第7章+原核生物基因表达的调控
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弱化作用：使正在进行的操纵子转录在到达结 构基因以前就中途停止的基因调控作用。 阻遏作用和弱化作用均属负控制（转录水平上 的控制）。前者，AA通过阻遏蛋白而影响转录—调 控信号是AA的浓度；后者，AA通过tRNA的作用而影 响转录—调控信号是AA-tRNA的浓度。
3.2.1 Trp操纵子的阻遏系统
操纵基因试验鉴定
足迹法鉴定蛋白质在DNA上的结合部位
操纵基因的结构特征：长21bp，与启动子-10区和编码
链部分重叠，含反向重复序列。
操纵位点的回文序列
阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：每个单体靠次 级键与操纵基因的一半相结合。λ 阻遏蛋白为二聚 体。
DNA结合蛋白与DNA之间的相互作用
4 其它操纵子
4.1 组氨酸等的操纵子
His操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其 控制作用。只有一种负控制作用（即弱化作用）。
4.2 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)
gal operon包括3个结构基因: galE编码: 异构酶(UDP-galactose-4-epimerase) galT编码: 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶
特点: (1)trpR和trpABCDE不连锁；(2) 有衰减子(attenuator)/ 弱化子;(3) 启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列 (Leader)所隔开
trp操纵子结构
返回
Leader Sequence of the trp Operon
3.2 调控机制
阻遏作用：当Trp充分时，阻遏蛋白与Trp结合 而被活化，阻止转录。
奢侈基因（luxury gene），指编码组织特异性蛋白的
基因(tissue-specific gene) ，对细胞分化有重要影响， 如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。
基因表达调控的意义：适应环境、维持个体的生长发
育、分化和增殖。
基因表达的调控水平：转录水平（transcriptional
The operon is inactived
Once the ribosome is removed, section 1 is now free to base pair with section 2, then section 3 is base pair with section 4, these hairpin loops cause termination of transcription and the detachment of the leader RNA from the DNA template
Repressor
CAP
Binding
Promoter Operator
Repressor
CAP
cAMP
RNA Pol.
LacZ
STOP Right there Polymerase
LacY
LacA
Repressor mRNA
CAP
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
3 色氨酸操纵子
细菌基因组中含有负责某些物质合成的操纵子，
regulation）的调控；转录后水平（post-transcriptional regulation）的调控（RNA加工水平上的调控；翻译水平上 的调控）。
组成性酶与诱导酶 • 组成性酶：不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。 • 诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。
根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）和负 转录调控（负控制）。
2.3 葡萄糖降解物效应 培养基中葡萄糖含量高，则大肠杆菌细胞内的葡 萄糖代谢旺盛，降解物浓度高，cAMP含量少，乳糖操 纵子转录被抑制；反之，cAMP含量多，乳糖操纵子转 录被激活。
葡萄糖降解物的作用: 控制cAMP的浓度。
cap或CR基因与正控制
cap或CR基因编码一种激活Lac等操纵子的正
控制蛋白CAP（一种二聚体蛋白），cAMP是其效应 物。CAP正控制的实质性作用是：cAMP与CAP结合， CAP构像发生变化，专一性识别并结合DNA，促进 RNA聚合酶有效地与启动子结合。
CAP: Catabolite activator protein (降解物激活蛋白) CRP: Catabolite receptor protein (降解物受体蛋白)
调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所 编码的蛋白因子。 • 负调节蛋白：阻遏蛋白 • 正调节蛋白：激活蛋白
2 大肠杆菌的乳糖操纵子
2.1 二度生长现象（葡萄糖效应，降解物阻遏效应）
当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在 时，E. coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡 萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! LacZ LacY RNA LacA Pol.
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
CAP
cAMP
Repressor mRNA
Repressor
组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达， 而另一些基因在该条件下却关闭。
基因表达的时、空特异性
• 时间特异性（temporal specificity）：某些基因的表 达严格按照特定的时间顺序进行。
第七章
原核生物基因表达的调控
本章主要内容
基因表达调控的基本概念 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其它操纵子 转录后水平的调控
1 基因表达调控的基本概念
基因表达（gene expression）:基因转录及翻译 的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于 基因表达
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
3.2.2 trp操纵子的弱化机制
弱化子: DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列 （123-150区）。
123~150
研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自 我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。
如负责AA合成的操纵子。当无外源AA时，这类操纵子
表达，使细胞内有足够的AA以进行蛋白质的合成；有
外源AA时，细菌成产物所阻遏的操纵子叫做可 阻遏操纵子。色氨酸操纵子就是一个典型的可阻遏操 纵子。
3.1 trp操纵子的结构
由trp E、D、C、B、A等5个基因所组成；P与O重叠，P：40～+18，O：-21～+1；trpR编码阻遏蛋白；前导序列L：162 bp，其末端为弱化子（attenuator）。
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
LacZ
No way Jose!
LacY
LacA
Repressor mRNA
Repressor
CAP
The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
因产物的控制。
乳糖操纵子调控模型
① ② ③ ④ Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。 启动子区(P)紧接着操纵区(O)区。 操纵区(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点。 当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA转录起始受到抑制。
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。
• 空间特异性(spatial specificity)：某些基因在个体 不同组织细胞中按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特 异性(cell or tissue specificity)。 持(看)家基因(house keeping genes):始终或经常性开 启的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组 成性蛋白的基因。
前导序列：在trp mRNA 5ˊ端trpE基因的起始密码前一
个长162bp的mRNA片段。
Section Section Section Section
1: nucleotides 50-68 2 : nucleotides 75-92 3 : nucleotides 108-121 4 : nucleotides 126-134
β - 半乳糖苷酶的诱导
lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：
① 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导 物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？(×) 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？(√) ② 真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β -半乳糖 苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β -半乳糖苷酶 的预先存在。 解释：在本底水平上, 有β -半乳糖苷酶的组成型合成,即, 在非诱导状态下,lac Z操纵子有本底水平上的表达（有少量 lac mRNA合成及翻译）。
调控区
DNA
结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
启动序列
CAP结合位点
cAMP—CAP复合物
lac操纵子的双重调控
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
X
Repressor
CAP
cAMP
Repressor
This lactose has bent me out of shape
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase Alright, I’m off to the races . . . Come on, let me through!
安慰性诱导物：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- β –D-硫代半乳糖苷）和TMG(巯 甲基半乳糖苷)等。
乳糖的结构
2.2 E. coli lac操纵子学说的提出
操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相 关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基
Attenuation of the trp operon
• Ribosome stall at a position where two consecutive trp codons are located • Section 2 base pair with section 3, section 4 remains singlestrand, and the RNA polymerase continues transcription the structural genes • The operon has been activated
Attenuation of the trp operon
再论弱化子（attenuator)与弱化作用 (attenuation) 弱化子是指Trp等操纵子前导序列的末端部分， 具有减弱转录的功能。当Trp过剩时, 前导肽的翻 译合成到达前导mRNA的终止密码子处,这时,弱化 子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子 的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构 基因以前就中途停止——弱化作用。
(galactose transferase)
galk编码: 半乳糖激酶(galactose kinase)
3.2.1 Trp操纵子的阻遏系统
操纵基因试验鉴定
足迹法鉴定蛋白质在DNA上的结合部位
操纵基因的结构特征：长21bp，与启动子-10区和编码
链部分重叠，含反向重复序列。
操纵位点的回文序列
阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：每个单体靠次 级键与操纵基因的一半相结合。λ 阻遏蛋白为二聚 体。
DNA结合蛋白与DNA之间的相互作用
4 其它操纵子
4.1 组氨酸等的操纵子
His操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其 控制作用。只有一种负控制作用（即弱化作用）。
4.2 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)
gal operon包括3个结构基因: galE编码: 异构酶(UDP-galactose-4-epimerase) galT编码: 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶
特点: (1)trpR和trpABCDE不连锁；(2) 有衰减子(attenuator)/ 弱化子;(3) 启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列 (Leader)所隔开
trp操纵子结构
返回
Leader Sequence of the trp Operon
3.2 调控机制
阻遏作用：当Trp充分时，阻遏蛋白与Trp结合 而被活化，阻止转录。
奢侈基因（luxury gene），指编码组织特异性蛋白的
基因(tissue-specific gene) ，对细胞分化有重要影响， 如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。
基因表达调控的意义：适应环境、维持个体的生长发
育、分化和增殖。
基因表达的调控水平：转录水平（transcriptional
The operon is inactived
Once the ribosome is removed, section 1 is now free to base pair with section 2, then section 3 is base pair with section 4, these hairpin loops cause termination of transcription and the detachment of the leader RNA from the DNA template
Repressor
CAP
Binding
Promoter Operator
Repressor
CAP
cAMP
RNA Pol.
LacZ
STOP Right there Polymerase
LacY
LacA
Repressor mRNA
CAP
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
3 色氨酸操纵子
细菌基因组中含有负责某些物质合成的操纵子，
regulation）的调控；转录后水平（post-transcriptional regulation）的调控（RNA加工水平上的调控；翻译水平上 的调控）。
组成性酶与诱导酶 • 组成性酶：不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。 • 诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。
根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）和负 转录调控（负控制）。
2.3 葡萄糖降解物效应 培养基中葡萄糖含量高，则大肠杆菌细胞内的葡 萄糖代谢旺盛，降解物浓度高，cAMP含量少，乳糖操 纵子转录被抑制；反之，cAMP含量多，乳糖操纵子转 录被激活。
葡萄糖降解物的作用: 控制cAMP的浓度。
cap或CR基因与正控制
cap或CR基因编码一种激活Lac等操纵子的正
控制蛋白CAP（一种二聚体蛋白），cAMP是其效应 物。CAP正控制的实质性作用是：cAMP与CAP结合， CAP构像发生变化，专一性识别并结合DNA，促进 RNA聚合酶有效地与启动子结合。
CAP: Catabolite activator protein (降解物激活蛋白) CRP: Catabolite receptor protein (降解物受体蛋白)
调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所 编码的蛋白因子。 • 负调节蛋白：阻遏蛋白 • 正调节蛋白：激活蛋白
2 大肠杆菌的乳糖操纵子
2.1 二度生长现象（葡萄糖效应，降解物阻遏效应）
当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在 时，E. coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡 萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! LacZ LacY RNA LacA Pol.
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
CAP
cAMP
Repressor mRNA
Repressor
组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达， 而另一些基因在该条件下却关闭。
基因表达的时、空特异性
• 时间特异性（temporal specificity）：某些基因的表 达严格按照特定的时间顺序进行。
第七章
原核生物基因表达的调控
本章主要内容
基因表达调控的基本概念 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其它操纵子 转录后水平的调控
1 基因表达调控的基本概念
基因表达（gene expression）:基因转录及翻译 的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于 基因表达
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
3.2.2 trp操纵子的弱化机制
弱化子: DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列 （123-150区）。
123~150
研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自 我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。
如负责AA合成的操纵子。当无外源AA时，这类操纵子
表达，使细胞内有足够的AA以进行蛋白质的合成；有
外源AA时，细菌成产物所阻遏的操纵子叫做可 阻遏操纵子。色氨酸操纵子就是一个典型的可阻遏操 纵子。
3.1 trp操纵子的结构
由trp E、D、C、B、A等5个基因所组成；P与O重叠，P：40～+18，O：-21～+1；trpR编码阻遏蛋白；前导序列L：162 bp，其末端为弱化子（attenuator）。
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
LacZ
No way Jose!
LacY
LacA
Repressor mRNA
Repressor
CAP
The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
因产物的控制。
乳糖操纵子调控模型
① ② ③ ④ Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。 启动子区(P)紧接着操纵区(O)区。 操纵区(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点。 当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA转录起始受到抑制。
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。
• 空间特异性(spatial specificity)：某些基因在个体 不同组织细胞中按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特 异性(cell or tissue specificity)。 持(看)家基因(house keeping genes):始终或经常性开 启的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组 成性蛋白的基因。
前导序列：在trp mRNA 5ˊ端trpE基因的起始密码前一
个长162bp的mRNA片段。
Section Section Section Section
1: nucleotides 50-68 2 : nucleotides 75-92 3 : nucleotides 108-121 4 : nucleotides 126-134
β - 半乳糖苷酶的诱导
lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：
① 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导 物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？(×) 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？(√) ② 真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β -半乳糖 苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β -半乳糖苷酶 的预先存在。 解释：在本底水平上, 有β -半乳糖苷酶的组成型合成,即, 在非诱导状态下,lac Z操纵子有本底水平上的表达（有少量 lac mRNA合成及翻译）。
调控区
DNA
结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
启动序列
CAP结合位点
cAMP—CAP复合物
lac操纵子的双重调控
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
X
Repressor
CAP
cAMP
Repressor
This lactose has bent me out of shape
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase Alright, I’m off to the races . . . Come on, let me through!
安慰性诱导物：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- β –D-硫代半乳糖苷）和TMG(巯 甲基半乳糖苷)等。
乳糖的结构
2.2 E. coli lac操纵子学说的提出
操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相 关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基
Attenuation of the trp operon
• Ribosome stall at a position where two consecutive trp codons are located • Section 2 base pair with section 3, section 4 remains singlestrand, and the RNA polymerase continues transcription the structural genes • The operon has been activated
Attenuation of the trp operon
再论弱化子（attenuator)与弱化作用 (attenuation) 弱化子是指Trp等操纵子前导序列的末端部分， 具有减弱转录的功能。当Trp过剩时, 前导肽的翻 译合成到达前导mRNA的终止密码子处,这时,弱化 子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子 的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构 基因以前就中途停止——弱化作用。
(galactose transferase)
galk编码: 半乳糖激酶(galactose kinase)