分子生物学 第10章

原核生物的基因表达调控
• 原核生物在对外环境突然变化的反应中，是通过
诱导或阻遏合成一些相应的蛋白质来调整与外环境 之间的关系。 • 由于原核生物的转录与翻译的过程是偶联的，于 大多数原核生物的mRNA在几分钟内就受到酶的影响
而降解，因此就消除了外环境突然变化后所造成的
不必要的蛋白质的合成。与真核生物相比，原核生
真核基因的表达调控过程非常复杂，多层次多调节 元件。
基因表达调控的信号
基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使 用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生
物之间存在着相当大差异。
原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起
着十分重要的作用；
而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、
发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环
操纵基因和阻遏蛋白
1. 操纵基因（operator）是操纵子中的控制基因， 在操纵子上一般与启动子相邻，它可以和阻遏 蛋白结合，从而控制基因表达。（结合→基因 不表达；解离→基因表达） 操纵基因——基因合成的开关 2. 阻遏蛋白（aporepressor）是负调控系统中由 调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏 物一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因 的转录。阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而 导致不阻遏或去阻遏。
trp操纵子的阻遏系统
• trp R基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基 因产物因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。除非培 养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结 合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物， 与操纵区结合并使之关闭转录trp mRNA。 • 阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管 转录是否启动，相当于粗调开关。trp操纵子中对应于 色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已 经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录 达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨 酸的浓度来调节这种过早终止的频率。
物基因表达的一个特点是快速。
Ø如何在复杂的基因组内确定正确的转录起始点？
Ø如何将DNA的核苷酸按着遗传密码的程序转录到新 生的RNA链中？
Ø如何保证合成一条完整的RNA链？如何确定转录的 终止？ • 上述问题决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功 能、蛋白因子及其他小分子配基的互相作用，在原 核转录调控中，现已搞清楚了细菌的几个操纵子模 型——
使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶
蛋白。
•负反馈：细胞质中有了β—半乳糖苷酶后， 便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被 分解后，又造成了阻遏蛋白与来自百度文库纵基因结合， 使结构基因关闭。
葡萄糖对lac操纵子的影响——代谢 物阻遏效应
• 葡萄糖对lac操纵子表 达的抑制作用是间接
的。
• 能够葡萄糖浓度变化
第10章
原核生物基因表达调控
10.1 概述
基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制， 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过适当反应的复杂过程。 基因表达的调控可在多个层次上进行，包括基因水 平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻释后水平 的调控。 原核基因的调控主要发生在转录水平，有正、负调 控两种机制。
置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基
中，细菌中cAMP的浓度也会很高。
•研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制 (Catabolite repression)现象的实质是该代谢物降 低了细胞中cAMP的含量.事实上，cAMP-CAP复合物是 lac体系的positive regulator，它们不能代替lacI 和lacO的功能(negative regulator)。 •cAMP-CAP不但能与DNA相结合，造成双螺旋弯曲， 易于形成三元转录起始复合物，它还能直接影响RNA 聚合酶的活性。Dominant negative（Transdominant）lacI-d，只要有这个"环"的亚基存在， lacI+基因产物（阻遏物）无法与O区相结合lac operon得到表达。
① 阻遏蛋白有活性 ② 阻遏蛋白无活性
③ 激活蛋白有活性
④ 激活蛋白无活性 调控蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）通过与一些小 分子物质的相互作用达到诱导状态或阻遏状态。— —效应物 ① 诱导物；② 辅阻遏物
例1：乳糖操纵子
1. 大肠杆菌的乳糖操纵子（lactose operon, lac） 长约5000个碱基对，是目前对操纵子研究最详 尽的例子，也是研究转录水平调控规律的基本 模式。 2. 乳糖操纵子结构： 3个结构基因：lacZ、lacY、lacA lac操纵基因 lac启动子 调节基因：lacⅠ启动子与lacⅠ编码基因 乳糖操纵子的负调节机制
的决定，从而维持一定的色氨酸含量。
细菌中为什么要有弱化子系统呢？
• 可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低， 需要有一个能更快地做出反应的系统，以保持培养基 中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要是对外 源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很低的信号 虽然足以引起trp操纵子的去阻遏作用，但是这个信 号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。在这种环境 下，弱化子就通过抗终止的方法来增加trp基因表达， 从而提高内源色氨酸浓度。
例3：色氨酸操纵子
•色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激 活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。当培养
基中有足够的色氨酸时，该操纵子自动关闭；缺乏
色氨酸时，操纵子被打开。
•色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遏，因而被称
作辅阻遏分子，意指能帮助阻遏蛋白发生作用。色
氨酸操纵子恰和乳糖操纵子相反。
AraC蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双 重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。 Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴 定的类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用 的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。在 没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉 伯糖存在，它就能够与araC蛋白结合，使平衡 趋向于Pi形式。 这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿 拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点， 然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。
例2： 阿拉伯糖操纵子的调控
• 阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源 的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基 因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：核酮糖 激酶(ribulokinase)、L-阿拉伯糖异构酶(Larabinose isomerase)、L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异 构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。 • 与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个 调节基因araC，这个araC蛋白同时显示正、负调节 因子的功能。araBAD和araC基因的转录是分别在两 条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上， araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录， 而araC基因则是从Pc向右转录。
• 当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过 两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2 区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成基一环终 止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。
转录衰减机制(弱化效应)
阻遏与弱化作用的协调
• 有实验证明，在不加色氨酸的培养基中，trp mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为， 野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物， 培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物 间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动trp操纵子
•抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻 遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够 识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA 聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因也被 抑制，结果结构基因不能转录出mRNA，不能 翻译酶蛋白。
•诱导作用：乳糖的存在情况下，乳糖代谢产 生异乳糖（alloLactose），异乳糖能和调节 基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变 构象，不能在和操纵基因结合，失去阻遏作 用，结果RNA聚合酶便与启动基因结合，并
• 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的 tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子 的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进 行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），这时 的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构， 所以转录可继续进行，直到将trp操纵子中的结构基 因全部转录。
作出应答反应的物质
是cAMP（环腺苷酸）
• 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，lac启
动子表达受阻，没有β -半乳糖苷酶活性；当葡
萄糖消耗完以后（图中箭头处），细胞内cAMP 浓度增加，β -半乳糖苷酶活性被诱导，一度停 止生长的细胞又恢复分裂。 • 如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内 cAMP浓度就很高；若在含葡萄糖的培养基中培 养，细菌中的cAMP浓度就会很低；如果将细菌
结构基因与调节基因
1. 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或
RNA的基因。
2. 调节基因（regulator gene）是编码合成那些
参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA
序列。其产物通过与DNA上的特定位点结合从 而控制转录。
组成蛋白和调节蛋白 1. 细胞内有许多种蛋白质的数量几乎不受外界环境 的影响，这些蛋白质称为组成蛋白或持家蛋白。 2. 调节蛋白是一类特殊蛋白，它们可以控制和影响 一种或多种基因的表达，分为正调节蛋白（激活 蛋白）和负调节蛋白（阻遏蛋白）两种。
境因素的影响则为次要因素。
10.2 几个概念
1. 基因活性的调节主要通过顺式作用元件和反式作 用因子的相互作用而实现。 2. 顺式作用元件cis-acting elements ，是指对基因 表达的调节活性的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；这种DNA序 列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子 中。（如启动子、终止子） 3. 反式作用因子trans-acting factors ，对基因表 达有调节作用的蛋白质或各种RNA分子，其编码 基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个 DNA分子上。
③半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, gal T)， ④半乳糖激酶(galactose kinase, gal K)。 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。 galR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而 galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。
•操纵子学说（theory of operon） 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。它是DNA分子上的一段区域，包括共转 录到一条mRNA分子上的多个结构基因和这些基因转 录所需的调控元件。 •原核生物操纵子对调控蛋白（激活蛋白、阻遏蛋白） 及小分子调节物做出的反应可分为可诱导和可抑制两 种类型。因此，原核生物共有4种调控模式——
• 那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物的 作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先 导mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济。
例4： 半乳糖操纵子（双启动子调控）
①大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括 3个结构基因：
② 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,gal E)，
衰减子与前导肽
• 在trp mRNA 5'端trpE基因的起始密码前有一个长 162bp的mRNA片段被称为前导区，研究发现，当 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。因为转录终止发生在 这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称 为衰减子或弱化子。 • 分析前导肽序列，发现它包括起始密码子AUG和终止 密码子UGA，编码了一个14个氨基酸的多肽。该多肽 有一个特征，其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密 码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙 氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。