA。
这些基本结构单元共同协同工作，以确保原核生物的基因表达调控能够适应环境的变化，使细胞能够在不同条件下产生所需的蛋白质。
这一过程是原核生物的适应性和生存的关键。
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
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
31
（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；
（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
Trp作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合从而激活其活性！
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
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
原核表达调控
这段碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍。mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。这个区域被称为弱化子，该区mRNA可通过自我配对形成茎-环结构。
在Trp操纵子Ptrp-O与trpE间有一段162bp的先导序列(leading sequence, L)。在L内有一段123~150bp的序列，它在转录起始后可调控转录过程的进行。
葡萄糖存在时
若无Gal，Gal R可结合在gal OE和OI上，并相互作用形成环，从S1、S2的转录都被阻遏。 当gal存在时，Gal R的阻遏解除，但由于葡萄糖的存在，P1不能启动而只有P2低水平启动转录。 无葡萄糖存在；若存在gal，gal的阻遏解除，依赖于CRP的P1高水平表达产生利用Gal的酶类，以Gal为能源和碳源。
弱化子的共同特点是某些外部因素控制着弱化子的发夹形成。即形成终止子结构。弱化子为结构基因的转录设了一道关卡。
前导肽
分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。
在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。
在trp操纵子中，阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，而对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少，弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少，通过前导肽的翻译来控制转录的进行。 细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。
在Trp操纵子Ptrp-O与trpE间有一段162bp的先导序列(leading sequence, L)。在L内有一段123~150bp的序列，它在转录起始后可调控转录过程的进行。
葡萄糖存在时
若无Gal，Gal R可结合在gal OE和OI上，并相互作用形成环，从S1、S2的转录都被阻遏。 当gal存在时，Gal R的阻遏解除，但由于葡萄糖的存在，P1不能启动而只有P2低水平启动转录。 无葡萄糖存在；若存在gal，gal的阻遏解除，依赖于CRP的P1高水平表达产生利用Gal的酶类，以Gal为能源和碳源。
弱化子的共同特点是某些外部因素控制着弱化子的发夹形成。即形成终止子结构。弱化子为结构基因的转录设了一道关卡。
前导肽
分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。
在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。
在trp操纵子中，阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，而对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少，弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少，通过前导肽的翻译来控制转录的进行。 细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。
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rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达
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)。
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组 成。操纵基因受调节基因产物的控制。
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
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 Jacob and Monod
2、操纵子的定义
Repressor has lost Iducer-binding site lacI S genesythesizes defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator
lacI lacI
S
Operantor
OH H H O OH
别乳糖
＋
O OH
H2O CH 2OH H H OH HO H OH O OH H H HO H CH2OH O OH OH H H OH H H
乳糖
＋
葡萄糖
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
诱导物的加入和去除 对lac mRNA的影响
3、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，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac 操纵子在这些突变体中就不可诱导。
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)。
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）
• 维持个体发育与分化（真核）
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
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控 （transcriptional regulation）
四、转录水平上调控的其他形式
1、σ因子的更换
在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特
定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与
各种启动子结合。
大肠杆菌中的各种σ 因子比较
σ因子 σ70 σ54 σ38
编码基因
主要功能 参与对数生长期和大多数碳代谢过程 基因的调控 参与多数氮源利用基因的调控 分裂间期特异基因的表达调控
（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
• 安慰诱导物：
如果某种物质能够促使细 菌产生酶而本身又不被分 解，这种物质被称为安慰 诱导物，如IPTG（异丙基H H OH CH2OH HO H OH H H O CH 3 S－C－CH3 CH 3
2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响
第三节 乳糖操纵子(lac
内容提要：
乳糖操纵子的结构
operon)
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、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
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
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
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，
启动序列
CAP结合位点
代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP） cAMP—CAP复合物
• 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。
2、空间特异性(spatial specificity)
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
空间特异性。
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)。
三、基因表达的规律
——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity）
按功能需要，某一特定基因的表达严格按
特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间
特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶
段特异性(stage specificity)。
间隔序列(IVS)
β-珠蛋白基因的正确表达主要依赖于两种类型的调控元件：位于基因 簇5′端的位点控制区(Locus Control Region，LCR)以及各珠蛋白基因 的启动子等近端调控序列。LCR由4个DNase 高敏位点(5'HS1-5'HS4)构 成，每个HS的活性又都集中在核心序列上。研究发现。 ...
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。
解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的 lac mRNA合成。
2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油
按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个
分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；
阻遏蛋白 mRNA
诱导物
酶蛋白
• 可阻遏调节（P197）：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
酶合成的阻遏操纵子模型
结构基因 调节基因 操纵基因 调节基因 结构基因
操纵基因
mRNA 酶蛋白
培养基：加入乳糖
少量乳糖 透过酶 诱导物 进入细胞 β-半乳糖苷酶 异构乳糖
诱导lac mRNA的生物合成
大量乳糖进入细胞
多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源） 异构乳糖
H HO OH H CH2OH HO H CH2OH HO H OH H H OH H H H CH2OH O O OH H H H H OH H H OH OH H O O CH2 H
β –D-硫代半乳糖苷）。
图 16-6 异丙基-β -硫代半乳糖苷的分子结构
三、乳糖操纵子调控模型
主要内容：
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。
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，
即在某些物质的诱导下使基因活化。
例：大肠杆菌的乳糖操纵子
分解代谢蛋白的基因
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
结构基因 调节基因 操纵基因
诱导物
如果某种物质能够促使 细菌产生酶来分解它， 这种物质就是诱导物。
第七章 基因的表达与调控(上) ——原核基因表达调控模式
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA
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)。
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组 成。操纵基因受调节基因产物的控制。
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
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 Jacob and Monod
2、操纵子的定义
Repressor has lost Iducer-binding site lacI S genesythesizes defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator
lacI lacI
S
Operantor
OH H H O OH
别乳糖
＋
O OH
H2O CH 2OH H H OH HO H OH O OH H H HO H CH2OH O OH OH H H OH H H
乳糖
＋
葡萄糖
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
诱导物的加入和去除 对lac mRNA的影响
3、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，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac 操纵子在这些突变体中就不可诱导。
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)。
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）
• 维持个体发育与分化（真核）
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
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控 （transcriptional regulation）
四、转录水平上调控的其他形式
1、σ因子的更换
在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特
定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与
各种启动子结合。
大肠杆菌中的各种σ 因子比较
σ因子 σ70 σ54 σ38
编码基因
主要功能 参与对数生长期和大多数碳代谢过程 基因的调控 参与多数氮源利用基因的调控 分裂间期特异基因的表达调控
（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
• 安慰诱导物：
如果某种物质能够促使细 菌产生酶而本身又不被分 解，这种物质被称为安慰 诱导物，如IPTG（异丙基H H OH CH2OH HO H OH H H O CH 3 S－C－CH3 CH 3
2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响
第三节 乳糖操纵子(lac
内容提要：
乳糖操纵子的结构
operon)
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、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
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
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
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，
启动序列
CAP结合位点
代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP） cAMP—CAP复合物
• 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。
2、空间特异性(spatial specificity)
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
空间特异性。
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)。
三、基因表达的规律
——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity）
按功能需要，某一特定基因的表达严格按
特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间
特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶
段特异性(stage specificity)。
间隔序列(IVS)
β-珠蛋白基因的正确表达主要依赖于两种类型的调控元件：位于基因 簇5′端的位点控制区(Locus Control Region，LCR)以及各珠蛋白基因 的启动子等近端调控序列。LCR由4个DNase 高敏位点(5'HS1-5'HS4)构 成，每个HS的活性又都集中在核心序列上。研究发现。 ...
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。
解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的 lac mRNA合成。
2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油
按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个
分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；
阻遏蛋白 mRNA
诱导物
酶蛋白
• 可阻遏调节（P197）：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
酶合成的阻遏操纵子模型
结构基因 调节基因 操纵基因 调节基因 结构基因
操纵基因
mRNA 酶蛋白
培养基：加入乳糖
少量乳糖 透过酶 诱导物 进入细胞 β-半乳糖苷酶 异构乳糖
诱导lac mRNA的生物合成
大量乳糖进入细胞
多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源） 异构乳糖
H HO OH H CH2OH HO H CH2OH HO H OH H H OH H H H CH2OH O O OH H H H H OH H H OH OH H O O CH2 H
β –D-硫代半乳糖苷）。
图 16-6 异丙基-β -硫代半乳糖苷的分子结构
三、乳糖操纵子调控模型
主要内容：
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。
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，
即在某些物质的诱导下使基因活化。
例：大肠杆菌的乳糖操纵子
分解代谢蛋白的基因
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
结构基因 调节基因 操纵基因
诱导物
如果某种物质能够促使 细菌产生酶来分解它， 这种物质就是诱导物。
第七章 基因的表达与调控(上) ——原核基因表达调控模式
RNA 复制 复制
DNA
转录 逆转录
RNA