第8章 原核生物基因表达调控

高半乳糖时
RNA-pol
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
mRNA
O
O
二、阻遏蛋白的作用机制
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
弱启动子控制的 组成型合成
阻遏蛋白
Helix-turn-helix
1 51
Core domain1 Core domain2 80 360 Inducer binding Oligomerization
3’
（3）协调调节
• 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥 作用； • 如无 CAP 存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结 合，操纵子仍无转录活性。
• 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；
• 若有葡萄糖或葡萄糖 / 乳糖共同存在时，细菌首 先利用葡萄糖。
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
有葡萄糖: cAMP ( 不促进转录)
•代谢物阻遏效应
•研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA的 合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应。
葡 萄 糖 效 应
有葡萄糖， cAMP 浓度低时
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
Primary structure of lac operon regulation region
• Discovery of Operon
Jacques Monod
• 1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上 生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖； 在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生 长曲线”。
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• 1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因： Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；
二、原核生物基因表达调控的特点与方式
（1）原核生物基因表达调控包括在DNA水平、转录 水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平的调节 是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式。 （2）原核生物基因的表达调控多以操纵子为单位进 行，即将功能相关的基因组织在一起，同时开启或 关闭基因表达。 （3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调 控，原核生物以负调控为主。
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
3
UUUU…… UUUU……
4
前导肽
trp 密码 子
序列3、4不能形成衰减子结构 2.当色氨酸浓度低时
3 降解物对基因活性的调节
• 葡萄糖效应（降解物抑制作用） 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌 的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的 存在阻止了其它糖类的利用的现象。
• 围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式 都通称为基因表达调控。
•
在生物体生命活动中并不是所有的基因都同 时表达，在生物体代谢过程中所需要的各种 酶和蛋白质的基因以及构成细胞化学成分的 各种编码基因，在正常情况下是持续表达的， 而与生物发育过程有关的基因则要在特定的 时间和空间才进行表达。 （1）时间特异性或阶段特异性 （2）空间特异性或组织细胞特异性
OH H H O OH
别乳糖
＋
O OH
H2O CH 2OH H H OH HO H OH H H O OH HO H CH2OH O OH OH H H OH H H
＋
葡萄糖
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
（1）Lac阻遏物的作用---负调控
阻遏基因 DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
转录水平上的调控 转录后水平上的调控
• 操纵子学说
1961年，法国巴斯德研究院的Francois Jacob （雅各布）与Jacques Monod（莫洛）提出，获1965 年诺贝尔生理学和医学奖。
操纵子(operon)
启动子 (promoter) 结构基因
调节基因
操纵基因 (operator)
第八章 原核生物基因表达调控概述
第一节原核生物基因表达调控概述
• 一、基因表达调控的意义
• 在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而 产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物， 如tRNA、rRNA等的过程 。 • 大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA 和rRNA基因表达产物是RNA。
乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
二、酶的诱导-lac体系受调控的证据
1 实验证据
在不含乳糖及β -半乳糖苷的培养基中，lac+基因 型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。 如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细 胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个 酶分子。
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
结构基因 调节基因 操纵基因
阻遏蛋白
不转录，基因封闭
•
正调控（positive regulation）
• 与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的 表达水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）
• 正调控可分为：
• 可诱导的正调控系统
调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启 结构基因的转录。 • 可阻遏的正调控系统 调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。 但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录。
I基因：决定细胞对诱导物的反应。
• 1961年, F. Jacob & J.Monod提出乳糖操纵子学 说， 此后不断完善。1965年获诺贝尔生理学和医 学奖。
Jacques Monod
2018/9/18
Francis Jacob
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一、乳糖操纵子（lac operon）的结构与 组成
调控区 DNA
• 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。
结构基因
调节基因
操纵基因
mRNA
调节蛋白
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。
Catabolite gene activation protein site
5’ CACTCGATTGAGTGTAATTA T C A T T A RNA polymerase binding region or promoter region G G CACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGA T -10 site -35 site Operon region A A 5’ TATAAT 3’ 20bp C Pribnow box A A T T T C A C A C
阻抑蛋白
三、原核生物基因表达调控的几个重要概念
• 结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的 RNA和蛋白质的基因。 • 调节基因：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。调节基因编码的调节物通过 与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。 • 顺式作用元件（cis-acting elements）:调节基因表达的 DNA序列。 • 反式作用因子（trans-acting factors）：调节基因表达 的蛋白质因子，可直接或间接结合顺式作用元件。
结构基因
I
P
O
控制基因
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
启动子 阻遏基因
A：乙酰基转移酶
Lac操纵子P、O区的重叠
乳糖操纵子模型
• Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA
lacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为 半乳糖和葡萄糖； lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透 过细菌的细胞壁； lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖 代谢。
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来自百度文库
• 负调控（negative regulation）
与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表 达水平下降，甚至关闭，调控因子称阻遏蛋白 （repressor） • 负调控可分为：
• 可诱导的负调控系统 • 阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转 录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除 对结构基因转录的抑制。 • 可阻遏的负调控系统 • 阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏 物结合后，抑制结构基因的转录。 2018/9/18
2018/9/18
没有乳糖存在时
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有乳糖存在时 DNA
I
P pol
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白 异乳糖 乳糖
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• 乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统
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（2）CAP的正性调节
CAP RNA 聚 合 酶 结 合
-35 cAMP
-10
0
[
O
( 促进转录)
无葡萄糖: cAMP
DNA binding Hinge
图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能
• 阻遏蛋白结构具有对称性，是相同亚基构成 的四聚体。
O c mutant operantor
cannot bind to
Active repressor
Operon is transcribed and translated lacI O c operantor
• 降解物对基因活性的调节
• 葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达
4 细菌的应急反应
• 细菌的应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭 tRNA和核糖体形成的能力。
•
焦磷酸 细菌的应急反应的机制 转移酶
应急信号：
鸟苷四磷酸（ppGpp）、
鸟苷五磷酸（pppGpp）
诱导物：空载tRNA
第二节 乳糖操纵子
β -半乳糖苷酶
透性酶
乙酰转移酶
图 16-7 操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达
Inactive repressor lacI － gene sythesizes defective repressor that does not bind to DNA
lacI－
Operon is transcribed and translated Operantor
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
14aa前导肽编码区 : 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 UUUU…… 第10、11密码子为trp密码子 UUUU…… 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
(a) 正常 5’
1 trpL
2
3
4
trpE
trp mRNA 寡聚U区
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四、原核生物基因表达调控机制
1 代谢产物对基因活性的调节
一些基因的特殊代谢产物对基因活性的调节具 有诱导或阻遏作用。
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. 如乳糖操纵子，调节分解代谢的操纵子，同时受 cAMP-CAP的活性调节
(b) 高 [Trp]
3
1 2
4
转录终止
(C) 低[Trp]
2 3
转录延伸
4
1
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
5’
1
核糖体
2
3
3
UUUU 3’ UUUU……
4
前导肽
trp 密码 子
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
2 弱化子对基因活性的影响
• 弱化子：在操纵基因与结构基因之间的一段可以终止
转录作用的核苷酸序列。当操纵子被阻遏时，RNA合 成被终止，这段核苷酸序列起终止转录信号作用。
RNA聚合酶 UUUU……
•起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度
•
弱化子作用机制
调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列 衰减子区域
1 时间特异性 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(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
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(spatial specificity)。 • 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)。