第九章 原核基因表达的调控

LacA
T 基 因 表 达
mRNA
RNA 聚合酶
mRNAZ
mRNAY
mRNAA
CAP
cAMP - CAP
葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 葡萄糖 腺苷酸 环化酶 cAMP
抑制
降低cAMP浓度 cAMP 使CAP呈失活状态
CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）
操纵子终产物色氨酸含量的高低，决定了前导肽的转译速度，从
而，决定了转录是提早终止 (弱化)，还是继续转录完整个操纵子。
弱化作用模型
抗终止子结构
转录终止子结构
色氨酸含量低时，核糖体封闭序
列1，序列2与序列3形成发夹结
构（即抗终止子）。
色氨酸含量高时，前导肽被正常 翻译，核糖体阻止2:3配对，3:4 发夹得以形成，构成转录终止子。
细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内
的β-半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结 合到阻遏蛋白上使之从操纵序列上脱离，聚合酶 迅速开始lacZYA基因的转录。这就是负控诱导。
(2)、负控阻遏系统---色氨酸操纵子
色氨酸操纵子的组成
包括色氨酸合成途经中相关的5个结构基因，可转录出一条
多顺反子的mRNA ；
前导肽的转译速度决定操纵子的转录是终止还是继续。
色氨酸含量低时不形成转录终止子结构
如果色氨酸缺乏时，翻译过程中将缺少其氨酰－tRNA，核
糖体将在两个色氨酸密码子上滞留，封闭了序列1。这使得
序列2能自由地与序列3形成发夹结构（即抗终止子）。终止
子 (3:4)发夹结构不能形成，转录继续到trpE及其下游。
在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。
2.2.3 操纵子的转录调控实例


负控诱导系统-----乳糖操纵子;
负控阻遏系统----色氨酸操纵子

正控诱导系统----麦芽糖操纵子
(1)、负控诱导系统---乳糖操纵子
大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只
有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
因
关
闭
B、乳糖酶的诱导
调节 基因 R
启 动 操纵 子 基因 P O
乳糖结构基因 LacZ LacY LacA
mRNA 异乳糖 阻遏蛋白 （无活性） mRNAZ mRNAY mRNAA
基 因 表 达
阻遏蛋白 （有活性）
lac 操纵子小结
通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序
列结合，基因不转录。
大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)的组成：

3个结构基因:Z、Y和A;这三个结构蛋白是作为一个多顺 反子的mRNA一起表达的; 一个启动子Plac; 一个操纵区Olac; 一个独立的调节基因lac I。

操纵区Olac
lacZYA转录单元含有一个操纵区Olac，它位于
Plac启动子5’端的-5至+21之间。当阻遏蛋白结合
酶量的调节包括：
1、转录水平的调节: 基因（酶的基因）被转录成多少mRNA 的转录水平的调节。 2、转录后调控: 转录后mRNA转译出多少蛋白（酶）的过程。
2

转录水平的调控
操纵子的概念


操纵子的转录调控
分解代谢物阻遏调控
2.1 操纵子的概念
操纵子：
原核生物细胞中, 功能相关的基因组成操纵子结构,由操纵 区与一个或几个结构基因联合起来,形成一个结构上、功
显然操纵子表达的这种控制与阻遏物的控制无关，必然还有
其它的调控机制，这种调控机制就是弱化作用。
弱化子
弱化作用是细菌辅助阻遏作用的一种精细调控; 弱化作用通过操纵子的前导区内类似于终止子结构的一段
DNA序列而实现，它编码一条末端含有多个色氨酸的多肽
链-先导肽，这段DNA序列被称为弱化子。
前导序列的结构特点
色氨酸操纵子RNA的前导序列含有4个序列互补区，能形成不
同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列1、2、3和4；
当序列1和2配对，序列3和4配对 可调节的转录终止子结构 时，就会形成转录终止子结构
非弱化子发夹结构

如果序列2和3形成2:3发夹结构，转录就不会终止。
非转录终止子结构
这便是在trp操纵子中所发现的除阻遏作用以外的另一种调 节功能。
前导RNA结构
在trp mRNA 5‘端，色氨酸操纵子基因的起始密码前有一个长
162 bp的DNA序列称为前导区，可转译生成一个前导肽。
前导区 转译 前导肽
trpE
trpD
trpC 转译
trpB
trpA
Trp mRNA
Trp 合成所需的酶
第 九 章
微生物基因表达调控
内 容
概述
转录水平的调控 转录后调控
1. 概 述
微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因
产物；
微生物在代谢过程中，已经形成了两种主
要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶
量的调节。
酶活性的调节：
具体指一定数量的酶通过其分子构象或分子结构的改变来调 节其催化反应的速率，主要是生化水平的调节（第五章）。
从而使阻遏物紧紧结合在操纵区；
当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操
纵区上解离下来，trp操纵子的转录就此开始；
弱化作用 (attenuation)
异常现象
阻遏物失活的突变不能完全消除色氨酸对trp操纵子表达的影
响。
没有阻遏物时，在培养基中含或不含色氨酸的条件下观察到
转录速度相差8～10倍 。
ATP
cAMP
cAMP-CRP对乳糖操纵子的正调控
缺少葡萄糖 cAMP含量增加
结合于Plac上游 CRP
CRP-cAMP复合物
乳糖操纵子转录
DNA双螺旋发 生构象变化
乳糖操 纵子的功能是在正、负两个相互独立的调控体系作用 下实现的。
CAP 基因
CAP结 合部位
结构基因
P O
R
T
LacZ
LacY
稀有密码子对翻译的影响
在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白;
阻遏蛋白的作用部位: 操纵区 阻遏蛋白的作用: 与操纵区结合，转录受阻。 负控诱导系统 诱导物不存在时，阻遏蛋白与操纵区相结合，
结构基因不转录；诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物相结合，
阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。
负控阻遏系统 当阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。
3.1 转译起始的调控
SD(Shine-Dalg-arno)序列
SD
AUG
mRNA上起始密码子AUG的上游存在核糖体结合位点(RBS)，
在RBS中有SD(Shine-Dalgarno)序列，长度一般为5个核苷 酸，富含 G、A，SD序列与核糖体16SrRNA的3‘端互补配对， 促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。
5'-AMP
磷酸二 酯酶
分解代 谢产物
激活
3 转录后调控
翻译起始的调控
mRNA的稳定性
稀有密码子和重叠基因调控
转录后调控
基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式――用不着某
种蛋白质，其mRNA由于用不着就不必转录。
转录生成mRNA以后，再在翻译或翻译后水平进行"微调"，
是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本 身的需求和外界条件的变化。
能上协同作用的整体,受统一调节基因和启动区的调控。
调节基因： 可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从而控制 结构基因的功能。
2.2、操纵子的转录调控
原核生物的基因调控主要发生在转录水平上
负控诱导系统
转录 调控 机制
负转录调控
负控阻遏系统
正控诱导系统
正转录调控
正控阻遏系统
2.2.1 负转录调控系统

降解物敏感型操纵子都是由cAMP-CAP调节的 ， cAMP-
CAP复合物是一个正调控因子；
cAMP即环式腺苷酸的作用
cAMP和分解代谢激活蛋白（CAP）的复合物可以促进降解物敏 感型操纵子的转录。
葡萄糖对cAMP浓度的影响 葡萄糖存在：
降解物可抑制腺苷酸环化酶，活化 磷酸二酯酶，降低环腺苷酸浓度

降解物敏感型操纵子
(catabolite sensitive operon)

在降解过程中能被转化成葡萄糖或糖酵 解途径中的其他中 间产物的糖 (如乳糖、半乳糖、麦芽糖、阿拉糖等)，其有
关的酶都是由可诱导的操纵子控制的。

只要有葡萄糖存在，这些操纵子就不表达。 这类操纵子称 被称为降解物敏感型操纵子；
到操纵区时，便成为转录的强抑制物。 阻遏蛋白 阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac I所编码，lac I也 是乳糖操纵子的一部分; lac I位于Plac的上游。
阻遏蛋白对转录的抑制作用
当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位
点， RNA聚合酶不能与启动子结合。阻遏蛋白阻
碍了几乎全部的lacZYA的转录而使之保持很低的
SD序列对转译的影响
RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码AUG
之间的距离,一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。 SD序列必须呈伸直状，如果形成二级结构则降低表达。
SD序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚至上千
倍的差异，这是由于核苷酸的变化影响了核糖体30 S亚基 与mRNA的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。
转录终止子结构
2:3发夹结构
1:2、3:4发夹结构
弱化作用
前导肽的序列特征:
色氨酸前导肽编码序列的3‘端与互补序列1重叠，两个色氨酸密 码子都在序列1内；
由于色氨酸 (色氨酸操纵子的最终产物)是转译过程
中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定
了在mRNA中终止子(3:4)发夹结构是否形成。
转录水平。
乳糖操纵子诱导表达的机理
异乳糖
将乳糖加入培养基中后，细胞本身所含的低量的透
性酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳 糖转化为异乳糖。
异乳糖作为诱导物的作用
异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上，从而
引起阻遏蛋白构象的变化，进而降低其对乳糖操
纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下
一个启动子，这个启动子受毗邻的操纵区顺序控制；
色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是trpR，可与色氨酸操
纵子的操纵区特异性相互作用。
色氨酸操纵子的转录调控
辅阻遏物
色氨酸操纵子的效应物分子是色氨酸，也就是由trp操纵子的
基因所编码的生物合成途径中的末端产物。
色氨酸浓度对操纵子的转录调控
当色氨酸很丰富时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，
（3）正控诱导系统
调节蛋白:
激活蛋白
调节蛋白的作用:
促进RNA聚合酶的结合，从而增加mRNA的合成。 大肠杆菌麦芽糖操纵子
麦芽糖是诱导物，激活蛋白只有与麦芽糖结合时才能与
DNA的特殊结合位点结合，促使RNA聚合酶开始转录；
该结合位点称为激活蛋白结合位点，与启动区毗邻或在相隔
几百个碱基对处。
弱化作用
在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列2的
末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽；
色氨酸含量高时形成转录终止子结构
色氨酸含量高时，前导肽被正常翻译，核糖体阻止2:3配对，
当RNA聚合酶把3区和4区转录出来时，3:4发夹得以形成，构
成转录终止子，转录被终止。这一过程被称为弱化作用。
2.2.2 正转录调控系统
在正转录调控系统中，调节基Biblioteka Baidu的产物是激活蛋白(activator)
激活蛋白的作用:
激活蛋白结合后， RNA聚合酶与
DNA的启动子结合，转录才会进行。 正控诱导系统 在正控诱导系统中，诱导物的存在使 激活蛋白处于活性状态，转录进行。 正控阻遏系统 在正控阻遏系统中，效应物分子的存
来，聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。
因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷 (IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录。
A、乳糖操纵子的结构
调节 基因 启动子 操纵区 P O LacZ
乳糖结构基因
乳 糖 操 纵 子 的 负 调 控
R
LacY
LacA
mRNA
基
阻遏蛋白 （有活性）
麦芽糖操纵子的
正控诱导系统
• 麦芽糖是诱导物 • 麦芽糖和激活蛋 白的复合物与特 定的DNA位点结 合，促使RNA聚 合酶开始转录。
2.3 分解代谢物阻遏调控 （葡萄糖效应）
分解代谢物阻遏

又称为葡萄糖效应，因为葡萄糖是首先被发现具有这种阻 遏效应的物质。 当培养基含有多种能源物质时，微生物首先利用更易于分 解利用的能源物质，而首先被利用的这种物质的分解对利 用其他能源物质的酶的产生有阻遏作用。
3.2 mRNA的稳定性
mRNA的半衰期
mRNA的稳定性也是影响翻译效率的一个很重要的因素，
基因的表达量与mRNA的半衰期成正比例关系。
同一种微生物细胞中不同蛋白质的mRNA的稳定性相差很
大，例如大肠杆菌的mRNA功能性半衰期的差异可在40
秒至20分钟之间，对不同基因的表达量起调控作用。
3